高滩区域闸箱式水门冲刷防护要点

陈景丰，刘宝中

（中交上航局上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

高滩区域闸箱式水门冲刷防护要点

陈景丰，刘宝中

（中交上航局上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

吹填工程中排水口的布置对有效提高围区蓄泥能力，减少泥沙流失，保证围区泥沙的平整度以及减轻吹填尾水对周边环境的污染等起着至关重要的作用，其布置形式是直接关系吹填工程能否顺利开展的主要因素之一。文章重点结合南通通州湾港区二港池匡围二期西区吹填工程实例，着重介绍了吹填过程中初始设计的排水口被冲刷破坏的具体原因。对特殊工况下闸箱式排水口布置施工过程中遇到的重点及难点进行了详细分析，同时提出了具体消能防护措施，为排水口布置施工提供了宝贵经验。

排水口水门；主要因素；高滩

0 引言

常规吹填工程施工过程中，排水口出口位置一般通过安装导流槽、外侧坡脚处抛填块石的方式进行消能。本工程水门布置于龙口段，此区域内堤身宽度较大，原始滩涂地形较高，泥沙颗粒细小，分布均匀，无黏性，抗冲刷性极差。在吹填尾水的冲刷作用下，原始滩地极易发生变形，导致排水槽底部砂土流失、排体边缘产生侵蚀性沟槽并不断发展，危及堤身安全。因此在考虑堤脚处不被冲刷的同时，如何防范排水口范围内不被冲刷尤为重要。

1 排水口水门的作用

排水口水门是围区吹填的主要排水设施，其作用为：排除残留在围区内的大量清水，在吹填过程中调整围区内水位，以控制土方流失和达到吹填面的平整。排水口水门布置作为围堤和吹填施工的辅助工程，布置的好坏与否对吹填过程中的泥沙沉淀、淤泥处理等都起着至关重要的作用。此外，水门布置时应充分考虑吹填区的平面位置、绞吸船工况特性、泥沙颗粒沉淀特性、原始滩面和潮位的相对关系等方面因素。

2 排水口的选择

排水口的结构形式分为闸箱式、薄壁堰式和溢流式等等。本工程综合以下4个方面的原因，采用闸箱式排水口：

1）地表层土性近砂质粉土，围区内泥沙不易沉淀，施工过程中极易产生流失；

2）围堤施工与吹填施工交叉作业较为频繁，为避免吹填施工对围堤施工带来不必要的干扰，保证围堤外侧护坡结构正常施工，导致堤顶道路必须保持通畅；

3）溢流式排水口外侧消能防护日常维护费用较大；

4）施工海域潮差较大，水位变动对吹填排水影响极大。

3 闸箱式水门的工作原理

闸箱式排水口主要是由水门箱（一般为钢制）和输水钢管相连而成（见图1），水箱安置在围区内侧设置相应闸槽，吹填施工时采用在闸槽里放置木质闸板，通过层层叠加继而阻挡泥沙抬高水位，使吹填清水通过挡板上端溢流进闸箱，并通过输水管排出围区，进而达到排水效果[1]。

图1 闸箱式水门Fig.1 Box watergate

4 闸箱式水门设置的影响因素

1）排水口的平面位置

排水口的位置选择应根据吹填区的地形，吹填区范围的几何形状，排水总流量等综合考虑，选择在有利于加长泥沙流程，从而有利于泥沙的沉淀，减少流失率的位置，大多选择布置于吹填区的死角处[2]。

2）绞吸船特性

吹填施工过程中，要充分考虑绞吸船自身流速和浓度的双重因素的影响。泥浆浓度越高其携砂能力越差，即流速相应的就会减少，为减少泥沙流失率，可以根据现有沙质粒径，库区内的滩面高度及绞吸船流速等，通过粗算流经距得出吹填出口距离排水口的最小距离[3]。

3）原滩面与潮位的相对关系

为保证吹填施工中排水口的正常工作，必须充分考虑在涨潮持续时间段内，潮汐水对排水口泄水能力的影响。防止出现受库区内外水位差的长期影响下导致排水口泄水能力大幅度下降，进而不能满足施工排水要求的现象[4]。

