圍海造地工程水力充填工藝的應(yīng)用

圍海造地工程水力充填工藝的應(yīng)用

1水力充填合龍近年來，周邊建設(shè)逐漸成為緩解沿海城市矛盾的有效手段。隨著河口促淤圈圍工程低灘化、規(guī)模化的發(fā)展,工程實施難度越來越高,工程投資也越來越大。堵口截流(江浙一帶又習(xí)慣稱為龍口合龍)作為圈圍工程施工過程中重要環(huán)節(jié),對圈圍工程的工期和投資有重大的影響。目前堵口截流施工主要有3種方式:①拋填塊石或人工塊體合龍,主要用在龍口規(guī)模大、堵口過程中龍口水流流速大的工程,如青草沙水源地工程;②水力充填合龍,主要用在龍口規(guī)模較小、堵口過程中龍口水流流速較小的工程,如上海化學(xué)工業(yè)園區(qū)圈圍工程;③少量拋石與水力充填截流相結(jié)合的方式,主要用在龍口規(guī)模較大、堵口過程中龍口水流流速較大的工程,一般先在龍口外側(cè)底部拋石減緩水流底流速,再在龍口處采用水力充填的方式進行截流閉氣,如南匯東灘圈圍造地工程。其中,水力充填工藝用于圍海造地工程建設(shè)具有成本低、效率高等優(yōu)點,近15年來被廣泛使用,但用于大型圍海工程的堵口截流仍存在著較高風(fēng)險。當(dāng)前,隨著數(shù)值模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于堵口過程中的各個環(huán)節(jié)。針對水力充填對堵口過程中水力條件要求較高的特點,如果能準(zhǔn)確計算出堵口過程中龍口處水力條件,則可根據(jù)計算結(jié)果合理安排堵口過程中各個施工步驟,將水力充填合龍運用在大型圈圍工程中,最大程度發(fā)揮水力充填法堵口的優(yōu)勢,這樣既能保證堵口的成功率,又可以節(jié)約工程成本,對大型促淤圈圍工程有重要的指導(dǎo)意義。近10年來,應(yīng)用該技術(shù)堵口截流規(guī)模在不斷突破,對該技術(shù)總結(jié)如下。2工程安全管理龍口的設(shè)計與施工是圍海工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對龍口水力要素進行充分掌握是工程安全度汛與成功合龍的重要保證。當(dāng)前隨著數(shù)值模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)學(xué)模型已成為計算龍口水力要素的重要研究手段,具體包括一維、二維以及三維數(shù)學(xué)模型。1力要素的確定進行龍口水力要素計算的一維數(shù)學(xué)模型基本原理為水量平衡原理。一維數(shù)學(xué)模型計算龍口水力要素簡單易行,計算成果可滿足一般中小型圍海工程的要求。其局限性在于僅能得到龍口斷面的平均流速,無法得到龍口附近的局部流態(tài),而對龍口安全起控制作用的往往是龍口局部位置的極值流速,這就使得該方法在水流情況復(fù)雜的大中型圍海工程中的應(yīng)用受到了限制。2東北部算法點流態(tài)計算方法隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,基于淺水方程的二維水流數(shù)學(xué)模型自20世紀(jì)90年代起在龍口水力要素計算中得到了應(yīng)用,如SMS、MIKE21等軟件。與一維數(shù)學(xué)模型相比,在計算龍口局部流態(tài)方面有較大的優(yōu)勢,該方法在浙江、上海等地的圍海工程中得到了廣泛應(yīng)用及認可。二維數(shù)學(xué)模型的局限性在于對水流垂向速度進行了平均,無法得到龍口流速的垂向分布,這種概化方式在計算一般寬淺式龍口水力要素中是合適的;但對大型窄深式龍口而言,起控制作用的往往是位于龍口底層的極值流速,該方法無法精細模擬。