絞吸挖泥船吹填工藝在紅樹林灘涂高程改造中的應(yīng)用

程鵬

（中交廣州水運(yùn)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶灘涂上的木本植物群落，在維持濱海濕地生產(chǎn)力、生物多樣性、環(huán)境及海岸安全等方面發(fā)揮著巨大的作用[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大面積紅樹林遭受圍填海的破壞[2-3]，水產(chǎn)養(yǎng)殖等人為活動進(jìn)一步惡化了紅樹林的生長環(huán)境，紅樹林及其宜林灘涂保存量迅速減少。2004 年印度洋海嘯事件后，紅樹林的保護(hù)與恢復(fù)工作越來越受到重視，在十三五期間，“南紅北柳”被當(dāng)做生態(tài)修復(fù)和海岸防護(hù)的重要內(nèi)容。2020 年，自然資源部、國家林業(yè)和草原局聯(lián)合印發(fā)了《紅樹林保護(hù)修復(fù)專項(xiàng)行動計(jì)劃（2020—2025 年）》，提出到2025 年，計(jì)劃營造紅樹林9 050 hm2。

紅樹林的宜林灘涂高程宜介于平均海平面（或稍上）與回歸潮平均高潮位之間，漲潮時根部被海水淹沒，退潮時灘涂全部出露。實(shí)踐證明，在低高程灘涂造林很難獲得成功[4]。目前合適高程的紅樹林宜林灘涂較少[1]，人工營造紅樹林中一項(xiàng)重要任務(wù)即為對灘涂高程進(jìn)行改造。本文以汕尾品清湖藍(lán)色海灣項(xiàng)目紅樹林濕地建設(shè)為例，對絞吸船吹填淤泥增高灘涂施工方法進(jìn)行探討，為類似項(xiàng)目的施工提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目的紅樹林濕地位于中國第一大潟湖——汕尾市品清湖東南部海岸潮間帶，通過圍埝后回填淤泥提高灘涂高程，形成總長約800 m、寬約30 m 的人工造林宜林灘涂，回填后灘涂目標(biāo)高程1.0 m，灘涂凈回填量約3.9 萬m3，種植形成面積約2.4 萬m2紅樹林濕地景觀帶，整個項(xiàng)目施工工期11 個月。圍埝由4 層大砂袋結(jié)構(gòu)組成梯形斷面，頂寬2 m，底寬9 m，頂標(biāo)高1.5 m，內(nèi)側(cè)坡比1頤2，外側(cè)坡比1頤3。頂層砂袋沿軸線方向每30 m 預(yù)留排水口作為紅樹周期性浸水排水通道，排水口寬0.5 m，高0.5 m。場地泥面標(biāo)高-0.5~0.1 m，回填區(qū)泥面標(biāo)高-0.2~0.1 m，場地后方為鋼筋混凝土海堤，海堤頂標(biāo)高4.7 m。項(xiàng)目平面布置如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目平面布置圖Fig.1 Project layout plan

1.1 自然條件

1）水文

區(qū)域潮汐為不正規(guī)日潮，海域潮差小，平均潮差在0.73~0.93 m 之間，最大潮差均在3.0 m 以下，屬于弱潮區(qū)。高程基準(zhǔn)面采用1985 國家高程基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)高水位1.34 m，設(shè)計(jì)低水位-0.36 m。

2）地質(zhì)

地表為淤泥，該層在區(qū)內(nèi)廣泛分布，鉆孔揭露層厚0.5耀9.1 m（未揭穿），平均層厚3.85 m；灰色、深灰色，飽和，流塑，含少量有機(jī)質(zhì)，局部混雜少量粉細(xì)砂、貝殼，脫水后干強(qiáng)度較高。主要物理力學(xué)指標(biāo)平均值如下：天然重度酌=15.80 kN/m3，天然含水量W=66.6豫，液性指數(shù)IL=1.67，孔隙比e=1.8，壓縮模量ES=1.89 MPa，有機(jī)質(zhì)含量平均值為6.9%。

1.2 項(xiàng)目特點(diǎn)

1）水深較淺。紅樹林生長于海岸潮間帶，一般位于水深較淺區(qū)。本項(xiàng)目計(jì)劃采用小型絞吸船近地取土吹填種植場地。取土區(qū)泥面標(biāo)高-0.5~+0.1 m，低潮時水深不足0.5 m，大潮高潮時水深約2 m，給施工帶來較大困難。

2）灘涂目標(biāo)高程較低。作為紅樹林種植的基質(zhì)，灘涂需要周期性浸泡潮水，吹填后目標(biāo)高程應(yīng)根據(jù)紅樹林適宜生長的灘涂高程確定。一般來說，紅樹林在高潮應(yīng)淹沒根部，保證樹苗有足夠的水量澆溉，退潮時應(yīng)露灘，保證根部呼吸。本項(xiàng)目吹填目標(biāo)高程為1.0 m。

