兩級箱涵式泄水口在吹填工程中的應(yīng)用

張哲 交通運輸部天津水運工程科學研究所

吹填軟泥中余水的排出是水運工程界普遍關(guān)注的問題。在吹填造陸項目中通常需要設(shè)置泄水口排出吹填區(qū)內(nèi)的余水，泄水口結(jié)構(gòu)型式有溢流堰式、箱涵式等。溢流堰式泄水口具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點，但堤身頂部因開口而不能通車、過人，且泥沙流失率較大，控制泄水位需要在堰口位置加土工織物袋裝砂等墊高，增加了工程環(huán)節(jié)。箱涵式泄水口結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟節(jié)約、泥沙流失較小，因堤身頂部沒有缺口形成，因此可以滿足堤頂通車需求。

當在深水區(qū)吹填時，往往吹填區(qū)外部圍堰建設(shè)高度很大。若采用傳統(tǒng)形式的箱涵式泄水口，當箱涵安設(shè)在圍堰低位置處，隨著吹填泥面高程的增加，埋沒箱涵后將無法正常排出吹填區(qū)內(nèi)的余水。若箱涵設(shè)置在堤身高位置處，吹填初期的余水將無法排出，形成較大水頭對堤身穩(wěn)定帶來影響。

根據(jù)上述特點本文設(shè)計了適用于深水斜坡堤的兩級箱涵式泄水口，由箱涵、排水管兩部分組成。箱涵由角鋼和側(cè)板焊接構(gòu)成，設(shè)置有閘板槽和閘板，閘板位于閘板槽內(nèi)，構(gòu)成閘板式調(diào)控結(jié)構(gòu)。箱涵和排水管安放在深水斜坡堤堤身上，箱涵與排水管通過焊接相互連接在一起，組成適用于深水斜坡堤的泄水結(jié)構(gòu)。吹填區(qū)內(nèi)余水進入排水管的水位借助箱涵進行調(diào)節(jié)，吹填區(qū)內(nèi)的余水達到箱涵進水口處時，在重力作用下流入箱涵底部，并從設(shè)置在箱涵底部的排水管排出。第一級箱涵式泄水口可以拆卸，當泥面高度超過第一級箱涵式泄水口排水高度極限時，將其拆除并封堵堤身缺口，并在堤身較高高程處布置第二級箱涵式泄水口，由此排出高吹填處的余水。箱涵可以根據(jù)吹填的進度，不斷調(diào)節(jié)排水的高程，這樣可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，既節(jié)約工程造價又能保證深水斜坡堤的安全穩(wěn)定。

1.實例應(yīng)用

1.1 工程簡介

我國北方某港為滿足發(fā)展需要于2016年在港區(qū)內(nèi)某海域進行了吹填造地作業(yè)。該工程成陸面積約85萬m2，原泥面平均標高-3m，設(shè)計吹填標高+10m，工程所需吹填工程量約1100萬m3。

1.2 工程水文氣象條件

本工程海域設(shè)計高水位3.58m，設(shè)計低水位0.54m，極端高水位5.14m，極端低水位-1.30m。風況以風浪為主，涌浪為輔，常浪向為ENE向，頻率為16.22%；次常浪向E向，頻率14.54%；強浪向ENE向，H4%＞2.0波高頻率為0.94%，次強浪向WSW向，H4%＞2.0波高頻率為0.33%，實測最大H1/10波高3.07 m，對應(yīng)最大波高3.6 m，波向ENE向。潮流在漲潮潮段平均流速在0.35～0.57m/s，落潮潮段平均流速在0.41～0.53m/s。本海區(qū)每年12月上旬出現(xiàn)海冰，翌年2月下旬終冰，冰期約90天，其中初冰期約18天，盛冰期約55天，融冰期約18天左右。本海區(qū)灘寬水淺，河道溝汊多，盛冰期可形成15～25cm厚的固定冰區(qū)，由于面積大，冰層厚，冰質(zhì)硬，對海上建筑物會產(chǎn)生一定的破壞力。

1.3 工程地質(zhì)條件

本項目地處濱海地帶，地形極平坦，普遍鹽漬化或沼澤化。堆積物以濱海相褐灰色淤泥質(zhì)黏土和粉細砂為主，質(zhì)軟、抗沖性能差，在潮汐作用下，形成了寬闊平坦的海灘。勘察顯示表層為粉土及淤泥質(zhì)土，土質(zhì)較軟。根據(jù)場地地基土物理力學性質(zhì)、埋藏條件、成因時代、巖性成分及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，將場地勘探深度內(nèi)巖土體劃分為3個工程地質(zhì)層：第四系全新統(tǒng)海相沉積層、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層以及第四系上更新統(tǒng)沖積層。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010），勘察區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第三組。

