海南龙沐湾人工海水运河设计关键技术

顾宽海，陈明阳，黄劲松，孙平锋，张蕊（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海　200032）

海南龙沐湾人工海水运河设计关键技术

顾宽海，陈明阳，黄劲松，孙平锋，张蕊
（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

依托海南龙沐湾人工海水运河工程实例，针对运河功能要求高、平面形态复杂、海水水质差、生态环境保护难等工程特点，通过对平面布置、水体交换设计、海水入侵防治设计、取水工艺和海水净化工艺设计、闸门选型等关键技术进行研究，提出了水体交换周期及相应的取排水量、护岸结构的防渗与疏通相结合的方式和超大型海水净化池工艺等设计对策，达到了度假区自然景观环境和谐优美的目的。

人工海水运河；城市景观；水体交换；海水入侵；超大型海水净化池

随着国民经济及旅游业的迅猛发展，人们对宜居城市和休闲度假的要求不断提高，将人工海水运河工程作为城市景观建设的理念已经开始引入到当今城市水利、市政项目当中，工程不仅要具有传统的防洪、排涝及通航等功能，更要与城市的发展水平和城市景观建设相适应，旨在提升景观魅力和区块旅游等价值，这不仅是一个全新设计理念，而且丰富了运河的内涵。目前国内外的研究大多数着眼运河水体流动方向和海水入侵的因素[1-3]；而针对水质差的海水如何用作高标准的景观水体，并保持生态和谐及水资源的循环利用方面的研究较少。总体上来说，对于人工海水运河的研究存在局限，给设计人员带来了极大技术挑战。

本文结合海南龙沐湾人工海水运河工程的设计方案，针对平面复杂、功能要求高、海水水质差、生态环境保护难等工程特点，以及设计中许多技术问题无规范和经验参考的情况，通过对平面布置、水体交换设计、海水入侵防治设计、取水工艺和海水净化工艺设计、闸门选型等关键技术进行分析研究，提出了相应的设计对策，确保了人工海水运河的有效运行，实现了度假区自然景观环境的和谐优美和区块旅游价值，可为今后类似工程设计提供借鉴和参考。本文重点介绍海南龙沐湾人工海水运河设计关键技术。

1　工程特点及技术难点

1.1工程特点

1）功能要求高

业主要求通过人工海水运河将整个龙沐湾国际旅游度假区内10座左右五星级和超五星级酒店、一二类住宅、商业配套设施、高尔夫球场、会所等串联起来，使得整条运河集景观、船运、防洪排涝等功能于一身，达到提升度假区内景观魅力和区块旅游等价值的目的。

2）平面布置内容多、形态复杂

海水运河蜿蜒穿梭于各建筑物间，总长度约6 734 m，水域面积约184 100 m2，容量约367 500 m3，总体布置要求设置1处主排放设施、1处侧排放设施和1处取水设施，以及5座游艇巴士停靠站和1处游艇维修场地，运河的某些局部平面转弯角达90°[4]。平面位置布置见图1。

图1　海水运河平面布置图Fig.1　General layout of seawater canal

3）海水水质差

通过对龙沐湾海水水质调查，其海水悬浮物（SS）均值约30 mg/L，最大值约90 mg/L，作为海水运河的交换水和补充水，水质差，达不到观赏性景观环境用水要求。

4）浅层地质水文条件差，生态环境保护难

根据本工程地质报告，整条运河区域的地质从上到下分别为，第①层砾砂，第①1层粉质黏土，第②层粉质黏土等。其中第①层砾砂为强透水层，渗透系数为8.55×10-2cm/s，层底标高位于运河底3～8 m间，接下为弱透水的第①1层粉质黏土层，渗透系数为5.0×10-5cm/s，浅层的砾砂层易造成海水入侵地下水，造成整个度假区的生态环境破坏。