3）吹填土工程性質(zhì)差，易流失。紅樹林一般生長在海灣河口泥灘鹽漬化沼澤上，適宜生長的土有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤顆粒組成較細(xì)，該類土一般高含水量，力學(xué)性質(zhì)差，不易形成穩(wěn)定邊坡。此外，高潮水位高過圍埝頂高程，整個吹填區(qū)位于水下，吹填土易流失。

4）取土區(qū)距離吹填區(qū)較近，應(yīng)注意圍埝和吹填區(qū)整體穩(wěn)定性。結(jié)合本項(xiàng)目場地地質(zhì)條件，選取水域表層淤泥作為吹填土，取土區(qū)位于吹填區(qū)圍埝外一定距離。

2 施工準(zhǔn)備

2.1 吹填標(biāo)高與吹填工程量預(yù)估

1）吹填標(biāo)高

吹填高程應(yīng)按設(shè)計(jì)使用高程加上完工后由于地基加固和沉降所需的預(yù)留高度確定，本項(xiàng)目不涉及地基加固，設(shè)計(jì)吹填高程主要取決于沉降。將沉降分為2 部分，第1 部分為由于吹填淤泥堆載引起的地基壓縮變形，第2 部分為吹填淤泥本身干縮引起的變形。

吹填淤泥堆載按1.2 m 高土柱的自重計(jì)，為22 kPa，荷載較小，引起的地基最終沉降較小。吹填區(qū)地基土為飽和淤泥，透水性差，在上部吹填淤泥的堆載作用下，孔隙水壓力難以消散，固結(jié)十分緩慢，完全固結(jié)沉降所需的時間達(dá)幾年甚至更久[5]，因此地基壓縮變形較小且發(fā)展緩慢。此外紅樹林成林后，對灘涂具有促淤作用，可彌補(bǔ)后續(xù)地基壓縮沉降，因此可以忽略地基壓縮引起的變形。

吹填土本身干縮變形是由于吹填后灘涂晾曬失水引起的，失水只發(fā)生在灘涂表層，引起的干縮變形有限，保守起見，取為0.2 m。綜上，吹填高程取1.2 m。

2）吹填工程量

吹填工程量包括吹填容積量、地基下沉量和超填量，并考慮流失率[6]，按式（1）計(jì)算：

式中：V 為吹填設(shè)計(jì)工程量，萬m3；V1為吹填容積量，萬m3，按V1=3.9+2.4伊0.2=4.38 萬m3；駐V1為竣工驗(yàn)收前原地基沉降量，萬m3，取0；駐V2為超填工程量，萬m3，按完工后吹填平均高程不允許低于設(shè)計(jì)吹填高程控制[5]，駐V2=2.4 伊0.2=0.48萬m3；P 為吹填土進(jìn)人吹填區(qū)后的流失率，%，取30%。經(jīng)計(jì)算，吹填設(shè)計(jì)工程量6.94 萬m3。

2.2 施工船舶與工藝選擇

針對項(xiàng)目總吹填量較小、疏浚土開挖容易、疏浚區(qū)水深淺等特點(diǎn)，選擇可拼裝小型絞吸船，船舶主要參數(shù)見表1。疏浚土為淤泥質(zhì)土，水力輸送性好，采用“絞吸船挖泥—管路輸送—吹填區(qū)”工藝流程。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，吹填淤泥時泥泵管路流量Q 約為1 000 m3/h。

表1 施工船舶主要參數(shù)Table 1 Main parameters of construction ship

2.3 施工效率測算

1）時間利用率

項(xiàng)目吹填區(qū)高潮沒頂，位于水下，為保證吹填淤泥不被潮汐帶走，需趁中低潮作業(yè)。漲潮漫過圍埝頂前約1 h 停止吹填作業(yè)，保持吹填區(qū)的泥漿不被擾動，靜止沉淀一段時間，降低高潮沒頂時吹填區(qū)泥漿擴(kuò)散流失。一個潮汐周期中，可作業(yè)時間從高潮退潮至圍埝頂高程以下開始，經(jīng)歷低潮再漲潮到圍埝頂高程前約1 h 截止，施工只安排白天實(shí)施，根據(jù)潮汐規(guī)律統(tǒng)計(jì)，每日平均吹填作業(yè)時間約6.5 h，時間利用率S=0.27。

2）生產(chǎn)率與工期計(jì)算

泥泵管路吸輸生產(chǎn)率W 主要與土質(zhì)、泥泵特性和管路特性有關(guān)，按泥泵管路流量Q 伊泥漿濃度籽計(jì)算，Q=1 000 m3/h，籽取20%，W=200 m3/h，吹填施工工期T 按式（2）計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算，吹填工期為54 d，滿足工程進(jìn)度要求。

