钱塘江河口治江围涂工程龙口度汛与堵口技术探讨

赵微人,王文杰,郭加根

(1.杭州市水利水电勘测设计院萧山分院,浙江 杭州 311201;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

钱塘江河口经外海或长江口直接进入的泥沙量每年约有7 000万m3,这些泥沙在不同的季节,不同的径流、潮汐条件下在钱塘江河口内搬运、落淤。近30 a来,在服从治江要求的前提下钱塘江河口已圈围滩涂六七万公顷(近百万亩)。目前钱塘江河口内可以围涂的中高滩 (平均潮位以上)仅在慈溪市区域尚有,其它地方都只有治江需要的深水 (低潮位以下几米)围涂,这些工程既有一般的围涂技术问题,同时由于围区滩涂较低,为满足围区垦殖和开发的需要,在围涂的同时必须考虑促淤措施以保证工程实施后围区有一定的高程;另外,围区外水深、流急、潮强等特殊条件,围涂龙口位置和龙口封堵时机选择上考虑的因素更复杂、技术上更难。本文试图通过钱塘江河口某县治江围涂工程实例,对上述问题加以探讨。

1 工程概况

1.1 工程位置

浙江某县治江围涂工程位于钱塘江尖山河段南岸、曹娥江出口西侧(见图1),围区由东围堤(长1 115 m)、北围堤 (长5 880 m)及中东隔堤(长1 162 m)、中西隔堤(长1 379 m)和西隔堤 (长1 714 m)组成,总围涂面积733.7 hm2。围区分3片,分别为东片、中片和西片。中东片围区由于已存在东顺坝(对曹娥江口而言)、中东坝和中西坝,且涂面相对较高,故实施难度较小,宜先进行促淤围涂,西片由于受潮汐 (尤其落潮流)冲刷,涂面较低,俟后顺势实施。

图1 浙江某县治江围涂工程位置及工程布置图

围堤设计标准,堤顶高程为100 a一遇的高潮位加相应的波浪爬高,堤脚防冲按100 a一遇冲刷高程设计。

1.2 自然条件

1.2.1 工程区潮汐特性

此工程区属非正规半日潮,且日不等现象显著,潮汐特征值见表1。

表1 工程区潮汐特征统计值表

围区附近潮流为往复流,主流垂线平均最大流速与潮差大小、地形、上游径流等因素有关。根据2002年3月29～31日结合曹娥江口门大闸进行的水文测验资料分析可知,围区涨潮垂线平均最大流速2.96～2.98 m/s,流向281～287°;落潮垂线平均最大流速 3.27～3.43 m/s,流向 84～123°。

本工程所在河段为钱塘江河口段的下游段,,潮汐动力强劲,据实测资料,曹娥江口门附近涌潮高度在为1.2～1.5m。

1.2.2 工程地质

该工程区水域底质表层10～15m范围为黏粒含量较低的粉土或砂质粉土,易冲易淤,力学性质较好,是土工充泥袋的天然建材。深层埋藏有淤泥质粉质黏土,含水率和压缩性高,力学性质较差。

2 龙口设计

2.1 龙口位置确定

龙口平面位置宜选在潮汐动力较弱、滩面较高处,便于减轻堵口和土方闭气的难度。另外,还需考虑两侧坝头的抛石进占速度,坝头前沿滩面高则速度快,低则慢,故若任其自然,则龙口位置可能处于滩面较低处,将会给堵口和土方闭气增加难度。所以,应综合考虑,预先初步确定位置,再在实施过程中进行微调。东片围区的龙口位于北围堤上,北围堤堤前滩地东侧低、西侧高,按上述分析龙口应位于靠近西侧某处,但据分析,两侧坝头抛石日供应量基本相同,故自中东坝往东抛的速度快于东顺坝往西抛的速度,为不影响抛坝速度,龙口宜留在靠近东顺坝某处。

2.2 龙口尺寸确定

龙口尺寸包括宽度、底坎高程两方面,需通过龙口水力计算确定。龙口水力计算系将外江潮位过程和围区库容曲线进行组合,由宽顶堰公式计算,选择流速大小能满足一般块石稳定的龙口尺寸。

2.3 外江潮位

(1)对常规的抛石合龙施工工艺,取非汛期5 a一遇设计高潮位为设计标准。对盐官站和澉浦站非汛期(11月～翌年4月)中最高潮位进行频率分析计算,得盐官站、澉浦站非汛期5 a一遇高潮位分别为4.84 m和5.77m,从实测资料中选取典型潮型,再内插得围区龙口堵口水力计算潮型,详见图2。

图2 围区海域非汛期5 a一遇典型潮型图

(2)围区库容曲线。围涂面积约200 hm2,根据工程实施前实测的1/10 000水下地形图,得围区库容曲线见图3。

(3)龙口水力计算。围涂工程龙口位于北围堤上,根据库容曲线和非汛期5 a一遇的潮位过程(见图2、3),由龙口水力计算参照 《滩涂治理工程技术规范》 (SL389-2008)中的公式,按水量平衡计算涨落潮时内港水位、单宽流量和水头差随时间的变化规律,并推求最大流速。水量平衡基本方程式:

[Q内-(Q闸+Q泄+Q渗)].ΔT=T2-V1

式中:V1、V2分别为 ΔT时段初末港内水量 (m3);Q内为ΔT时段内内陆流域来水平均流量(m3/s);Q闸为ΔT时段内水闸泄水平均流量(m3/s);Q泄为ΔT时段内龙口溢流平均流量 (m3/s);Q渗为ΔT时段内龙口渗流平均流量 (m3/s);ΔT为时段长 (1面礼800 s)。

图3 围区库容曲线图

计算结果:假设不同龙口宽度和底坎高程,采用上述公式进行计算,得结果见表2。

表2 龙口涨、落潮最大流速表

由表2可知,龙口宽取200～300m、底坎高程2.0 m时,其涨、落潮最大流速分别为2.13～2.42 m/s和1.36～1.78m/s,此时用土工充泥袋加块石压载护底,度小潮汛使滩涂淤积是可行的。同时,当龙口宽度至50m时,涨落潮最大流速分别为2.82m/s和2.29 m/s,均小于3.0m/s,只要单块块石重量大于100 kg,堵口过程中块石能够保持稳定。因此,采用抛石立堵进占合龙施工是可行的。但若条件许可,采用船运块石平堵和自卸汽车立堵结合则效果更理想。

3 龙口护底设计

龙口能否顺利度过小潮汛以使涂面淤积至可围高程,关键取决于所采取的龙口护底措施是否合理。根据围区涂面表层为砂质粉土,便于采用土工充泥袋进行泥浆泵充填施工的特点,龙口护底可先打1层土工充泥袋,然后采用船运块石压载,这样便可安全地度过小潮汛。龙口护底结构见图4。

图4 龙口保护平、剖面图

4 堵口及土方闭气

当围区涂面淤积至可围高程时,即可实施堵口和土方闭气。根据钱塘江潮汐特点,一般冬季(11月至翌年3月)潮汐较小,根据观测资料,选择特别小的潮汛的非汛期进行堵口施工。

4.1 前提条件

堵口需具备以下条件:①涂面淤积至可围高程;②围区除龙口外的闭气土方满足非汛期防渗要求;③潮汐已经相对较弱;④堵口申请报告得到批准。当以上条件同时具备时,即可进行堵口及土方闭气。但值得注意的是,堵口与土方闭气进度必须协调一致,有条件的最好是闭气土方进度先于堵口进度,这是整个龙口施工成败的关键。钱塘江河口两岸围涂中,由于闭气土方落后于石坝合龙,引起坝体接触渗透破坏,导致石坝冲毁的事例曾发生多起,教训深刻,故应引起高度重视。

4.2 堵口施工

堵口时间选定后,需进行块石备料。先估算工程量,然后备足石料和人工机械,在规定时刻开始实施堵口。由于1m in内有2个大潮汛和2个小潮汛,潮位最低的时间仅有3～4 d,故堵口时间应在2～3 d之内完成。

4.3 土方闭气

如前所述,由于围区表层为砂质粉土,泥沙颗粒粗而粘粒含量低,故宜采用土工充泥袋筑堤施工。根据慈溪、余姚围涂经验,可以将泥浆泵安装于船上,船停在滩面上,造孔定位后,可以连续24 h不间断吸泥充填,施工效率较以往在滩面上感潮施工大大提高。由于龙口闭气时间紧、任务急,泥浆泵组的台套必须满足进度要求。

5 结 论

强潮河口滩涂围涂成败在于龙口的处理技术,本文以某县治江围涂工程东片堵口闭气为例,阐述了其设计和施工要点:

(1)龙口设计。龙口平面位置应设在潮汐动力相对较弱处,即滩面较高处,但考虑到其两侧坝头抛石进度,滩面高的一端往往进度较快,使龙口位于滩面较低的一侧。为此,需预先选定一龙口位置,具体实施时再作微调;龙口尺寸确定应根据典型潮位过程及围区库容曲线采用宽顶堰公式计算过堰流速大小后,再根据流速大小选取龙口尺寸;龙口尺寸确定后,需进行护底度非汛期的小潮汛,以使滩面淤积至可围高程,护底可先充填土工充泥袋,再在其上块石压载。

(2)堵口及土方闭气。堵口和土方闭气必须满足以下条件:即涂面淤至可围高程、围区除龙口外均已完成土方闭气、潮汐动力相对较弱及堵口申请报告得到批准。堵口与土方闭气进度必须协调,堵口施工应根据流速计算结果,确定采用自卸车立堵进占、船抛块石平堵或平、立堵相结合的办法。土方闭气可采用土工充泥袋施工工艺。

[1].王文杰,严其芳,赵时建,等.绍兴县九七丘治江围涂二期工程初步设计报告[R]..杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2002.

[2].王文杰,余祈文,宋立松,等.土工充泥袋筑抛促淤试验研究和实践 [J]..水利学报,2003(2):88～92.

[3].杨火其,王文杰.钱塘江河口异型块体抗冲稳定试验研究[J]..长江科学院院报,2001,18(2):19～22.