1.2技术难点

根据本工程的功能定位、平面形态、自然环境条件等特点，以及许多技术问题无规范和经验参考的情况，在设计过程中存在以下技术难点：

1）运河总体布置与度假区的总体布置关系；

2）如何进行有效的水体交换，确保运河水质达到要求；

3）水工结构设计与环境协调性；

4）如何对大体积海水进行有效的净化且环保、节能。

2　关键技术

2.1运河总体布置设计

本运河处于度假区中，用地长达2.5 km；纵深达750 m；建设内容多，多达10座左右的五星级和超五星级酒店、一二类住宅、商业配套设施、高尔夫球场、会所等建筑物，如何布置运河的平面线形和取水、排水设施及与周边建筑物的协调是工程最为关键的技术问题，它直接关系到运河能否有效运行和达到提升度假区内景观魅力、区块价值的问题。

总体布置时，在遵循规划和满足运河基本功能的原则下，重点考虑运河与环境协调美观的原则，平面布置主要内容如下：

1）在一期与二期的交界处设置1座直径225 m的海水净化池，同时作为景观湖，四周布置运河接口，并考虑为二期预留。

2）在海水净化池西侧设置了取水设施，主要包括取水口头部、取水管及取水泵房。为保证全天取水，同时考虑淤积情况，取水头布置在泥面标高-3.8 m等深线附近，距离海堤轴线约140 m，并在取水头的周围设防撞警示标（灯桩）3座。

3）为满足运河雨水的排放，北端设置一处主排放设施、一处侧排放设施。

4）为增强运河的景观，在运河中部设置了1条具有水上威尼斯风情的水街；在运河沿岸共布置了6处游艇码头，同时在运河中设人工小岛或种植红树林区等，充分体现自然、和谐。

根据上述的布置，总体上形成长度约6 734 m，平均宽度约18.4 m（最小宽度15 m），水深为2 m，集取水、防洪排涝、航运、景观于一体的一条人工海水运河，取得了设计总体效果，具体布置见图1。

2.2人工海水运河内水体交换

海水运河水循环设计的关键点在于满足度假区内排涝标准的基础上，形成一个系统的取排水体系，以促进运河水体的流动，防止运河水质的恶化影响到景观效果。景观水体从新鲜水体到水质变差有自身的生命周期，一般3～5 d水体中的生物会减少；10 d内水体一般不会发生水华；14 d是水体发生富营养化的大概时间，因此海水运河换水周期确定为：1）在运河水质不发生异常的平常时段，按14 d周期进行运河水体置换；2）在运河水质因降雨或其他情况发生异常时，按4 d将运河水体置换。

根据本运河景观设计要求及度假区内的设施安全等因素确定运河正常水位为+1.0 m±0.1 m （1985国家高程基准，下同）。在运河的水质突然被污染需迅速进行水交换或汛期来临前预留防汛库容时，可将水位降到最低控制水位+0.5 m。运河最高防洪水位控制在+2.0 m。利用运河与外海的水位差以及必要的工程措施实现引水换水。

根据运河总体布置、库容、水体的蒸发量、潮位资料以及取排水设施等信息资料，建立模型进行数值模拟计算，确定满足设计要求的方案：

1）在运河水质正常时，可利用运河常水位与龙沐湾潮位间的水位差进行自然取水及排水。

2）当小潮期，单纯利用自然取水不能满足14 d 1次运河水体交换要求时，利用水泵进行辅助性取水，取水时间约243 h，计算得到平常时水泵取水量约0.5 m3/s。

3）在运河发生水质异常时，利用水泵取水满足4 d 1次水体交换的要求，取水时间约62 h，计算得到异常时水泵取水量为1.873 m3/s。

计算模型同时确定了相应不同交换周期的排放量。

2.3海水入侵防治设计

由于海水运河引入的是海水，若采用常规挡土护岸结构，没有防渗措施，海水必将入浸陆域，导致环境的破坏；防渗措施还应防止破坏自然地下水体交换，造成环境恶化。

1）护岸防渗结构选型

针对浅层有强透水层、下有弱透水层的地质情况，分别选用了适合本工程的垂直防渗止水护岸方案（方案一）和水平防渗止水护岸方案（方案二），方案一是在L形挡墙底板下设搅拌桩止水墙[5]截断强透水层；方案二采用在河底设置水平防渗膜的方式，具体见图2、图3。

