福清東壁島大型圍墾工程深港堵口綜合技術(shù)研究

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（福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 福州 350001）

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

福清東壁島圍墾工程位于福建省福清灣的西南部，是福建省目前建成的的最大圍墾項(xiàng)目，圍墾面積4.34萬畝，海堤總長4820m。工程級別為3級，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堵口設(shè)計(jì)潮型為20年一遇。海堤分為北堤 （長3247.5m）和東堤 （長1572.5m）兩段，總長4820m；工程共布置水閘5座，其中能參與堵口分流的有4座 （分流總凈寬180m）。堵口設(shè)在東堤，大口門寬度1020m，其中深港處小口門寬度450m。

1.2 風(fēng)況及潮位

工程區(qū)平均每年有2～3次臺風(fēng)影響，多出現(xiàn)在7～9月份，以東北風(fēng)為主，實(shí)測東北風(fēng)最大風(fēng)速34m／s。圍墾工程區(qū)潮型為正規(guī)半日潮，潮位特征值為：50年一遇高 （低）潮位5.14m （－3.65m）（黃零，下同）；堵口期20年一遇高 （低）潮位分別為：農(nóng)歷8月大潮4.54m （－3.15m），公歷11～12月潮位3.69m （－2.81m），公歷1～3月潮位3.83m （－3.00m）。

1.3 地質(zhì)

口門根據(jù)灘涂地形的不同分為深港及高灘兩部分（見圖1）。深港部分灘涂－5.0m高程以下寬度約250m，最深處高程為－12.8m；深港范圍基礎(chǔ)為淤泥夾粉細(xì)砂，厚度3～10m，下部為中粗砂及殘積砂質(zhì)粘土。高灘部分灘涂高程在－3.3～－4.5m之間；高灘處基礎(chǔ)表層 （粉）細(xì)砂厚度1.8～4.9m，下部為淤泥夾粉細(xì)砂 （厚度5～14m）及淤泥質(zhì)粘土 （厚度2～4m），兩層均為力學(xué)指標(biāo)較差的軟弱土層，再下部為中粗砂及殘積砂質(zhì)粘土。

圖1 堵口地形及合龍實(shí)際施工程序圖

1.4 截流堤斷面

堵口截流堤下部采用擴(kuò)展斷面，上部采用密集斷面，截流拋投材料為塊石與鐵籠，考慮到基礎(chǔ)淤泥夾沙層有一定的排水作用，經(jīng)比較，截流堤基礎(chǔ)不進(jìn)行專門處理，對表面為淤泥的灘面，采用拋中粗砂墊層加速基礎(chǔ)的排水固結(jié)，在砂墊層表面鋪高強(qiáng)機(jī)織土工布保護(hù)，同時(shí)起加筋作用，小口門截流堤典型斷面見圖2。

圖2 堵口小口門截流堤斷面圖

1.5 堵口難度

本工程堵口合龍難度主要表現(xiàn)為：龍口合龍潮差7.69m、龍口水流吞吐量1.2億m3、龍口水深19m、龍口軟基淤泥最大厚度18m。通過對大型圍墾工程深港堵口水流特性的系統(tǒng)性研究，制定深港堵口護(hù)底及截流的綜合措施，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況的變化，及時(shí)修正堵口施工程序及堵口護(hù)底和截流材料，順利實(shí)現(xiàn)了在大庫容、大潮差、大水深、深軟基上的高難度條件下大型圍墾工程一次性堵口合龍成功，節(jié)約工程投資1000多萬元。工程于2004年3月全面開工，口門于2005年5月23日順利合龍成功，墾區(qū)于2005年9月即開始水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)揮效益，創(chuàng)造了從開工到實(shí)現(xiàn)堵口合龍只用不到15個月、較同等工程縮短一半施工工期的奇跡。

2 堵口合龍程序制定

2.1 原設(shè)計(jì)采用方案

根據(jù)水量平衡原理，采用寬頂堰公式計(jì)算過流能力，共計(jì)算了14種不同的工況，從方便陸上施工及避開較大的龍口流速角度考慮，推薦了以立堵為主、平堵為輔 （先抬高深港段口門，然后先堵大口門，再堵小口門）的堵口合龍施工程序。

河海大學(xué)堵口整體水工模型試驗(yàn)共進(jìn)行了11個工況的全潮試驗(yàn)，從避開較大的龍口流速角度考慮，推薦了以平堵為主、立堵為輔 （先抬高深港段口門，然后大、小龍口同時(shí)平堵抬高，兩龍口高差1.0m）的堵口合龍施工程序。

對上述兩種方法邊界條件基本相同的堵口工序流速分析表明，口門最大流速差值在5%以內(nèi)，吻合性很好。由于兩種方法推薦的堵口程序不盡相同，取相近堵口工序進(jìn)行對比可知，水工模型試驗(yàn)推薦的堵口程序龍口最大流速要比水量平衡原理計(jì)算法推薦的堵口程序小20%左右。

