簡析吹填區(qū)采用泄水口結(jié)合排水明渠的施工方法

王 崗

（中交天航南方交通建設(shè)有限公司，廣東深圳 518040）

1 工程概況

某工程吹填區(qū)高程4.9 m，吹填總方量335萬m3，采用2 艘3 500 m3/h 絞吸挖泥船將臨時拋泥區(qū)內(nèi)的疏浚土轉(zhuǎn)吹至本工程，平均吹距5.0 km。疏浚土拋至臨時拋泥區(qū)考慮20 %的流失[1]，共需疏浚土約420 萬m3。通過在場地四周布置圍堰容納吹填土，其中南段圍堰利用現(xiàn)有工程滿足吹填需求。另外共需建設(shè)圍堰2 441 m，隔堰680 m，高程均為5.6 m，設(shè)計平面見圖1。

圖1 工程平面布置示意

2 吹填區(qū)排水設(shè)計思路

本工程降水主要集中在4～9 月，約占年降水總量的92 %。降水強度≥10 mm 的天數(shù)為32 天；降水強度≥25 mm 的天數(shù)為15 天；降水強度≥50 mm的天數(shù)為6 天；一日最大降水量225.2 mm。設(shè)計高水位2.14 m，極端高水位3.57 m。設(shè)計吹填高程4.9 m，設(shè)計圍堰頂高程5.6 m。

考慮本工程吹填尾水通過排水明渠排水至內(nèi)灣。為滿足吹填排水及環(huán)保要求，采用泄水口+排水明渠排水施工方案[2-4]：在場地東南角設(shè)置排水口，在一期工程東側(cè)設(shè)置排水明渠，排水明渠長2 km、底寬6 m、深度2 m，吹填水經(jīng)沉淀后通過排水口和排水明渠排入內(nèi)灣，詳見圖2。

圖2 施工平面布置示意

3 排水設(shè)計

3.1 泄水口設(shè)計

主泄水口與排水明渠相接，按3 500 m3/h 和4 500 m3/h 絞吸挖泥船各一艘進行泄水流量設(shè)計，同時為保證吹填進度，防止吹填土質(zhì)中含較多中粗砂影響施工，兩艘絞吸挖泥船均采用4 500 m3/h 型號。考慮吹填區(qū)泄水過程中壅水高度及泄水口材料，根據(jù)規(guī)范[5]采用埋管薄壁堰式泄水口，四面過水增大泄水周長、降低壅水高度（0.3 m 以下），防止閘箱口水流流速過大產(chǎn)生抽吸力造成吹填土流失。8 個閘箱內(nèi)周控制在1.0 m 以上，四面過水周長32 m，泄水管道采用8 根φ800 mm 鋼管，通過計算，確定薄壁堰式排水閘壅水高度驗算泄水口設(shè)計參數(shù)。按下列公式計算出壅水高度為21.26 cm（見表2），符合要求。

表2 薄壁堰式排水閘壅水高度驗算

式中：

Qx為通過薄壁堰排出的流量（m3/s）；

m2為薄壁堰流量系數(shù)，可按表1 確定；

表1 薄壁堰流量系數(shù)m2 取值

g為重力加速度（m/s2）；

b為薄壁堰寬度（m）；

H為溢流水頭（m）；

K為修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗可取1.0-1.3；

Q為疏浚設(shè)備排人吹填區(qū)的泥漿總流量（m3/s）；

ρ為吹填泥漿濃度（%）。

3.2 排水明渠設(shè)計

排水明渠設(shè)計長度約2 km，明渠排水設(shè)置一定水力坡降，使排水不易受高潮倒灌影響，排水渠設(shè)計底高程及頂高程根據(jù)計算確定；吹填區(qū)泄水口泄水時，需要壅高泄水，壅水后的高度是否會對圍堰安全造成影響或?qū)е侣绦枰嬎愦_定；管口高程與排水明渠正常排水過程中的水面高差需保證泄水口能夠順暢泄水且不至使得吹填區(qū)壅水高度進一步增長而影響圍堰安全或造成漫堤。泄水構(gòu)筑物的設(shè)置還應(yīng)保證強降水過程中的泄水通暢。

