围海造地工程水力充填工艺的应用

围海造地工程水力充填工艺的应用

1水力充填合龙近年来，周边建设逐渐成为缓解沿海城市矛盾的有效手段。随着河口促淤圈围工程低滩化、规模化的发展,工程实施难度越来越高,工程投资也越来越大。堵口截流(江浙一带又习惯称为龙口合龙)作为圈围工程施工过程中重要环节,对圈围工程的工期和投资有重大的影响。目前堵口截流施工主要有3种方式:①抛填块石或人工块体合龙,主要用在龙口规模大、堵口过程中龙口水流流速大的工程,如青草沙水源地工程;②水力充填合龙,主要用在龙口规模较小、堵口过程中龙口水流流速较小的工程,如上海化学工业园区圈围工程;③少量抛石与水力充填截流相结合的方式,主要用在龙口规模较大、堵口过程中龙口水流流速较大的工程,一般先在龙口外侧底部抛石减缓水流底流速,再在龙口处采用水力充填的方式进行截流闭气,如南汇东滩圈围造地工程。其中,水力充填工艺用于围海造地工程建设具有成本低、效率高等优点,近15年来被广泛使用,但用于大型围海工程的堵口截流仍存在着较高风险。当前,随着数值模拟技术的迅猛发展,数学模型被广泛应用于堵口过程中的各个环节。针对水力充填对堵口过程中水力条件要求较高的特点,如果能准确计算出堵口过程中龙口处水力条件,则可根据计算结果合理安排堵口过程中各个施工步骤,将水力充填合龙运用在大型圈围工程中,最大程度发挥水力充填法堵口的优势,这样既能保证堵口的成功率,又可以节约工程成本,对大型促淤圈围工程有重要的指导意义。近10年来,应用该技术堵口截流规模在不断突破,对该技术总结如下。2工程安全管理龙口的设计与施工是围海工程的关键环节,对龙口水力要素进行充分掌握是工程安全度汛与成功合龙的重要保证。当前随着数值模拟技术的迅猛发展,数学模型已成为计算龙口水力要素的重要研究手段,具体包括一维、二维以及三维数学模型。1力要素的确定进行龙口水力要素计算的一维数学模型基本原理为水量平衡原理。一维数学模型计算龙口水力要素简单易行,计算成果可满足一般中小型围海工程的要求。其局限性在于仅能得到龙口断面的平均流速,无法得到龙口附近的局部流态,而对龙口安全起控制作用的往往是龙口局部位置的极值流速,这就使得该方法在水流情况复杂的大中型围海工程中的应用受到了限制。2东北部算法点流态计算方法随着数值模拟技术的发展,基于浅水方程的二维水流数学模型自20世纪90年代起在龙口水力要素计算中得到了应用,如SMS、MIKE21等软件。与一维数学模型相比,在计算龙口局部流态方面有较大的优势,该方法在浙江、上海等地的围海工程中得到了广泛应用及认可。二维数学模型的局限性在于对水流垂向速度进行了平均,无法得到龙口流速的垂向分布,这种概化方式在计算一般宽浅式龙口水力要素中是合适的;但对大型窄深式龙口而言,起控制作用的往往是位于龙口底层的极值流速,该方法无法精细模拟。3精细计算模型在河口大型围垦工程中,鉴于水力条件和工程自身的复杂性,有必要对龙口水流进行精细三维模拟。杜小弢、潘丽红、刘新成等学者于2007年率先采用MIKE3精细模拟了长江口青草沙水源地工程龙口形成以及逐步堵口的过程,为设计、施工提供了重要依据。与二维模型相比,三维模型可以精细模拟三维水流特征,但计算速度比较慢。综上,一维、二维、三维数学模型在计算龙口水力要素方面各有优缺点及适用范围,需根据工程具体情况选择计算方法。3工程规模、结构及施工控制国内对水力充填工艺筑堤的研究始于20世纪80年代,开始应用在90年代末期。随着水流数学模拟技术的迅猛发展和日浙成熟,为水力充填堵口规模的不断突破提供强有力的技术保障。20世纪90年代末期至今,龙口规模从100m左右到300m左右,今天已成功突破600m规模。表1列出以上海地区为主的几个典型工程的龙口要素,以及读者可能关心的与确定龙口规模有关的主要参数供参考。上海化学工业园区圈围工程,于1996年开工,1997年完工。该工程是上海首次在低滩位置较大规模围海造地,圈围临海大堤离岸约1km,造地面积666.67hm2;首次使用二维水流数学模型模拟龙口水力特征;也是首次采用水力充填工艺进行筑堤,并首次采用该工艺进行堵口断流。诸多的“首次”特征使本工程总体设计方案在现在看来偏于谨慎、保守:为确保工程堵口截流的成功,该工程共分6个库区,单库面积约106.67hm2;每个库区设1个龙口,龙口保护期口上控制流速小于2.8m/s,设计口宽80m。