3 施工過程

3.1 取土區(qū)布置

取土區(qū)布置主要在于確定2 個參數(shù)，即取土開挖邊線到圍埝的距離和取土底標(biāo)高，而這2 個參數(shù)又相互影響：為了確保吹填區(qū)和圍埝的整體穩(wěn)定性，取土底標(biāo)高越低，則要求取土邊線到圍埝的距離越大。為了合理確定這2 個參數(shù)，圖2給出了一個簡便計(jì)算示意圖：1）根據(jù)地基土的天然重度、天然含水量、液性指數(shù)、孔隙比等，結(jié)合工程區(qū)域的工程經(jīng)驗(yàn)確定取土區(qū)的水下挖槽邊坡比[6]，以本項(xiàng)目為例，坡比取1頤10。2）根據(jù)船舶挖深、開挖超深和取土區(qū)土層條件，合理確定取土底標(biāo)高。本項(xiàng)目吹填土要求為淤泥，淤泥層底標(biāo)高-3.6 m，船舶開挖超深按0.4 m，取土底標(biāo)高-3.2 m，在船舶挖深范圍。3）從吹填區(qū)頂標(biāo)高到取土區(qū)底標(biāo)高，按照挖槽邊坡坡比放坡，再考慮富余距離，即得到開挖邊線到圍埝的距離。

圖2 取土區(qū)邊線計(jì)算示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation of the borrow area boundary

3.2 吹填管口與排水口布置

淤泥質(zhì)土經(jīng)吹填后極軟，排水緩慢，需要很長的泥漿流程來沉淀，結(jié)合項(xiàng)目吹填區(qū)長條形的特點(diǎn)，吹填區(qū)內(nèi)部不布置管線，吹填管口沿著圍埝自北向南布置，共布置4 處。1 號管口位于最北端，2 號、3 號管口向南依次間隔210 m，4 號管口位于最南端，從1 號向4 號依次吹填。不專門設(shè)置吹填排水口，利用圍埝頂預(yù)留的排水口，排水口底標(biāo)高1.0 m，寬0.5 m，每30 m 一道，排水口兩側(cè)預(yù)備袋裝土，根據(jù)吹填排水需要，封堵或打開排水通道。吹填管口與排水口布置見圖1。

為盡量延長泥漿流程，保證吹填物充分沉淀，減少流失，只利用最南端排水口，其余排水口在吹填期間用袋裝土封堵。排水口按溢流堰計(jì)算排水能力[5]，溢流堰寬度b 按式（3）計(jì)算：

式中：b 為溢流堰寬度；m1為流量系數(shù)，查表保守的取為0.419；籽為吹填泥漿濃度，%，取20%；g為重力加速度；H 為溢流水頭，m，取0.4 m；K為修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取1.3；Q 為進(jìn)人吹填區(qū)的泥泵管路流量，按1 000 m3/h 計(jì)算。推算當(dāng)溢流水頭H 取0.4 m（預(yù)留0.1 m 富余），排水溢流堰寬度b 取0.61 m，即只需開2 個0.5 m 寬排水口，即可滿足排水能力要求。1 號~3 號管口距離排水口的距離分別為670 m、430 m、220 m，3 號管口吹填泥漿流程較短，通過降低吹填總流量，以保證泥漿能有效沉淀。

3.3 吹填施工

絞吸船乘高潮移至吹填取土區(qū)，靠近1 號吹填管口，船身縱向與圍埝軸線平行，鉸刀頭朝南，拋?zhàn)笄昂陀仪板^，下鋼樁，接通排泥管線，除遠(yuǎn)離吹填管口的2 個排水口外，其余全部封堵。絞吸船開工布置圖見圖1。通過試挖，獲得船舶最佳的生產(chǎn)率，并確定優(yōu)化泥泵轉(zhuǎn)數(shù)、鉸刀前移量、切泥厚度、鉸刀轉(zhuǎn)數(shù)和橫移速度等操作參數(shù)。同時，在船舶起始位置挖出一定水深的水域，避免低潮時船舶擱淺，影響施工。

采用橫挖法施工，挖槽寬度15 m，分層厚度1 m，船舶邊開挖邊前移。加強(qiáng)排泥口泥質(zhì)觀察，若排泥口堆積粗顆粒土或貝類，有“起灘”現(xiàn)象，吹填土質(zhì)與地質(zhì)情況不符時，則立即調(diào)整挖泥船，避開此類土。圖3 為吹填淤泥施工。

