淺析反向對流吹填排水工藝在沿海水質敏感區(qū)的應用設計

梁俊波 李波 唐偉

摘 要：本文結合北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程施工區(qū)周圍實際條件和吹填工程情況，設計反向對流吹填排水系統(tǒng)工藝，成功應用于吹填工程排水，大大降低吹填尾水的渾濁度，減少吹填施工對周圍海域不良影響，該工藝在水質敏感的養(yǎng)殖區(qū)海域吹填項目應用較好。

關鍵詞：排水 工藝 沿海 水質 泥沙

1.前言

近年來，為解決土地稀缺問題和促進沿海經濟發(fā)展，吹填造陸被越來越多的運用到工程施工中。吹填造陸是將一定比例的砂、泥漿和海水混合成漿體，并用吹管運輸至指定區(qū)域，經過排水固結形成陸域的土地開發(fā)技術。文中根據北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程為例，探討反向對流吹填布置在水質敏感區(qū)的施工應用。

2.工程概況

2.1 建設規(guī)模及內容

北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程位于北部灣東部的鐵山港灣，起于灣口鐵山港5萬噸錨地附近的A點，終至規(guī)劃的鐵山港西港池北暮作業(yè)區(qū)16#泊位東側Z點，全長約18.7km，建設規(guī)模為按10萬噸級散貨船舶單向乘潮保證率90%標準建設，同時考慮兼顧滿足26.3萬立方米LNG船等船型安全通航的要求。主要施工內容包括：吹填區(qū)臨時圍堰工程施工、臨時儲泥坑疏浚吹填施工、航道疏浚及疏浚土直接吹填和二次轉吹施工、航標工程施工等。設計工程量（含施工期回淤量）為2232萬立方米，疏浚泥土全部采用內吹方式處理，其中挖運吹約1617萬立方米，運至C點附近的臨時卸泥坑卸下，再用絞吸式挖泥船進行二次轉吹填至指定吹填一區(qū)，單程平均運距約6.0km；直接吹填約615萬立方米，平均吹距約3.5km疏浚土，通過絞吸船直接吹至吹填二區(qū)。

2.2工程技術難點問題

（1）本工程若采用傳統(tǒng)常規(guī)的吹填排水布置方法，會因吹填施工后期吹填細顆粒積堆在排水口前沿，流徑短，泥漿水力停留時間短，吹填泥漿得不到有效沉降，造成吹填流失量大。

（2）鐵山港區(qū)是廣西壯族自治區(qū)北海市所轄的一個市轄區(qū)，是世界著名的“南珠”產地。瀕臨全國四大漁場之一的北部灣漁場，沿海灘涂17.5萬畝，是珍珠、牡蠣、對蝦、文蛤、青蟹、方格星蟲等優(yōu)質海養(yǎng)產品的天然養(yǎng)殖場，同時也是習近平主席提出“一帶一路”重大戰(zhàn)略有機銜接的重要門戶。吹填泥漿未經過足夠沉積過程會導致排入海水中的尾水渾濁度過高，影響周邊海域養(yǎng)殖的水質濃度，嚴重的會造成整個排放海域養(yǎng)殖物以及紅樹林的大量死亡，對環(huán)境造成難以恢復的惡劣影響。

（3）吹填泥漿大量流失的情況下，勢必要加大吹填工程量，增加船舶開挖時間及開挖航道疏浚工程量，同時也會造成更多的吹填量流失及水質污染。

（4）傳統(tǒng)的吹填布置在后期吹填排水活動范圍小，吹填水上漲快，必須加高圍埝標高，防止吹填水外溢沖跨圍埝，同時也會造成吹填邊角和死角的出現。

2.3 施工目標及施工工藝方法設置

（1）如何降低吹填尾水濃度：根據本工程的實際情況，如何降低吹填尾水排放濃度成為本工程需要解決的重點問題。又因吹填水中泥沙濃度的下降方式主要為泥沙的自然沉降，因此若能在排出吹填區(qū)之前完成絕大部分的泥沙沉降即可達到施工經濟安全并很好的兼顧環(huán)保的要求。