3精細計算模型在河口大型圍墾工程中,鑒于水力條件和工程自身的復(fù)雜性,有必要對龍口水流進行精細三維模擬。杜小弢、潘麗紅、劉新成等學(xué)者于2007年率先采用MIKE3精細模擬了長江口青草沙水源地工程龍口形成以及逐步堵口的過程,為設(shè)計、施工提供了重要依據(jù)。與二維模型相比,三維模型可以精細模擬三維水流特征,但計算速度比較慢。綜上,一維、二維、三維數(shù)學(xué)模型在計算龍口水力要素方面各有優(yōu)缺點及適用范圍,需根據(jù)工程具體情況選擇計算方法。3工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)及施工控制國內(nèi)對水力充填工藝筑堤的研究始于20世紀(jì)80年代,開始應(yīng)用在90年代末期。隨著水流數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展和日浙成熟,為水力充填堵口規(guī)模的不斷突破提供強有力的技術(shù)保障。20世紀(jì)90年代末期至今,龍口規(guī)模從100m左右到300m左右,今天已成功突破600m規(guī)模。表1列出以上海地區(qū)為主的幾個典型工程的龍口要素,以及讀者可能關(guān)心的與確定龍口規(guī)模有關(guān)的主要參數(shù)供參考。上?；瘜W(xué)工業(yè)園區(qū)圈圍工程,于1996年開工,1997年完工。該工程是上海首次在低灘位置較大規(guī)模圍海造地,圈圍臨海大堤離岸約1km,造地面積666.67hm2;首次使用二維水流數(shù)學(xué)模型模擬龍口水力特征;也是首次采用水力充填工藝進行筑堤,并首次采用該工藝進行堵口斷流。諸多的“首次”特征使本工程總體設(shè)計方案在現(xiàn)在看來偏于謹慎、保守:為確保工程堵口截流的成功,該工程共分6個庫區(qū),單庫面積約106.67hm2;每個庫區(qū)設(shè)1個龍口,龍口保護期口上控制流速小于2.8m/s,設(shè)計口寬80m。該工程的成功,為以后工程的實施積累了極其寶貴的經(jīng)驗。該工程建成后,上海地區(qū)陸續(xù)實施了浦東國際機場圈圍造地、上海臨港圈圍造地、南匯東灘促淤圈圍造地(三期)工程等,但龍口規(guī)模始終停留在百米左右的水平上。截流是圍海造地最關(guān)鍵的過程,不確定性因素多,定量設(shè)計困難,施工工藝和施工組織限制條件多。經(jīng)過多個工程的實踐、總結(jié),水力充填工藝堵口截流規(guī)模在南匯東灘促淤圈圍四期工程中得到首次突破,工程設(shè)計突破了多道技術(shù)瓶頸,逐步完善了以水力吹填管袋為主要材料的截流工藝和施工控制準(zhǔn)則。(1)采用并完善了截流計算的數(shù)值方法和判別指標(biāo),為圍海造地規(guī)劃設(shè)計提供了可靠的定量分析手段。在堵口工程設(shè)計過程中提出并逐步完善了龍口規(guī)模擬訂的計算條件和工況組合,提出分龍口保護期和截流期兩個特征時段,不同時段分別采用不同的潮型標(biāo)準(zhǔn),即保護期采用汛期5～10年一遇代表潮型,截流期采用非汛期小汛代表潮型。工況組合結(jié)合施工過程分為保護期龍口寬度與堰口高程組合,截流過程龍口平堵、立堵與平立堵結(jié)合等全過程。水力指標(biāo)是龍口規(guī)模和截流施工材料確定的依據(jù),通過多個工程的實踐,逐步積累了豐富的經(jīng)驗,提出了以水力充填土工管袋截流工藝為主要特征的龍口控制流速不宜大于3.0m/s的重要指標(biāo)。水流數(shù)學(xué)模擬技術(shù),直觀科學(xué)模擬堵口過程,有力地指導(dǎo)施工,為以充填砂土工管袋為主的截流工藝實踐和創(chuàng)新突破奠定了基礎(chǔ)。