海上钢板桩围堰导截流技术的创新与应用

2018-07-23江兴南

浙江水利水电学院学报 2018年3期

关键词：龙口拉杆水闸

江兴南

(浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心，浙江杭州 310012)

1 工程概况

1.1 工程位置

温州瓯飞一期围垦工程位于瓯江之滨至飞云江畔，南、北两侧边界分别是飞云江及瓯江河口边界的外延线，主堤大致与龙湾二期围垦工程的堤线平行.工程围垦面积约8 853 ha，等别为Ⅰ等工程，主要建筑物为海堤工程及水闸工程，均为1级建筑物.

1.2 主要建筑物布置

目前实施的瓯飞一期围垦北区,围垦面积4 427 ha，海堤20.24 km，滩涂高程为-3.0～-3.3 m.海堤由北至南施工标段划分为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ标；堤线上分布北1#、北2#、东1#等三座水闸.另外，北区工程还包含了Ⅴ标即西河堤和西河堤水闸.

其中施工Ⅰ标由中交第三航务工程局承建，主要水工建筑物除海堤外，还有2座水闸(北1#、2#水闸)、1座通航孔、2座桥梁(北一、二闸桥)及联接空箱挡墙等.设计采用了集中布置，北1#闸与北2#闸轴线相距200 m，闸间以空箱联接，北2#闸右侧为一通航孔.北1#水闸共设10孔×8 m，闸室垂直水流方向主体宽度135.5 m，设计排涝流量为1 240 m3/s；北2#水闸共设6孔×8 m，闸室垂直于水流方向主体宽度为75.0 m，设计排涝流量为1 016 m3/s，均为大(二)型水闸.通航孔净宽16 m，底板长22 m.北1#水闸下游设北一闸桥，为斜拉索一级公路大桥，全长100.8 m，采用现浇施工工艺；北二闸下游设北二闸桥，全长60 m，总宽26 m.

1.3 围堰设计与施工

施工Ⅰ标主体水工建筑物的施工，是瓯飞一期围垦工程的关键与攻关点.根据设计文件和施工方案，需要在水闸等主体施工前，修筑施工围堰，形成独特的海上孤岛式钢板桩围堰其标准断面图(见图1).围堰采用双排钢板桩结合土石方压护的结构形式，钢板桩围堰建筑物级别为4级，其设计挡潮标准为20年一遇设计高潮位及其同频率风浪，允许越浪；围堰结构按3级建筑物标准设计.[1]

钢板桩围堰采用挖泥，吹填沙进行地基处理，改善施工条件，然后进行钢板桩插打，两排钢板桩之间用拉杆联结，按照约每33 m分成一段隔仓；钢板桩两侧抛石及灌砌块石进行镇压稳定，仓内进行吹填沙，石渣垫层进行加固，从而形成钢板桩围堰.[2]

钢板桩围堰轴线四周总长度为1 533 m，围护的基坑面积约14万m2.采用27 m长钢板桩内外两侧插打，截面尺寸为70 cm×29 cm，板桩排间距为11 m，总共打设27 m钢板桩4 372根；18 m横隔桩690根，截面尺寸为65 cm×24.4 cm；角桩94根，安装拉杆1 014套，共需16 383 t的U型冷弯钢板桩以及614 t配套拉杆，钢板桩围堰规模之浩大，居全国首列.

1.4 导流的水文地质条件

施工Ⅰ标的北1#闸、北2#闸等建筑物，均建在软基.在8、9月份为台风频发期，同时该区域受东北风影响较大，在寒流、东北风来临时该区域浪高流急,日常受潮汛影响，且潮差较大.

2 导流方案的选择

根据工程总进度安排，并结合围堰合拢(截流)前后的工作量，拟在7月中旬前完成钢板桩龙口合拢.根据现场施工条件及该围堰项目孤岛式作业特点，确定在7月小潮汛期间进行龙口合拢.即使在小潮汛期，一次低潮位时间仍不能满足龙口合拢需要，必须采用预留缺口导流方案.随着围堰龙口束窄，预留缺口处水流越来越急、水头差越来越大，如不采取有效措施，钢板桩围堰将难以合拢，甚至在最后龙口段冲刷出深沟，严重威胁围堰整体安全.[3]

经过多方案选择，拟对以下2个可行方案作进一步优化比较.

2.1 导流段钢板桩下插法

龙口合拢之前，为分散最后合龙段的水流压力，拟在龙口段东侧进入直线段后，进行外侧单排钢板桩的束窄推进，并趁低潮时段将该段钢板桩送至0.0 m高程以下，低段长度不少于8 m，形成合龙导流过水通道，然后渐变打高，在龙口右侧完成单排合龙.待单排钢板桩合龙后，再侯低平潮时段将导流段打低的钢板桩拔起至设计高程，然后依次插打内排钢板桩和隔仓桩(见图2).

2.2 隔根截断形成琴键式闸门导流法

在大潮汛过后，龙口封堵之前，上拔内、外排导流段各12根,至3.0 m形成导流段，导流段内、外排基本对应位置设置，总过水断面长度不少于8 m,导流段一侧，在实施前应完成外侧碎石垫层抛填至-1.0 m，仓内吹填砂已至0.0 m，内侧吹填砂已在-1.0 m以上(见图3).

图2 钢板桩下插导流法

图3 琴键式闸门导流法

闸门数量计算过程如下：

内外水位差控制在±1.0 m以内，导流段闸门水流速度控制在2.4 m/s内.为此通过计算，确定导流段闸门数量.

因在潮位变化过程中，2.5 h内水位变化最为明显，故取t=2.5 h；

小潮汛期间，此时段潮位变化最大Δh外=2.3 m，故需在t时间钢围堰内水位变化控制在Δh内≥1.3 m，钢围堰内在t时间内水位变化Δh≤1 m；

钢围堰内面积S内=140 000 m2，小潮汛高潮位时，潮位表观测水位深度h1=4.6 m，积水体积为V内=S内×h1，每根钢板桩宽度为0.7 m，每个闸门高度为3 m，总共为n个闸门，导流段闸门总面积S导=0.7×3×n=2.1n,导流段水流速度v导≤2.4 m/s，V流=S导×v导×t.

计算式：

Δh=(V内-V流)/S内=(S内h-S导×v导×t)/S内

代入数据计算：

n≥11.1，故取n=12，最终定下闸门数量为12.

2.3 选定优化方案

钢板桩下插法方案中，拉杆未安装，稳定性相对较差；插打至±0.0标高时，需进行焊接，因受潮水影响，插打及焊接耗时较长；在上拔的过程中，对土体容易造成破坏；同时，在龙口合拢后，导流段形成了一个新的龙口.另外经估算，总工期还难以满足进度要求，对钢围堰安全度汛存在隐患.

琴键式闸门导流法，对钢板桩进行了切割，经过计算，钢板桩在恢复至设计标高后进行接缝焊接，所承受压力在设计范围之内，[5]拉杆安装完成，钢板桩稳定性及抗水压力较强，且受潮水影响相对较小，能缩短施工工期，保证施工质量.该方案隔孔导流，防冲能力强，临时闸门制作方便，抢险措施可靠，具有创新性.确定琴键式导流段闸门制作方案.