淤泥质软土海岸带大规模促淤圈围设计创新

淤泥质软土海岸带大规模促淤圈围设计创新

0圈围工程概况南汇东滩是上海海滩资源开发利用的中心区域。由于其独特的区位优势和土地利用率价值，南汇东滩一直是上海海滩资源开发利用的重点区域。自20世纪90年代中期开始,先后实施了人工半岛促淤圈围工程、上海浦东国际机场促淤圈围工程、南汇东滩促淤圈围(一期~五期)工程、浦东机场外侧滩涂促淤圈围工程等(见图1)。其中南汇东滩促淤圈围(一期~五期)工程,在河口滩地促淤圈围造地78km2(约11.6万亩),共建促淤堤坝49.6km,圈围防洪大堤约46km,完成陆吹填土方约6000万m3,概算总投资34.22亿元,无论是建设规模还是实施难度上实属全国罕见。针对工程特点和难点,设计过程中在工程总体布局、促淤围堤结构、龙口合龙工艺等方面进行了创新,取得了诸多突破性的成果,相关设计特点、亮点对淤泥质软土海岸带大规模促淤圈围工程建设具有参考价值。1项目的困难和特点1.1航道的南槽侧和长江口深水航道工程位于南槽右侧边滩,南槽是约70%船只进出长江口的交通航道,南槽左侧是九段沙国家生态保护区,在其外侧是国家长江口深水航道;工程区上接浦东国际机场和外高桥港区,下为上海临港新城,外接洋山深水港。工程的河势影响和环境影响极为敏感。1.2工程影响分析及论证评判的实践受长江口多级分汊、上游径流、下游潮汐,以及来沙和外海波浪、季节台风等多重不确定性很强的因素影响,工程的影响分析预测及工程方案论证评判十分困难,需要创新实践。1.3骑马施工的基本特征潮汐边滩,一天两潮,潮涨淹没,潮落出露,施工作业既不能像海上可大船作业,也不同于陆上可24h人车展开,赶潮施工是基本特征。而且因该工程海域开阔,风浪高,加之受长江口、杭州湾及外海潮流复合作用,流场复杂,可作业时间少,对作业船只设备限制多、要求高。1.4hm2工程规模四期、五期圈围面积分别2420hm2、3333hm2,单次筑堤长度分别达到15km、17km,龙口规模分别达到240m、320m,各分期工程均为同期国内鲜见,总规模为同期国内之最。1.5大坝建筑材料的来源是不确定性的工程堤前无合适的筑堤砂源,需要外部采运,运砂路线较远,陆路水陆均有一定的施工和技术难度,成本较高。1.6工程施工力量受洋山深水港、上海人工半岛、深水航道几个大型工程同期施工的影响,加上该工程筑堤砂源较远,适用的施工力量,尤其是挖运砂的施工船只和机械不易组织,且主堤离岸较远,平均达到3.5km。此外,受汛期台风影响,工程总体时间安排具有非常严格的季节性,“时间之窗”的组织运用关系工程的成败。1.7抗侧力的加固整个顺堤均坐落在促淤后新淤积的淤泥及促淤工程建设前的表层淤泥构成的淤泥层上,部分堤段淤积厚度达到5.0m,含水量高,压缩性大,承载力低,施工期稳定不易满足要求,必须对堤基进行经济有效的加固处理。2项目的要点2.1项目规划和城市规划(1)场及泥沙运动数值和经验计算的应用运用以广泛收集资料的历史地形资料套绘对比、以长江口杭州湾与口外大水域为整体研究对象的多层嵌套平面水流数值模拟分析、以工程区局部波浪场及泥沙运动的数值和经验计算等手段,对工程区及其附近大范围水域进行系统研究,融推理分析、计算比较和图形相互印证为一体,全面揭示了相关区域河势变化的长期趋势和宏观规律、水流动力场、区域含沙量变化及高浓度含沙流输移特征和工程前后的变化趋势、工程方案对相关涉水重大工程(包括南槽航道、九段沙国家自然保护区、深水航道等)的影响等,为工程方案的可行性论证及工程方案的优化设计提供了可靠的保障。