圖3 吹填淤泥施工Fig.3 Construction of reclamation sludge

吹填施工分3 步：1）吹填區(qū)沿排水方向立若干水尺，觀察整個吹填區(qū)泥面標(biāo)高變化，當(dāng)吹填泥面高度達(dá)到1.0 m 時，即轉(zhuǎn)移管線至下一個吹填管口，依次完成1 號~3 號吹填管口作業(yè)。2）4號管口吹填采用小流量，反向排水方法施工，即封堵南段的排水口，打開北側(cè)若干排水口，逆坡吹填直至整個吹填區(qū)泥面達(dá)到1.0 m。3）封堵所有排水口，緩慢將整個圍埝區(qū)吹填至圍埝頂標(biāo)高，靜置后排干吹填區(qū)水，反復(fù)幾次，完工時灘涂面標(biāo)高達(dá)到1.2 m。

3.4 灘涂晾曬

工程實(shí)踐表明，吹淤體晾曬0.5 a 可形成10耀30 cm 的硬殼層，晾曬1 a 可形成30耀50 cm 的硬殼層[7]。為保障后續(xù)紅樹栽植工序，新吹填形成的灘涂需晾曬固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度。由于圍埝頂高程在高潮位以下，晾曬過程中灘涂每日會浸泡數(shù)小時。為盡量減少灘涂浸水時長，漲潮階段將排水口封堵，退潮階段打開排水口盡快排干水。

晾曬固結(jié)有以下幾個階段：吹填剛結(jié)束的灘涂，淤泥呈流動狀態(tài)，含水率極大；經(jīng)過30~40 d的浸水曝曬循環(huán)后，灘涂基本成形，表面形成光滑泥皮，無裂縫，豎直插入細(xì)竹竿后能保持傾斜姿態(tài)；經(jīng)過50~60 d，灘涂周邊出現(xiàn)裂縫，不成片，深達(dá)10 cm，豎直插入細(xì)竹竿后能保持豎直姿態(tài)，具有一定強(qiáng)度，個別區(qū)域具備一定的承載力，借助荊笆可進(jìn)行紅樹栽植，但新種紅樹易倒伏；經(jīng)過75~90 d，灘涂具有較大承載力，工人陷入灘涂淤泥深度不超過50~60 cm，可大面積種植紅樹。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1）吹填土質(zhì)。嚴(yán)格按照地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求的回填土質(zhì)吹填施工[8]，開挖較深地層的硬質(zhì)土，含砂量高的土雖然更容易吹填成灘，但將導(dǎo)致紅樹林種植存活率大大降低。以本項(xiàng)目為例，淤泥質(zhì)土基質(zhì)種植紅樹成活率在90%以上，而硬質(zhì)土基質(zhì)的成活率不足50%。

2）灘涂回填平整度。目前針對紅樹林灘涂回填平整度偏差，規(guī)范[9]規(guī)定，未經(jīng)機(jī)械整平的淤泥類土，高程最大允許偏差為依0.6 m，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，不完全適用。分析如下：紅樹林的生長，需要退潮時灘涂全部出露，按灘涂高程最大允許偏差依0.6 m 控制，極易形成大大小小的洼地，退潮無法暢通排水，導(dǎo)致紅樹死亡。因此，紅樹林灘涂回填應(yīng)盡量平整，最大允許偏差依0.15 m 為宜，或者形成面向排水口方向的微坡。

3）排水區(qū)灘涂護(hù)底。灘涂排水口處水流被束窄，流速大，淤泥質(zhì)土易被沖刷，形成洼地。在排水口附近鋪設(shè)土工布護(hù)底，可較好地解決沖刷問題。

5 結(jié)語及建議

1）利用水力吹填方法進(jìn)行紅樹林灘涂高程改造與傳統(tǒng)吹填造地施工相比，具有水深淺、吹填頂標(biāo)高較低、吹填土力學(xué)性質(zhì)差、易流失等特點(diǎn)。為保證吹填淤泥有效沉淀，減少流失，應(yīng)合理布置吹填管口與排水口位置，延長排水流程。吹填施工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注吹填土質(zhì)情況、灘涂回填平整度、灘涂排水區(qū)沖刷情況。

2）針對風(fēng)浪條件較大、大規(guī)模的紅樹林灘涂加高吹填施工，建議圍埝內(nèi)部增加子堰，形成彎曲排水通道，并適當(dāng)加高圍埝或在圍埝頂加防填土流失的土工布圍欄。

3）合理控制排水口開放，低潮位打開、高潮位封堵，盡量延長淤泥晾曬時間，可以加快吹填淤泥固結(jié)，早日達(dá)到種植要求。采用適當(dāng)方法對吹填淤泥的淺表層進(jìn)行加固處理，可大大縮短施工工期。