图2　垂直防渗止水护岸方案Fig.2　Revetment structure of vertical water-stopping for seepage prevention

图3　水平防渗止水护岸方案Fig.3　Revetment structure of horizontal water-stopping for seepage prevention

从经济性看，方案二稍优于方案一，但方案一施工方便、速度快、质量易保证，方案二由于施工工作面大，防渗膜铺设质量不易保证，速度较慢，经过综合比较，本工程采用方案一。

2）地下对流段护岸结构选型

整条运河若采用垂直防渗体系，将隔断运河两侧的地下水，破坏地下水环境。设计采用数值模拟手段，通过对完全隔断地下水和部分隔断展开试验对比，并重点对部分隔断进行研究，最终确定每隔200 m左右设1处约50 m长的地下水对流段，确保地下水贯通，融通处挡墙结构采用“U”形重力式护岸断面，底板下设1 m厚的透水层基础，剖面图见图4。

同时，为适应运河景观的需要，特别是为模拟红树林的种植环境，专门设计了双“U”形护岸断面，具体剖面图见图5。

图4　地下对流段U形护岸剖面图Fig.4　Profile of U-form revetment for groundwater convection

图5　红树林种植段护岸剖面图Fig.5　Profile of U-form revetment for mangrove

2.4取水工艺和海水净化工艺设计

为实现海水运河优质的景观水要求，选择合适的海水净化工艺、取水工艺是关键，同时要兼顾经济效应、美观大方。

1）取水工艺设计

水泵+自然取水方案是考虑利用龙沐湾与运河的水位高差取水，通过数值模拟，46%运转时间为自然取水，54%为水泵取水。该方案建设投资大，但在运行期间，利用潮汐水位差取水可以有效节能，减小运行费用。

全水泵取水方案是考虑只利用水泵定量取水，可以减小取水管道系统建设投资，但是运行期间取水量大，能耗高，运行费用高。

经综合比较，水泵+自然取水方案作为设计推荐方案。

2）海水净化工艺设计

海水运河通常要求14 d进行1次水体交换，且由于取水海域的海水悬浮物（SS）监测均值约30 mg/L，为了满足GB 3097—1997《海水水质标准》中的Ⅱ类水质要求，必须对取水进行净化。

若采用常规净化池工艺，难以满足如此大容量水体交换要求。为此，提出超大型海水净化池净化工艺，即设置1座直径215 m圆形海水净化池，净化泵房取水中泥沙等悬浮物，同时周边可供游艇通行、兼具景观作用。

目前净化工艺主要有自然沉淀、混凝沉淀、澄清和过滤等。混凝沉淀和澄清工艺均需在原水中添加药剂，而过滤则需要过滤介质。本工程取水量大，加药或过滤处理原水运行费用高、产生污泥量大不易处理，所以选择自然沉淀作为本工程处理工艺。

净化池采用中心进水辐流式沉淀池自然沉淀的处理工艺，减少了净化池内设备布置、避免通航障碍；海水由送水管送到净化池中心，沿径向以逐渐变小的速度流向池子周边，在池内完成沉淀净化过程后，从池子周边与运河水系连接段进入运河，作为运河补充水或交换水。设计的大池径较传统的辐流沉淀池增加了原水的停留时间，能有效地将龙沐湾抽取的海水中的泥沙自然沉淀去除。