（2）反向對流吹填工藝方案設置。傳統(tǒng)吹填方式為由一個方向作為吹填水的進入方向，經過在吹填區(qū)內的長距離流動，泥沙等固態(tài)物質自然沉降，較純凈的水流通過另一個方向的排水口流出，以此形成陸域。在前期吹填過程中，吹填水有足夠的距離進行自然沉降，但在后期吹填區(qū)域內大部分陸域已經形成、有較大高差的情形下，收尾區(qū)域沒有足夠長的沉降路徑?；谶@些方面考慮，設計的反向對流吹填工藝方案，其思路是充分利用前期吹填區(qū)內納水量大的優(yōu)勢，首先吹填覆蓋泄水口前區(qū)域，然后在已形成陸域內人工開挖一條排水通道作為排水路徑，再吹填距排水口較遠的區(qū)域，以此達到延長吹填水沉降距離的目的。

3.反向對流吹填工藝方案設計

吹填水通過管線排至吹填區(qū)后，匯流到排水渠內，形成非均勻懸浮液，在排水渠的外排過程中，泥沙沉降所需距離，與排水渠內流速、排水渠高度、泥沙粒徑和沉降速度有關。不同粒徑的泥沙在不同狀態(tài)下沉降速度不同，當求出泥沙沉降速度后，可根據明渠高度和流速求出其沉降所需的大致距離。由此可見，該方案的關鍵在于泥沙沉降速度的確定及沉降所需距離確定。

3.1沉降速度確定

3.1.1 沉降速度的計算方法

根據實踐來說，遇到的是有一定粗、細顆粒含量的非均勻砂渾水懸浮液，渾水的含沙量和粒徑級配是已知的，可按公式計算渾水的粘滯系數、運動粘滯系數。將非均勻砂分組，根據各組的粒徑和所占重量的百分數，可以求得其分組沉速。再按經驗公式求出該非均勻砂渾水懸浮液考慮了含沙量影響的群體沉速。從工程泥沙角度考慮可簡便地按含沙量1960N/m3，作為高、低含沙量的分界值，當含砂量大于分界值時，應考慮含沙量對沉速的影響。

在沉降速度的研究中，現在存在多種經驗公式，如斯托克斯公式（即球體公式）、岡恰洛夫公式、沙玉清公式、張瑞瑾公式、竇國仁公式等等，都有不同的使用范圍和參考價值，在本次計算中，我們根據經驗采用原水電部推薦公式出發(fā)，考慮采用以下公式進行沉降速度計算：

（1）層流區(qū)（d<0.1mm）

（2）紊流區(qū)（d>1.5mm）

（3）過渡區(qū)（0 . 1 m m < d<1.5mm）

具體計算時，可根據已知條件，將公式適當變型以便利計算。泥沙下沉時的三種運動狀態(tài)可通過泥沙粒徑或砂粒雷諾數判斷。

3.1.2 沉降速度的試算

根據本項目吹填區(qū)排水明渠（尺寸為深1m、寬10m）初始位置實測的平均含沙量S=6.94KN/m3，平均泥沙級配如表1所示，測驗時水溫t=20℃。

根據泥沙級配可求得：

根據不同粒徑，進行試算，得出其相應沉降速度，根據設計排水明渠尺度，其排水渠（1m深）或沉淀內沉降所需距離最大值如表3（距離取整數）。

由此可見，在排水明渠斷面尺寸為1m×10m時，300m即可滿足細沙以上土質沉降，對粉砂、粘土和淤泥繼續(xù)進行細分計算（見表4）

在滿足排水渠長1200m的時候，預計能完成87.5%的泥沙沉降。

3.3沉降效果分析

由上述計算結果進行初步估計，考慮到吹填水從管頭至排水渠（距離50m左右）的過程，至少有54.4%的泥沙已經完成沉降，300m范圍內至少有74.5%的泥沙沉淀，在經過1200m的排水渠（斷面尺寸1m×10m）后，有87.5%的泥沙可以完成沉降，其余泥沙經排水明渠后進入沉淀池。

北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程施工過程按照該設計方案，結合現場實際進一步細化實施后，目前施工主體工程基本完成，施工效果好，施工質量優(yōu)良。

4.結語

應用反向對流吹填排水布置施工方法，有效降低了吹填泥漿流速，延長了吹填細顆粒土質的沉淀路徑，使細顆粒得以有效的沉降在吹填區(qū)內，并使吹填尾水凈化后排放，優(yōu)化了吹填施工環(huán)保措施，在海洋環(huán)保日益嚴格要求下具有廣闊的應用前景，并在工程實踐中取得了顯著的經濟和社會效益，可供同類工程提供參考和借鑒。

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