根據(jù)省水利廳堵口技術(shù)方案審查意見，設(shè)計(jì)采用了龍口最大流速較小的水工模型試驗(yàn)推薦堵口程序，即深港段需先抬高底檻高程至－3.0m高程，然后以平、立堵相結(jié)合的方法進(jìn)行施工，南尾高灘段比深港段高1m交錯抬高底檻，待深港段底檻抬高至0.0m高程后，以立堵為主、平堵為輔的方法進(jìn)行堵口合龍。按該程序制定的施工進(jìn)度為：在2004年農(nóng)歷8月大潮來臨前，北堤應(yīng)全線貫通擋水；東堤應(yīng)完成口門護(hù)底工作，即堵口深港段部位應(yīng)填筑至－5.0m高程，高灘部位應(yīng)護(hù)底至－2.0m高程，以便東堤口門安全度過年內(nèi)農(nóng)歷8月大潮，水閘于2004年12月底通水參與口門分流，東堤口門在農(nóng)歷8月大潮過后即開始堵口，于2005年3月左右實(shí)現(xiàn)合龍。

2.2 堵口合龍程序修正

2.2.1 修正的必要性

在實(shí)際施工過程中，工地屢次受群眾阻撓而停工，施工進(jìn)度緩慢，同時(shí)施工單位認(rèn)為用船拋平堵需二次倒運(yùn)，會增加成本，投入拋石的船只也無法滿足小口門先行抬高的要求。到2004年11月11日為止，北堤尚留缺口寬度為1300m，底檻高程為1.0m；東堤深港段部位只填筑至－7.0m高程，高灘部位才護(hù)底至－2.0m高程。

若按原定堵口合龍程序進(jìn)行施工，需增加大量的拋投船只，才能滿足深港段從－7.0m迅速抬高至－3.0m高程，然后方可開始高灘段用汽車拋填、深港段用船只拋填，必然影響整個工程的堵口施工進(jìn)度。為此，在2004年11月中旬對堵口合龍程序作了適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2.2.2 修正的可能性

修正的可能性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（1）堵口分流條件較好。目前北堤還有1300m的口門可進(jìn)行分流，該段海堤需到2005年1月份左右才能全線貫通擋水；接下來，總凈寬達(dá)180m的四座水閘將可參與堵口分流。

（2）后續(xù)潮型有利于堵口合龍施工。按目前施工進(jìn)度，堵口合龍時(shí)間將推遲到年內(nèi)高潮位較低、潮差較小的4～5月份，如此可部分改善口門的水流條件，對堵口截流堤合龍較為有利。

（3）基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好?；A(chǔ)表層為 （粉）細(xì)砂，下部為淤泥夾粉細(xì)砂，淤泥內(nèi)的粉細(xì)砂夾層有利于消除孔隙水壓力，經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算分析，深港段基礎(chǔ)可滿足較快的加荷速率要求。

2.2.3 修正思路

為加快施工進(jìn)度，克服缺少船只的影響，把停工損失的時(shí)間爭取回來，修正的思路為加大施工強(qiáng)度，采用陸上車拋與水上船拋平堵相結(jié)合的方式同時(shí)進(jìn)行施工。

2.2.4 修正后的堵口合龍程序

圖3 堵口合龍程序修正圖

按以上思路修正后的堵口合龍程序見圖3。堵口合龍程序修正后，采用水量平衡原理計(jì)算方法重新復(fù)核龍口水力要素。

3 大型平面鐵籠及特大塊石的運(yùn)用

3.1 問題提出

堵口合龍程序適當(dāng)修正后，南尾高灘段采用車拋立堵方式進(jìn)行抬高口門底檻，速度較快，而深港段用有限的船只進(jìn)行拋投平堵抬高口門底檻，速度較慢，如此，深港段處流速必然增加較大，如：堵口工序2大口門底檻由－0.5m抬高到1.5m時(shí)，漲落潮最大流速分別由原設(shè)計(jì)方案3.80m／s（－3.08m／s）增加到4.35m／s （－3.18m／s）；另外，工序2和3在小口門底檻從－5.0m抬高到－0.5m過程中，漲落潮最大流速也分別由原設(shè)計(jì)方案3.46～4.69m／s （－2.83～ －3.85m／s）增加到5.22～5.51m／s （－4.71～－4.96m／s）；最大流速增加幅度在11～17%之間，經(jīng)分析，口門縮窄后可通過大型平面鐵籠及特大塊石來抵抗高流速的沖刷，以確保截流堤的水力穩(wěn)定。