海水净化池的排泥也是本工艺重要部分。国内大型圆形辐流式沉淀池排泥一般采用刮泥机，但刮泥机最大直径只能做到80 m左右，远小于本工程池径，且在池内布置设备将对通航产生安全隐患，故不宜采用刮泥机排泥。通过计算，海水净化池（沉淀池）内的泥砂沉积强度为0.04 m/a，设计泥沙堆积高度为0.5 m，则泥砂排除时间最大约12 a 1次，排泥频率很低。最终，净化池不设固定排泥装置，要求净化池排泥与整个运河体系清淤同步进行，采用小型吸泥船吸泥排除沉淀池泥砂。

2.5排水设施中水闸闸门的选型

海水运河设有主、次排放口2座水闸，实现排水、挡潮、调节水位等功能，为实现该功能，并与景观协调一致，在排水口设置了新型流量调节闸及防潮闸。

流量调节闸闸门采用能够实现双向挡水、灵活启闭、闸门开度无级可调、方便调度、工程隐蔽、无碍防汛和通航，改善河道景观的新型闸门钢坝门。

防潮闸闸门采用顶升式平面闸门，该门型特点是将启闭设备置于闸门两侧闸墩内，采用液压油缸伸缩实现闸门开闭，操作方便、可靠性好且上部建筑物仅需在闸门两侧设导向柱，对景观影响小。

通过上述闸门的选择，达到了设计功能要求，确保项目的整体效果。

3　结语

人工海水运河工程是一个系统复杂的工程，集市政整体规划、水利防洪排涝、海水净化、水环境保持、景观、航道等于一体，为沿海开发高品质风景度假区提供了范例，对今后其他相似设计提供了借鉴的经验，主要有以下成果：

1）根据功能及使用要求，采用合理的运河总体布置，因地制宜布置各类构筑物，并有机结合，充分体现自然和谐，实现提高其功能价值的目的。

2）提出海水运河换水周期。在运河水质不发生异常的平常时段，按14 d将运河水体置换；在运河水质因降雨或其他情况发生异常时，按4 d将运河水体置换，置换周期的设置合理、可行。

3）提出的超大型海水净化池净化工艺不仅能满足高标准的水环境要求，而且环保、节能、运行成本低，是一种经济、合理、可行工艺方案。

4）本人工海水运河通过防渗与疏通相结合的的护岸结构处理方式既有效确保海水不入浸陆域，且确保地下水贯通，可为今后类似工程提供借鉴和参考。

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GUAN Yong.Analysis of geological environment along Jiaolai Man-made Seawater Canal and prediction of potential seawater incursion[D].Qingdao:Qingdao University,2009.

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[5]龚晓南.地基处理手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

GONG Xiao-nan.Manual for ground improvement[M].2nd ed. Beijing:China Architecture&Building Press,2008.

Key technology for design of artificial seawater canal in Longmu Bay of Hainan

GU Kuan-hai,CHEN Ming-yang,HUANG Jin-song,SUN Ping-feng,ZHANG Rui
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Based on the engineering practice in the building of the artificial seawater canal in Longmu Bay of Hainan Province and aiming at adapting the characteristics of high requirements on canal function,complexity of flat form,low seawater quality and difficulties in ecological and environmental protection,a research was carried out on the key design technology for the general layout,design of water exchange,seawater intrusion protection,water intaking technology,seawater cleaning technology and sluice gate selection.The design proposals such as water exchange cycle and relevant quantity of water intake and displacement,the bank protection structure combining seepage proofing and drainage and ultra-large seawater purifying pool proposal were presented.These proposals have achieved the goals of keeping natural landscape graceful and harmonious in the holiday resort.

artificial seawater canal;urban landscape;water exchange;seawater intrusion;ultra-large seawater purifying pool

U612.33

A

2095-7874（2016）08-0038-05

10.7640/zggwjs201608009

2016-01-25

2016-03-30

顾宽海（1973— ），男，上海市人，教授级高级工程师，从事总图及水工结构设计。E-mail：gukh@theidi.com