5 本工程水门箱的实施情况

本工程曾先后2次对同一排水口采用不同形式的处理施工，由初次防护施工失败，致使排水口堤身范围内出现大范围的坍塌到第二次优化设计施工，使排水口成功稳定排水，为高滩、沙洲条件下布置闸箱式排水口施工提供了宝贵经验。

5.1 工程概况

本工程施工区域地表层土性近砂质粉土，土质抗冲性差，表层土对流场变化敏感，受水流作用易变形，继而引起连锁反应。考虑到排水口布置区域原始滩地为+4.5~+4.8 m左右，是整个内港池内滩地最高区域。根据现有的情况推测，排水口一旦开始发挥排水功能，吹填尾水势必会造成堤身外侧区域滩地冲刷，最终形成水槽。为减小该水槽对龙口段堤身带来不确定冲刷影响，现于排水管南北两侧构筑丁坝，使吹填尾水限流归槽。此外在两丁坝之间区域水槽内布置一系列消能设施，使排出的吹填尾水逐步消能，从而尽可能减少吹填尾水对外侧滩地的不确定冲刷破坏，进而使出口水流在指定的区域内做到“远离堤身、定向流动，逐步消能”。

5.2 初始排水口设计施工

1）限流归槽

为防止吹填尾水四处扩散，对龙口周边滩地肆意冲刷，现通过在排水口两侧构筑袋装砂丁坝（见图2），使吹填尾水限流归槽，即出口水流沿着指定方向定向汇入外海，以此尽可能限定末端水流对堤脚及龙口位置的冲刷破坏范围。

2）水槽护底

图2 丁坝构筑施工Fig.2 Build construction of the spur

为防止吹填尾水直接对护底软体排进行冲刷破坏，由此引起护底排体下方泥沙浮动形成底部泥沙流失，导致水槽发生坍塌，在排体上方进行袋装砂压载，以此尽可能保护护底软体排和底部滩地。此外，水槽内袋装砂施工过程中要遵循逐步降低的原则，即自排水口出口至水槽末端，袋体标高逐级降低（见图3），以此达到平顺降低水头的目的。

图3 水槽成梯次结构进行泄水Fig.3 Water tank is discharging in echelon structure

3）水槽内消能措施

水槽内通过构筑横坝（见图4），水流经过横坝产生水跃，水跃将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除动能的方式进行消能。此水跃消能主要靠水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动、剪切和掺混作用，继而降低水流流速。

图4 隔坝施工Fig.4 Build construction of separate dam

本工程通过构筑一系列袋装砂横坝，将水槽逐步分割成若干个封闭区域，水流经过隔坝，动能减少，势能增加，使得水流尽可能以溢流方式进入下一个区域，最终经过多区域的消能，极大地降低防护边缘的水流流速。

5.3 排水口破坏形式及原因

1）水槽内侧过水不均匀

由于水槽内侧标高局部存在不平整，导致过水断面不均匀（见图5），过水断面减小使水流流速增大，末端的跌落水更为明显，此跌落水特别集中于对外侧排边冲刷。排体一旦发生破坏直接导致排体下方滩地泥沙流失，即局部出现坍塌现象，一旦出现坍塌，在此种粉细砂的地质条件下很快就会出现大范围的坍塌，长此以往直接沿着过水处慢慢逼至堤身，进而危及堤身安全。

图5 水槽内水流过水不均匀Fig.5 Water uneven flow in the water tank

2）水槽池内侧袋体缺少防护

前期水槽内侧两丁坝之间全部采用袋装砂压载防护即水流全部从袋装砂上过水，长此以往袋装砂逐渐变为水饱和状态，此状态下袋体抗冲刷能力差，受水流纵向剪切力直接导致袋体被撕坏，内部结构发生坍塌破坏。

3）水槽末端不易防护

西区设计预留龙口周边平均滩地为+4.5~+4.8 m左右，排体外侧的滩地多为粉土，土质抗冲性极差，受水流作用易变形。在周期性涨落潮影响下，龙口外侧局部滩地被大量冲刷，地形、地貌也产生巨大变化形成沟槽。由于排水口布置在龙口端部区域，同时排水过程中持续对末端滩地进行冲刷（特别是低平潮时段，水位差最多时为4 m），逐步形成了与龙口沟槽相连通向外海的水槽。防护区域外水流冲刷的无序性和沟槽的摆动性，极大程度的增加了施工难度。