為保證高潮泄水不漫渠，渠頂高程需達(dá)到4.0 m以上；考慮本工程設(shè)計吹填高程為4.9 m，采用閘箱式泄水口一般情況下泄水入口與出口需要1.0 m能量轉(zhuǎn)換高度，則泄水出口管底高程需要在3.9 m以下；排水明渠排水過程壅水高度根據(jù)明渠濕周、坡降確定，且流速不能過大，宜為順坡緩流，故根據(jù)理論經(jīng)驗及明渠形式，壅水高度在0.5～0.9 m 為宜，初步取0.7 m；排水渠出口底高程應(yīng)取較低值而增加坡降，保證排水通暢，而又不宜取過低，否則增加耗材、形成急流，且受潮水影響下尾端部分潮水上漲而達(dá)不到預(yù)設(shè)的排水效果，造成浪費[6-7]。

綜上，初步取首端渠底高程3.2（3.9-0.7）m以下，整段設(shè)置1.0 m 高差形成坡降，則出口底高程2.2（3.2-1.0）m 以下，再綜合考慮本工程潮位情況、泄水口出水口處渠首端回旋壅水、明渠彎道損失等確定：矩形排水明渠出口底高程取2.0 m，首端底高程取3.0 m，坡降1/2000，底寬6 m，渠頂高程4.5 m（較4.0 m 高程富裕0.5 m）。同時針對不受潮水影響時正常泄水及暴雨泄洪工況以及受潮水影響時明渠泄水工況進行驗算如下[8]：

1）正常吹填泄水

兩艘絞吸船吹填，清水流量約20 000m3/h，明渠長度較長，正常水深按照矩形明渠恒定均勻流計算（明渠均勻流形成需要有一定條件：一是水流應(yīng)為恒定流；二是流量沿程不變，即無支流的匯入或分出；三是渠道必須是長而直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變；四是渠道中無閘、壩或跌水等建筑物的局部干擾）。渠內(nèi)正常水深0.76 m。在明渠出口段，若不受潮水影響，出口即為跌水建筑物，正常泄水應(yīng)按明渠恒定非均勻流進行驗算。采用臨界水深進行計算。臨界水深為0.45 m，正常水深為0.76 m，該明渠屬緩坡明渠。當(dāng)緩坡渠道末端自由跌落時，自由跌落是水跌的一個特例，相當(dāng)于下游堤坡變成鉛錘跌坎時的情況，水流以水舌形式自由瀉落（圖3）。因上游渠道底坡為緩坡，緩坡渠道中的均勻流為緩流，其正常水深大于臨界水深，取端自由瀉落時，水面必為下降曲線，其極限可以降至臨界水深，所以在坎緣上水深必為臨界水深。但事實并不如此，臨界水深發(fā)生在坎緣上游lk處。這是因為自由跌落屬急變流，而臨界水深的公式是假設(shè)水流為漸變流情況下推導(dǎo)的，沒有考慮流線彎曲影響的緣故。據(jù)試驗結(jié)果 lk=（3～4）hk，hc=（0.67～0.73）hk。但在推算跌坎上游水面曲線時，因lk與渠道水面曲線長度相比，其值可以忽略不計，所以在實際應(yīng)用時仍假設(shè)坎緣處的水深為臨界水深。

圖3 水跌示意

明渠恒定非均勻漸變流水面曲線的計算，采用簡明實用的逐段試算法，這種方法不受明渠形式的限制，對棱柱體及非棱柱體明渠均可適用。逐段試算法計算水面曲線（圖4、圖5），即先把明渠劃分為若干流段，然后對每一流段應(yīng)用差分方程，由流段的已知斷面求未知斷面，然后逐段推算。

圖4 矩形排水明渠跌水曲線

圖5 不受潮水影響時吹填排水示意

2）正常吹填加罕見瞬時暴雨泄洪

假設(shè)瞬時暴雨使得吹填區(qū)液面增高120 mm，根據(jù)計算，施工泄水口泄水流量達(dá)40 000 m3/h。此時渠內(nèi)水深1.20 m，滿足排水流量要求。