(2)合理确定圈围堤线是对自然条件的合理调整的重要方案工程区位于长江口南槽中下段右岸边滩,河势变化的影响极为敏感。长江口南槽是进出长江的主要航道之一,承担了进出长江口约70%的航运量,除近30%大型船只经北槽深水航道外,绝大多数中小船只均经南槽,航运地位及其重要;南槽的左侧为国家级自然保护区,维持其成长发育的自然条件世人关注;在九段沙的外侧则是国家级重大工程深水航道工程,工程区上游有上海最重要的高桥港区和造船基地,下游则远眺洋山深水港,所以这些都容不得干扰。该工程建设既要充分利用区域独特的水沙优势,最大限度地满足造地需求,又要严格控制工程的不利影响,合理确定圈围堤线尤为关键。设计在充分研究认识水沙动力条件及规律的基础上,因势利导,提出的堤线布置方案沿略低于平均低潮位的等深线布置,即沿吴淞0m高程线布置,平均离岸约3.5km。实践证明,这样布置有利于理顺岸线,归顺水流;有利于拦沙促淤,维持航道;有利于最大化造地,同时满足涉水各方的影响控制要求。(3)丁顺坝组合促淤工程实例分析研究提出了先促淤后圈围成陆的总体实施步骤,为有利于实施期间的河势过渡,以时间换空间,通过促淤降低造地投资。结合土地的需求进度,在先促淤后圈围成陆的总体框架下,根据模拟论证,提出了促淤和圈围成陆阶段均遵循先实施下游区域,后实施上游区域的实施步骤,先高滩区域后低滩区域由内而外逐步推进。从水沙动力、波流掀沙、施工交通、围区利用等多角度,论证促淤区的分隔布置,形成有利的泥沙淤积环境、方便施工组织、投资与淤积效益的最优的围区分隔布置方案。方案论证充分利用长江口滩槽之间的泥沙交换特性,提出了丁顺坝组合方式总体促淤方案,应用平面二维水动力数学模型,对促淤区内流场、流态进行动态模拟计算,利用潮汐规律使库内外水体充分交换,合理确定促淤坝顶高程、纳潮口宽度和底坎高程,一方面使含沙量较高的下层水体在涨潮时能进入库区,另一方面控制落潮流速,延长落潮时间,增加泥沙落淤机会。同时从波浪掀沙角度、工程施工角度及工程投资角度,对以大治河为界的两个自然促淤区内分别设置隔堤的数量,以满足促淤区内波浪产生的水体最大底流速不大于滩地泥沙的最小启动流速,通过分析类似工程经验、运用泥沙数学模型等多种手段对淤积效果进行预报,选取费用效益最优方案。纳潮口选址、宽度和堰口高程直接关系促淤效果。设计促淤期通过动态跟踪观测,适时加高堰口高度的超常规措施,使淤积效果超过预期。设计中对纳潮口门的实施步骤,提出根据促淤区内的淤积情况,通过动态观测跟踪其淤积效果,采取动态实施的步骤。即在促淤初期,口门的高度不宜过高,设计中采用略高于平均低潮位(吴淞高程0.5~1.0m附近),这样有利于高含沙量的水体进入促淤区;待促淤区内淤积至一定高程后,再加高口门的高度,以避免围区内的淤积土方随落潮流流出口门。根据一期工程竣工后半年实际淤积效果,顺堤内侧50m处平均淤高1.36m,提出在工程竣工后一年,将口门加高至吴淞高程2.5m左右以达到保住促淤成果和进一步促淤的目的。促淤区的淤积效果超过设计预期的效果,并为后期圈围成陆工程的顺利实施奠定十分良好的基础。促淤工程实施后,促淤土方近7000万m3,节省造地成陆吹填土方费用约8.4亿元。促淤阶段工程概算总投资3.9亿元,且促淤堤坝均被后期圈围阶段利用为防洪大堤的组成部分或场内道路,基本无废弃,可见促淤工程取得的经济效益极佳。