该工程的成功,为以后工程的实施积累了极其宝贵的经验。该工程建成后,上海地区陆续实施了浦东国际机场圈围造地、上海临港圈围造地、南汇东滩促淤圈围造地(三期)工程等,但龙口规模始终停留在百米左右的水平上。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。经过多个工程的实践、总结,水力充填工艺堵口截流规模在南汇东滩促淤圈围四期工程中得到首次突破,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)采用并完善了截流计算的数值方法和判别指标,为围海造地规划设计提供了可靠的定量分析手段。在堵口工程设计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潮型标准,即保护期采用汛期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,通过多个工程的实践,逐步积累了丰富的经验,提出了以水力充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3.0m/s的重要指标。水流数学模拟技术,直观科学模拟堵口过程,有力地指导施工,为以充填砂土工管袋为主的截流工艺实践和创新突破奠定了基础。(2)完善了水力吹填土工管袋加护底阻水的截流工艺与施工作业准则,为大规模围海造地工程大围区合龙截流提供一条有效途径。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。堵口工程结合以往同类工程经验,在南汇东滩促淤圈围工程中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,以及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:南汇东滩三期工程单个围区面积约373.33hm2,龙口宽度为常规规模100m;南汇东滩四期工程单个围区面积约666.67hm2,龙口宽度240m;南汇东滩五期工程单个围区面积1066.67hm2,龙口宽度达到320m。在横沙东滩促淤圈围三期工程中,龙口宽350m;今年初刚合龙的横沙东滩六期工程中,龙口宽600m。自南汇东滩四期工程以来,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,以上案例均为同期国内之最,为后续围垦工程大库区合龙提供了良好的借鉴作用。需要指出的是,水力充填工艺堵口截流虽然成本低、效率高,但用于深水型的大规模龙口技术上目前尚未能突破。如表1中的青草沙水源地工程,单库纳潮量十分巨大,龙口宽800m,底高程-3.0m,口上最大流速达5.8m/s,堵口断流首先在龙口位置固定好的钢结构笼箱,然后组织好石方在笼箱内集中抛石断流,最后才用水力充填工艺闭气。4水力充填机组水力充填法堵口规模的不断突破,不仅有赖于计算机技术的迅速发展、水流数学模拟技术的日趋成熟,还离不开施工设备工艺、施工技术的不断创新和改进。众所周知,堵口截流之前,保证龙口护底工程的完整性是至关重要的。但20世纪90年代末期,龙口护底排和压重通常采取低潮露滩人工铺设作业,施工难度较高,且质量难于保证,限制了龙口规模的突破。近年来,随着大型专业铺排船的发展,借助GPS卫星定位技术,使大面积砂肋软体排、混凝土铰链排或两者的混合排在水上铺设成为可能,且保证了护底工程的质量,为龙口局限在百米规模的瓶颈突破创造了条件。为降低堵口截流风险,降低堵口施工难度,沿海地区堵口截流通常选择小非汛期小潮汛期进行。即便如此,堵口截流期,其施工强度极高,因此最大施工强度和能力也是制约龙口规模的主要因数之一。水力充填工艺堵口在2003年前均以小功率泥浆泵充填,受龙口两侧可布置泥浆泵、发电机组场地的约束,限制了截流施工强度。最近,充填设备和方法得到了不断改进,如采用集取砂、水力输送、充填多工序于一体的施工船舶,对输砂管线头部作出了技术改进,将输砂管线头部出砂口改进成多头出砂口,不仅降低了充灌压力,避免管袋爆裂,同时大大提高了施工效率。这样,可通过采用龙口两端安排的泥浆泵水力充填机组和龙口前沿充填船同时施工,解决龙口规模受制于施工强度的难题。上海横沙东滩六期圈围工程中,再正确的水流模拟结果的指导下,并采用上述