3）受大潮影響時明渠排水曲線的變化遇見罕見大潮時，明渠水流與大潮面形成a1 型壅水曲線（圖6），在一定長度范圍內(nèi)明渠內(nèi)水位將雍高，施工時注意關(guān)注排水明渠泄水情況，必要時控制流量吹填或暫停施工。

圖6 受大潮影響時吹填排水示意

4 施工過程控制要點

4.1 吹填圍堰形成

由于吹填高程、排水渠壅水高度、泄水口入口與出口水位差的疊加關(guān)系，在圍堰未一次成型到頂前不具備吹填條件，而圍堰形成又需使用吹填土。因此，開工前探明吹填區(qū)表層粉細(xì)砂層分布情況，盡可能使用吹填區(qū)范圍內(nèi)表層的粉細(xì)砂進行圍堰沙袋的充填。若吹填區(qū)內(nèi)粉細(xì)砂含量不足，需考慮業(yè)主協(xié)調(diào)預(yù)借一期吹填砂進行砂帶充填，以確保砂袋形成進度。

4.2 泄水口施工

圍堰下有埋管的泄水口，泄水管道一般采用先挖開圍堰再埋管的方法進行埋設(shè)。在掩埋過程中，極易因土顆粒與管道底面接觸不緊密而使得吹填過程中泄水管道底部發(fā)生滲水，從而危及泄水口處圍堰安全。為了確保泄水口埋設(shè)嚴(yán)密不至于發(fā)生滲水事故，一般可采取簡易措施進行防護。主要方法為預(yù)先挖取附近塑性較強的軟土或淤泥包鋪設(shè)與管道底部，確保做好管道底部與圍堰之間的密封，防止?jié)B透[2]。

隔堰設(shè)置50 m長的高程降低至5.0 m 作為溢流堰式泄水口，用于泄出吹填西分區(qū)的吹填尾水，按1 艘4 500 m3/h 絞吸挖泥船泄水流量計算。

4.3 吹填順序[9]

由于吹填區(qū)面積過小，從圍堰安全角度考慮，吹填西分區(qū)適宜只安排1 艘大型絞吸船吹填，分區(qū)吹填順序上，西分區(qū)應(yīng)先于東分區(qū)完成。為加快吹填進度，吹填西分區(qū)完成后，兩條絞吸船同時進行東分區(qū)吹填。

4.3 管線布設(shè)

遵照合理選線、減少干擾、盡量順直、短吹距、管口遠(yuǎn)離泄水口原則，過程中保持與一期場平工程的密切溝通，確定下埋段或露出段等，避免互相干擾。

4.4 生產(chǎn)能力測算

根據(jù)設(shè)計吹填土質(zhì)情況及構(gòu)成比例、考慮中粗砂等難吹土質(zhì)占比較大的可能性，平均吹距5.0 km，3 500 m3/h 絞吸挖泥船估算生產(chǎn)率1 100 m3/h，時利率按75 %計，日產(chǎn)量約2.0 萬m3；4 500 m3/h 絞吸挖泥船估算生產(chǎn)率1 950 m3/h，時利率按75 %計，日產(chǎn)量約3.5 萬m3。

5 結(jié)語

1）采用泄水口+排水明渠排水施工方案，可有效解決吹填工程因環(huán)保要求而吹填尾水無法直排入河的問題。

2）本文闡述泄水口+排水明渠設(shè)計、施工總體思路，即通過對泄水口、排水渠進行相應(yīng)的水力計算以確定合理的設(shè)計參數(shù)及施工注意要點。水力計算中主要對泄水口水力特點、明渠均勻流水力特點及明渠后端非均勻漸變流水力特點進行推算，另外還涉及到泄水口出水管口處渠首端部局部回旋壅水、彎道渠流水力計算等過程還需要詳細(xì)的計算驗證，以達(dá)到精確確定設(shè)計參數(shù)、節(jié)省材料、經(jīng)濟合理施工的目的。

3）采用埋管薄壁堰式泄水口，結(jié)構(gòu)簡單，且通過四面過水能夠較大加長泄水口過水周長，降低壅水高度、水流流速，從而降低泄水口處水流對周邊吹填水土的抽吸力以降低流失，確保施工環(huán)保。