5.4 二次优化设计施工

在考虑现场工况特点的情况下，我们采取了一定的措施进行相应的初次设计施工，但现场复杂多变的外部条件导致的失败，对我们防护方案和工艺提出了进一步的要求。经过充分分析和探讨，我们重点对以下几方面进行了调整和优化。

1）水槽内侧加固施工

考虑袋装砂在水流剪切力作用下，初期形成水饱和状态，长时间维持在此状态下极易被拉坏，进而导致水槽主体产生破坏。为了避免上述现象发生，与此同时加固水槽整体结构的稳定性，在内部袋装砂结构施工完成后，袋体上方铺设软体排及复合土工布（图6），同时为防止再次出现水饱现象，水槽内全部进行块石压载。

图6 水槽内铺设软体排Fig.6 Laying of soft mattress in water tank

2）排水口末端处理

排水口末端直接与外海相连，其结构的稳定性直接决定着排水口的成败与否。首先水槽末端构筑石坝减缓水流流速，同时石坝与水槽连接处的软体排也需通过块石压载，并确保软体排底部和抛石压载伸入深槽底部（图7），以此避免排体下方的滩地二次冲刷形成侵蚀。块石压载完成后，通过挖机将区域块石整理成具有一定坡度的断面，层层消能，最终使吹填尾水通过石缝中渗出平缓流入下游水槽中，进而达到预期消能效果。

图7 水槽末端防护Fig.7 Protection at the end of water tank

6 结语

排水口虽然只是疏浚吹填工程中控制尾水排放的临时性辅助设施，却对提高吹填区泥沙沉淀效果，减少泥浆对环境的污染等方面起直接调控作用。本工程高滩沙洲条件下，针对首次排水口处理施工中存在的不足之处进行总结，对前期出现容易引起的几种不同破坏形式进行分析并提出相应措施，及时调整施工工艺及防护措施，达到了防护效果，希望能为类似工况水门的施工提供借鉴。

[1] 陈宜新，汤晨笛.闸箱式排水口在吹填施工中的应用[J].低碳世界，2013（10）：320-322.

CHEN Yi-xin,TANG Chen-di.Application of gate box drainage in filling projects[J].Low Carbon World,2013(10):320-322.

[2] 陈胜印，邓志华.退水口型式在疏浚吹填工程中的选用[J].江西水利科技，2008，34（S1）：67-69.

CHEN Sheng-yin,DENG Zhi-hua.Selection of the type of reces原sion in dredging and filling projects[J].Jiangxi Hydraulic Science and Technology,2008,34(S1):67-69.

[3] 吕艳.围区吹填施工中排水水门的设置[J].华东科技，2016（4）：176.

L譈Yan.Setting of drainage water gate in filling construction[J]. East China Science and Technology,2016(4):176.

[4] 张少强.吹填造陆工程排水新工艺的研究与应用[J].山东交通科技，2015（2）：79-80.

ZHANG Shao-qiang.Research and application of new drainage technology of land reclamation project[J].Shandong Traffic Science and Technology,2015(2):79-80.

Key points of scour protection of box watergate at high beach

CHEN Jing-feng,LIU Bao-zhong
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

The layout of drainage gate in reclamation project plays very important role in improving the capacity of mud accumulation in the surrounding area,reducing the loss of sediment,ensuring the smoothness of the sediment in the surrounding area and reducing the pollution of the surrounding environment by blowing off the tail water.The layout form is one of the main factors that directly affect the smooth development of the project.Taking the reclamation project at the west of the phase II inning project in Tongzhou Bay basin 2,Nantong as an example,we introduced the specific reason of the drainage outlet of initial design was destroyed by scouring during reclamation,analyzed the key points and difficulties encountered during the construction of the gate-type drainage outlets under the special conditions,and put forward the definite energy dissipation protection measures,which provide valuable experience for the drainage outlet arrangement.

watergate at drainage outlet;major factor;high beach

U657.3

B

2095-7874（2017）04-0081-04

10.7640/zggwjs201704018

2017-02-27

2017-03-14

陈景丰（1988— ），男，河北省人，助理工程师，水利水电工程专业。E-mail：282482034@qq.com