1.4 圍堰構(gòu)造

本工程圍堰全長1053m，第一級堤頂高程為+6.0m，頂寬9m，第二級圍堰頂高程為+11.0m，頂寬5m。采用重力斜坡式結(jié)構(gòu)形式，充砂袋堤心，內(nèi)外側(cè)均設(shè)有肩臺，第一級肩臺高程為+0.5m，寬度為6m，第二級肩臺高程為+2.5m，寬度為5m。第二級肩臺以下坡度為1：2，第二級肩臺以上坡度為1：1.5。堤身底部鋪設(shè) 1m厚中粗砂墊層作為橫向排水通道，采用B型塑料排水板作為豎向排水通道，排水板間距1m，呈正方形布置。堤身內(nèi)外兩側(cè)鋪設(shè)600mm厚度的60～100kg塊石進行防護，堤身與塊石護面之間鋪設(shè)300mm厚度的二片石墊層。堤身外側(cè)堤腳鋪設(shè)厚600mm，長5m的60～100kg塊石護底。

由上述基本信息可知，本工程吹填厚度達13m，圍堰高為14m，屬深水斜坡堤形式。由于堤高水深，若吹填過程中余水不能及時排出在影響區(qū)內(nèi)納泥效果的同時還會增加堤身所承受的水壓，帶來安全隱患。根據(jù)建設(shè)單位要求，施工作業(yè)期間圍堰頂端應(yīng)能保證通車。結(jié)合本文前面所述，本工程適用兩級箱涵式泄水口，如圖1所示。

1.5 泄水口布置

泄水口平面位置選擇應(yīng)根據(jù)吹填區(qū)地形、排泥管線的布置等因素確定。為有利于吹填土沉淀，設(shè)計中將泄水口布設(shè)在吹填區(qū)的死角。

為充分結(jié)合堤身結(jié)構(gòu)，將第一級箱涵式泄水口放置在圍堰第一級肩臺上，即高程+0.5m處，第二級箱涵式泄水口放置在圍堰第二級肩臺上，即高程+2.5m處。第一級箱涵式泄水口設(shè)計為可拆卸的結(jié)構(gòu)，當吹填區(qū)內(nèi)泥面低于第一級箱涵頂部位置時，余水可以通過箱涵的開口將吹填區(qū)內(nèi)的余水收集至箱涵內(nèi)通過箱涵底部的排水管將余水排出。隨著吹填泥面的上升，第一級箱涵已不再適用，將第一級箱涵式泄水口拆除并封堵第一級泄水口所在位置的堤身缺口。在堤身上部第二級肩臺上安設(shè)第二級箱涵式泄水口，安設(shè)完成后，后續(xù)吹填產(chǎn)生的余水可以通過第二級泄水口排出。本工程經(jīng)計算排水管的直徑700mm，長度為40m，由兩根長度為20m的鋼管焊接而成，根據(jù)排水需求計算求得需要13根排水管。

圖1 兩級箱涵式泄水口

為確保排水管安放穩(wěn)定，在箱涵、排水管的安放位置先鋪設(shè)碎石層，然后在碎石上部鋪設(shè)土工織物倒濾層，土工織物倒濾層采用規(guī)格為400g/m2無紡短纖土工布，最后在400g/m2無紡短纖土工布上部安放排水管。為確保排水管穩(wěn)定，在水流作用下不發(fā)生顫動，在排水管的四周均勻鋪設(shè)袋裝碎石，為防止碎石刺破上部袋裝砂堤身在碎石上部鋪設(shè)500g/m2高強長絲機織土工布，并在吹填側(cè)安置箱涵。

2.工程效果

工程進展過程中，在吹填泥面高程未淹沒第一級箱涵時，吹填區(qū)內(nèi)的余水順利的由第一級箱涵式泄水口排出，排水過程中未出現(xiàn)因泥沙淤堵排水管而停工的情況。當吹填泥面逐漸淹沒第一級箱涵時，用吊車將第一級箱涵吊出，并在堤身的第二級肩臺處安設(shè)了第二級箱涵式泄水口，直至吹填結(jié)束。總體來講，箱涵可以根據(jù)吹填區(qū)內(nèi)泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調(diào)節(jié)排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，可以簡化施工環(huán)節(jié)、節(jié)約人力，效益顯著，驗證了兩級箱涵式泄水口在深水斜坡堤上的適用性。

3.結(jié)論

經(jīng)實例驗證，兩級箱涵式泄水口具有以下優(yōu)點：

（1）箱涵可以根據(jù)吹填區(qū)內(nèi)泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調(diào)節(jié)排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣。

（2）當泥面高度超過第一級箱涵式泄水口排水高度極限時，將第一級箱涵式泄水口拆除，用于建設(shè)第二級箱涵式泄水口，節(jié)約造價。

（3）采用箱涵式泄水口無需在堤身開口，可以保證堤頂通車的需求，給工程帶來極大便利。

（4）分兩次逐步排出吹填區(qū)內(nèi)軟土表面的余水，可減少吹填區(qū)內(nèi)余水對堤身穩(wěn)定性的不利影響。

（5）所用材料主要為有鋼板、鋼管等，方便尋得，且可以回收利用，經(jīng)濟節(jié)約。