2.2水库结构与大坝基本处理(1)大力推进二代促淤结构在期促淤工程中的应用研究并首次使用新型的促淤堤结构形式—PHC管桩桩式堤。通过试验工程后和河海大学模型试验,解决了桩式促淤堤一系列设计参数,包括桩顶高程、桩间距,桩与抛石棱体结合阻止底沙退出,以及抛石棱体的形式与尺寸、抛石棱体与桩的相对位置、桩施工期间的稳定性控制等。经充分论证后,在二期促淤工程中,该新型的桩式堤得到大规模推广使用,是国内首次将该新型结构在促淤工程中规模化使用。该结构以高强度PHC管桩作为堤坝的主要防浪结构,与传统的抛石堤相比,具有投资省、结构可靠性高、抗风浪能力强、耐久性好及机械化施工程度高等优点,在淤泥质海岸工程中具有较高的推广价值。二期促淤区平均淤积厚度100cm,超过了一期促淤区的85cm。根据滩面高程和风浪条件及促淤坝与围堤高程的关系,不同地段区别对待,分别设计采用了铁丝笼护面抛石堤、大型四脚空心方块结构等促淤坝型,均取得了成功,不仅有效地抗御了促淤期台风浪,还达到了与后期的围堤的完美结合。(2)复合堤型设计针对工程先促淤后筑堤的实施方案,在广泛收集分析国内外海堤断面型式的基础上,在前期高程实践经验的基础上,结合工程所在地区自然条件,经多方案比选,在四期工程中首次应用兼顾消浪、保滩、生态的复合堤型。该堤型在常规复式斜坡堤堤型的基础上,外侧一定距离布置潜坝。该工程利用促淤坝作为潜坝,相对于传统的复式断面,大大削减了堤前的入射波浪,降低了围堤的高度和断面尺寸,对堤身的稳定控制更为有利,经济性提高近10%,同时,促淤坝和新大堤之间形成良好的生态空间,由于圈围造地的生态修复,实现了安全、经济、景观和生态的最佳统一。(3)材料加筋法筑堤五期工程堤身范围内分布有1.0~3.0m厚的新淤积灰色淤泥质粉质粘土。该土层呈流塑,压缩性大,承载力低。经多种方案比较,主堤地基处理综合采用镇压平台和高强土工材料加筋法,具体为先在滩地表面铺设一层拉伸强度大于100kN/m土工格栅,其上再依次铺设一层通长的充泥管袋。然后结合消浪与内青坎设置内外镇压层,具体为在大堤合龙后,加高筑堤的同时,在堤身外坡脚和促淤坝之间设置充泥管袋,作为大堤外坡堤脚的镇压层,以提高大堤的稳定性。在五期圈围工程整个施工过程,利用事先埋设的水平位移和沉降观测仪器,定期观测大堤在施工过程中的变形情况,尤其是当主堤高程达到7m时地基的变形,根据观测结果严格控制加载速率,有效避免了加载过快造成的滑坡现象。2.3施工工艺和施工组织限制条件截流是围海造地最关键的过程,不确定性因素多,定量设计困难,施工工艺和施工组织限制条件多。该工程设计突破了多道技术瓶颈,逐步完善了以水力吹填管袋为主要材料的截流工艺和施工控制准则。(1)保护期麻黄截流工艺参数组合该工程设计中使用二维水流数值模拟技术计算龙口截流水力特征。在分期实施过程中提出并逐步完善了龙口规模拟订的计算条件和工况组合,提出龙口规模拟订分龙口保护期和截流期两个特征时段,不同时段分别采用不同的设防标准,即保护期采用汛期5~10a一遇代表潮型,截流期采用非汛期小汛代表潮型。工况组合结合施工过程分为保护期龙口宽度与堰口高程组合、截流过程龙口平堵、立堵与平立堵结合等全过程。水力指标是龙口规模和截流施工材料确定的依据,通过该工程实践,逐步积累了丰富的经验,提出了以水力吹填土工管袋截流工艺为主要特征的龙口控制流速不宜大于3.5m/s的重要指标。数学模拟技术,直观科学模拟堵口过程,有力地指导施工,为以充填沙土工管袋为主的截流工艺实践和创新特破奠定了基础。