3.2 大型平面鐵籠

高灘部位大口門1.5m高程處，漲落潮最大流速分別為4.35m／s （－3.18m／s），用普通的鐵籠（5m×1.5m×0.8m，單個重10.5t）難以抵御如此大的流速。經(jīng)分析，在深港小口門底檻高程為－2.5m時(shí)，高灘部位－0.5m高程處，每個潮水有2～3h的露灘時(shí)間，非常適合人工趕潮排鐵籠施工。為加快施工進(jìn)度及提高鐵籠的抗沖能力，提出了人排大型平面鐵籠的新工藝。該工藝將現(xiàn)場準(zhǔn)備的用于編織原普通鐵籠的鐵絲網(wǎng)連接成片，采用機(jī)械裝石，人工綁扎的方法，形成長度約10m、寬度為5m、高度為1m的大型平面鐵籠，如此單個鐵籠重量超過80t，足以抵抗高流速水流的沖刷。要求在小口門左右兩側(cè)計(jì)200m范圍大口門段截流堤內(nèi)外側(cè)1.0m高程處均鋪設(shè)一道此大型平面鐵籠，鐵籠長度方向沿堤軸線布置。

3.3 特大塊石

深港小口門底檻從－5.0m抬高到－0.5m過程中，最大流速達(dá)5.51m／s，如采用普通鐵籠（5m×1.5m×0.8m）進(jìn)行護(hù)底，需集中拋投大量鐵籠，利用鐵籠間的相互嵌合作用，方能抵御如此大的流速，如此必然增加工程投資及施工難度；如采用零星的鐵籠進(jìn)行護(hù)底，則單個鐵籠重量需超過18t，如此重的鐵籠在船拋施工時(shí)，鐵籠極易損壞。根據(jù)施工現(xiàn)場存在大量的特大塊石 （單個重量在2～6t）的情況，提出了采用特大塊石來代替一部分普通鐵籠的辦法，經(jīng)分析，大塊石與大塊石或鐵籠間可相互嵌合形成一個整體，可以抵擋超過5m／s的水流沖刷。特大塊石主要采用大型液壓開體船進(jìn)行拋投施工。

4 堵口實(shí)際施工程序

根據(jù)修正后的堵口程序及采用的合龍新工藝，堵口合龍實(shí)際施工程序見圖1。施工過程中東堤大口門兩側(cè)于2004年6月8日全斷面填筑到4.0m高程，4座水閘于2005年2月全部通水分流，北堤于2005年1月15日全線貫通擋水。堵口主要過程簡述如下。

4.1 護(hù)底階段

深港段采用大型船只拋石，結(jié)合吹砂船拋砂，使深港小口門從－12.8m拋填到－7.0m；高灘段采用大型自卸汽車拋石護(hù)底到－2.0m高程 （施工時(shí)段：2004.6.9～2004.11.11）。

4.2 壓縮口門階段

深港段采用大型船只拋普通塊石、特大塊石及鐵籠，結(jié)合吹砂船拋砂，使深港小口門從－7.0m平堵到－3.5m；高灘段壓縮口門，底檻高程抬高到1.5m高程?？陂T寬度壓縮到600m，小口門主要由特大塊石及普通鐵籠護(hù)底，大口門由大型平面鐵籠護(hù)底，見圖1中①、②工序 （施工時(shí)段：2004.11.12～2005.2.24）。

4.3 堵口攻堅(jiān)階段

采用汽車為主、船只為輔拋填普通塊石，口門壓縮到小口門寬度450m，小口門底檻從－3.5m抬高到1.5m，變?yōu)閷挸ㄊ娇陂T，見圖1中③工序（施工時(shí)段：2005.2.25～2005.4.17）。該階段最艱難時(shí)刻為小口門剩余寬度約200m，底檻從－3.0m左右抬高到1.5m過程中，施工時(shí)間選擇在月內(nèi)小潮的農(nóng)歷3月9日 （公歷4月17日），集中工地所有運(yùn)輸設(shè)備在一個白天內(nèi)完成。

4.4 堵口閉氣階段

該階段口門剩余寬度450m，底檻高程已抬高至1.5m，由于是小潮期，龍口實(shí)際流速已比較小，采用汽車拋石立堵進(jìn)占及拋填山土閉氣，低灘部位仍采用吹砂船拋填海泥沙閉氣，見圖1中④、⑤工序 （施工時(shí)段：2005.4.18～2005.6.10），其中小口門于2005年5月23日順利實(shí)現(xiàn)合龍。

5 結(jié)語

本大型圍墾工程高難度堵口能迅速順利的合龍，總結(jié)采用的綜合技術(shù)有：

①應(yīng)用大型施工機(jī)械設(shè)備 （如大型液壓開體船等）進(jìn)行施工；

②采用大型平面鐵籠 （長10m×寬5m×厚1m）和特大塊石 （塊重達(dá)2～6t）進(jìn)行堵口；

③制定合理的堵口程序從而避開不利的水流條件；

④利用有效的分流措施 （如北堤與東堤互相分流、水閘參與分流）；

⑤充分利用有利小潮期 （4、5月份）進(jìn)行合龍。