(2)完善了水力吹填土工管袋加護底阻水的截流工藝與施工作業(yè)準(zhǔn)則,為大規(guī)模圍海造地工程大圍區(qū)合龍截流提供一條有效途徑。由于上海地區(qū)缺石料,大規(guī)模拋石合龍方案明顯不經(jīng)濟,且現(xiàn)場進料拋投實施難度很大。堵口工程結(jié)合以往同類工程經(jīng)驗,在南匯東灘促淤圈圍工程中創(chuàng)新地提出先在促淤壩位置設(shè)拋石護底阻水,再以水力充填管袋快速斷流的截流成套工藝。配合逐步完善截流計算的數(shù)值方法和判別指標(biāo)等先進科學(xué)的計算手段,以及不斷豐富的截流施工作業(yè)準(zhǔn)則(包括截流人、機、料、物等準(zhǔn)備,截流時機選擇之準(zhǔn)則,截流施工平立堵的順序與尺度控制等),該工程的龍口規(guī)模不斷突破:南匯東灘三期工程單個圍區(qū)面積約373.33hm2,龍口寬度為常規(guī)規(guī)模100m;南匯東灘四期工程單個圍區(qū)面積約666.67hm2,龍口寬度240m;南匯東灘五期工程單個圍區(qū)面積1066.67hm2,龍口寬度達到320m。在橫沙東灘促淤圈圍三期工程中,龍口寬350m;今年初剛合龍的橫沙東灘六期工程中,龍口寬600m。自南匯東灘四期工程以來,大規(guī)模龍口采用水力充填土工管袋為主要截流工藝,成本低,速度快,以上案例均為同期國內(nèi)之最,為后續(xù)圍墾工程大庫區(qū)合龍?zhí)峁┝肆己玫慕梃b作用。需要指出的是,水力充填工藝堵口截流雖然成本低、效率高,但用于深水型的大規(guī)模龍口技術(shù)上目前尚未能突破。如表1中的青草沙水源地工程,單庫納潮量十分巨大,龍口寬800m,底高程-3.0m,口上最大流速達5.8m/s,堵口斷流首先在龍口位置固定好的鋼結(jié)構(gòu)籠箱,然后組織好石方在籠箱內(nèi)集中拋石斷流,最后才用水力充填工藝閉氣。4水力充填機組水力充填法堵口規(guī)模的不斷突破,不僅有賴于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展、水流數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的日趨成熟,還離不開施工設(shè)備工藝、施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進。眾所周知,堵口截流之前,保證龍口護底工程的完整性是至關(guān)重要的。但20世紀(jì)90年代末期,龍口護底排和壓重通常采取低潮露灘人工鋪設(shè)作業(yè),施工難度較高,且質(zhì)量難于保證,限制了龍口規(guī)模的突破。近年來,隨著大型專業(yè)鋪排船的發(fā)展,借助GPS衛(wèi)星定位技術(shù),使大面積砂肋軟體排、混凝土鉸鏈排或兩者的混合排在水上鋪設(shè)成為可能,且保證了護底工程的質(zhì)量,為龍口局限在百米規(guī)模的瓶頸突破創(chuàng)造了條件。為降低堵口截流風(fēng)險,降低堵口施工難度,沿海地區(qū)堵口截流通常選擇小非汛期小潮汛期進行。即便如此,堵口截流期,其施工強度極高,因此最大施工強度和能力也是制約龍口規(guī)模的主要因數(shù)之一。水力充填工藝堵口在2003年前均以小功率泥漿泵充填,受龍口兩側(cè)可布置泥漿泵、發(fā)電機組場地的約束,限制了截流施工強度。最近,充填設(shè)備和方法得到了不斷改進,如采用集取砂、水力輸送、充填多工序于一體的施工船舶,對輸砂管線頭部作出了技術(shù)改進,將輸砂管線頭部出砂口改進成多頭出砂口,不僅降低了充灌壓力,避免管袋爆裂,同時大大提高了施工效率。這樣,可通過采用龍口兩端安排的泥漿泵水力充填機組和龍口前沿充填船同時施工,解決龍口規(guī)模受制于施工強度的難題。上海橫沙東灘六期圈圍工程中,再正確的水流模擬結(jié)果的指導(dǎo)下,并采用上述