(2)截流施工难点及规模由于上海地区缺石料,大规模抛石合龙方案明显不经济,且现场进料抛投实施难度很大。该工程结合以往同类工程经验,创新地提出先在促淤坝位置设抛石护底阻水再以水力充填管袋快速断流的截流成套工艺。配合逐步完善截流计算的数值方法和判别指标等先进科学的计算手段,和不断丰富的截流施工作业准则(包括截流人、机、料、物等准备,截流时机选择之准则,截流施工平立堵的顺序与尺度控制等),该工程的龙口规模不断突破:三期单个围区面积约373hm3,龙口宽度为常规规模100m;四期单个围区面积约667hm3,龙口宽度240m;五期单个围区面积1067hm3,龙口宽度达到320m。四期、五期大规模龙口采用水力充填土工管袋为主要截流工艺,成本低,速度快,为同期国内之最,为后续围垦工程大库区合龙提供了良好的借鉴作用。(3)堤身加固方案圈围工程合龙和渡汛是两大重要节点。结合该工程特点,研究提出了能有效保证大堤按期完成龙口合龙和度汛两个重要节点的施工总体方案:a.先圈围后围内吹填;b.大堤开工前必须完成场内外交通道路的建设;c.为降低先期土方筑堤受风浪影响的风险和保证后期外侧护坡结构大量的石方需求,大堤开工前促淤坝内侧必须完成抛石备料;d.因地制宜先构筑圈围启动泥库及部分备砂。该工程施工总体方案在实际圈围施工时被完全采纳,保证了两大节点顺利如期完成,投资和施工风险得到有效控制。实施时,为减小低滩上直接筑堤的难度和造价,四期工程堤身施工顺序采取了先加固一期促淤坝,吹填堤身充泥管袋内棱体,该棱体离促淤坝200m,形成泥库,然后吹填促淤坝与内棱体间的土方至3.0m高程,再构筑堤身外棱体。该方案减少了堤身外棱体的充泥管袋体积,且适合大船吹填作业,施工速度快。先吹填抬高滩面后再筑堤,此举大大降低了筑堤和合龙难度,加快了施工进度,节省了大量投资。2.4主要社会效益(1)主要社会效益之一:项目共造地78km2(约11.6万亩),有力地推动了“两港”(空港和深水港)建设,为上海国际航运中心这个国家战略的落实,提供了土地保障。目前国家“大飞机”总装基地、临港物流等一批项目已陆续落户新造土地上。(2)主要社会效益之二:利用土地建设与开发利用的时间差,有效地缓解了包括世博会市政配套建设在内的上海城市建设用地的土地指标占补平衡问题。目前,利用土地闲置间隙结合土地改良建设的“万亩粮田”已配套建设到位。(3)主要直接经济效益:促淤土方约7000万m3,相应减少造地成本约8.4亿元;采用复合式新堤型等创新技术,节省工程造价约1.2亿元。(4)环境保护效益:工程维持了河势稳定和周边生境,有效地论证并控制了工程建设对南槽航道、九段沙湿地、长江口深水航道、外高桥码头和造船基地及洋山深水港等众多涉水设施可能的不利影响;新型促淤坝及复合式新堤型大大减少了开山挖石,有利于环境保护;复合式新堤型为堤前生态恢复创造了良好的条件。3比较目前国内外主要技术经济指标的比较3.1路堤及坝体设计该工程促淤造地78km2(约11.6万亩),共建促淤工程堤坝49.6km,圈围防洪大堤约46km,成陆吹填土方约6000万m3,概算总投资34.22亿元,为目前国内已建中低滩造地规模之最。3.2减少造地成本科学规划工程总体布局和分期实施步骤,先促淤后圈围,促淤土方7000万m3,减少造地成本8.4亿元;概算每亩造价约2.95万元,创了同期国内沿海地区在淤泥质海岸低滩造地单位面积成本最低纪录。3.3坝型人工作业安全稳定首次大规模使用新型透空式离岸桩式坝等多种适宜坝型,解决了传统结构密集型人