湄洲湾石门澳工程围堤龙口合龙施工工艺

(中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200)

湄洲湾石门澳工程位于福建莆田秀屿区，属强潮海区，以半日分潮占绝对优势，本工程海域的潮汐属于正规半日潮。但湄洲湾潮差大，平均潮差4.60m以上，最大潮差7.0m以上。根据设计方案和工程进度要求，综合水文气象等条件，对围堤龙口的布置、堵口顺序、实施方案优化等进行了研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

湄洲湾石门澳工程围堤总长7.4km，堤身为堤心石结构，地基处理采用基槽开挖、回填砂垫层、插打塑料排水板的方式。围垦区新建4号堤、东堤、南堤，围垦区被9号隔堤分割成C-1和C-2两个围区，其中C-2围区面积151.5万m2，C-2区吹填软土标高+10.0m(秀屿当地理论高程，下同)，围区原始泥面平均标高+3.45m。所有吹填土均采用绞吸式挖泥船直接从取土区吹填至陆域。本文主要介绍C-2围区合龙施工工艺。 围垦区平面图见图1。

图1 围垦区平面图

1.2 水文地质资料

工程海域的潮汐属于正规半日潮，设计高水位7.35m，设计低水位0.78m。

预留龙口位置上层土质为灰色淤泥，厚度为7～12m，抗冲刷能力弱，易被潮水冲刷。

1.3 龙口地基处理

由于龙口位置淤泥层较厚，为确保合龙安全，必须严格按照设计要求做好围堤的地基处理工作。本工程采用开挖换填中粗砂、回填中粗砂、插打塑料排水板的方式进行地基处理，以提高软土地基的承载力，保证围堤稳定，避免出现不均匀沉降。开挖换填中粗砂深度1m，再回填1m厚中粗砂，塑料排水板打设至-14m，然后分层回填堤心石，预压不少于15天，分层厚度不超过1.5m，回填至+4.5m后预压不少于30天，再沉降补填至+4.5m，并加强沉降位移观测，最后陆续回填至+8.5m。待地基排水固结、沉降稳定后进行围堤龙口的加高合龙。南堤往东堤的衔接贯通采用抛砂封堵、分幅施工进行，施工步骤与东堤一致。

2 龙口合龙施工工艺

2.1 总体方案

围堤的合龙方案，分五个步骤，两次合龙。

a.选取龙口位置。根据水文地形资料分析，东堤地势低，设置石料主堤龙口在东堤EK0+630～EK0+830处。

b.预留抛砂龙口。南堤抛砂垫层施工时，桩号SK0+050～SK0+130处暂时不抛，预留抛砂龙口。

c.干地施工过水断面。陆上推进东堤抛石，先进尺至南堤与东堤衔接处，再开挖桩号EK0+630～EK0+830处低潮干地施工，形成过水断面。过水断面结构为砂面标高3.0m，覆盖一层无纺布，上抛50cm块石护底，防止冲刷，块石顶标高3.5m，并做好块石棱体施工。

d.合龙预留抛砂龙口。过水断面完成后，抛砂合龙南堤桩号SK0+050～SK0+130处的龙口，塘内海水从过水断面出入，即第一次合龙。按设计半幅施工南堤桩号SK0+050～SK0+130处的各个工序。

e.合龙东堤龙口。最后合龙东堤桩号EK0+630～EK0+830处过水断面，即第二次合龙，完成围堤合龙。

实施该方法的前提条件为整个施工区域低潮时为全露滩的原始地面；并且围堤设计砂垫层宽度超过60m，具备半幅砂面堆高挡水，另外半幅正常施工的条件。

2.2 龙口构筑和防护

2.2.1 龙口构筑

东堤龙口段的堤心石回填作为护底施工，护底宽度大于龙口宽度，在露出滩面时进行，堤头采用抛大块石保护，表面采用大块石护底，石料石质新鲜坚硬、无风化、不含泥，抛石料尽量级配连续。石料采用挖掘机进行整平，表面基本平整，标高+3.5m。缝隙交错咬紧，挖掘机来回行走压实。龙口纵剖图、平面布置见图2、图3。

图2 东堤龙口纵剖面图 (单位：m)

图3 东堤、南堤龙口平面示意

2.2.2 龙口防护

龙口形成后至合龙前以及堵口进占时，采取抛石加固的措施对龙口两侧和堤头进行防护，以防止龙口水流、立轴漩涡及堤身渗流对堤头造成破坏。

根据潮汐表高低潮规律，每天在施工现场进行巡视检查，出现不良情况立即进行补抛块石等方式处理。

适当放缓堤头坡度，尽量不要形成陡坡，以改善龙口水流态势，加强堤头两侧的防护。

2.3 合龙时间

南堤缺口抛砂于2014年5月14—16日进行，之后进行该段各个分项施工，做好与东堤龙口处的衔接。在南堤堤心石抛填沉降稳定后，于6月7—8日小潮汛期采取龙口两端陆上抛填石块的方式进行东堤龙口合龙。

2.4 龙口水力计算及合龙

2.4.1 水力计算

2.4.1.1 水量平衡计算

龙口水力计算采用围区进(出)水量平衡原理，见式(1)。

|Q0±(Qs+Qf+Qp)|×Δt=W1-W2

(1)

式中Q0——计算时段内内陆流域来水平均流量，m3/s；

Qs——计算时段内水闸泄水平均流量，m3/s；

Qf——计算时段内龙口溢流平均流量，m3/s；

Qp——计算时段内截流堤堆石体渗流平均流量，m3/s；

Δt——计算时段,s；

W1——计算时段末围区容量，m3；

W2——计算时段初围区容量，m3。

由式(1)可知，龙口水力计算需针对潮位过程曲线以及围区库容变化曲线的变化规律，在不同口门尺寸和底槛高程条件下计算流速的等值曲线图。

2.4.1.2 流速过程线计算

当龙口口门两侧边壁对口门流量影响不大时, 根据宽顶堰流理论，龙口顶部流速与库区内外水位差关系见式(2)、式(3)(两式为库外高于库内情况, 库内高于库外本方案不作考虑)：

(2)

(3)

式中v自由出流——自由出流情况下龙口顶部流速,m3/s；

v淹没出流——淹没出流情况下龙口顶部流速,m3/s；

m——流量系数，取0.354～0.385；

g——重力加速度，m/s2；

α——流量分布修正系数，取1.19～1.10；

φ——流速系数，取0.92～0.96；

H外——库外水位，m；

H口门——口门底槛高程，m；

H内——库内水位，m；

Z——库内外水位差，m。

2.4.1.3 围区东堤龙口涨潮流速计算

根据水量平衡原理及流速公式，计算C-2围区东堤龙口的水位过程线，再根据内外水位过程线，求得流速过程线，然后假设东堤龙口不同口门尺寸和底槛高程，得到流速最大值。

根据相关资料和类似工程经验，为提高龙口合龙安全系数，本工程龙口流速控制值取4m/s。流速是合龙过程中最重要的控制因素，由于涨潮流速大于落潮流速，本方案仅计算涨潮流速，计算结果见表1。

表1 不同口门尺寸涨潮最大流速 单位：m/s

根据表1可知在口门宽度在125～150m，底槛高程在+3.75～+4.35m时，最大流速可控制在4m/s以下，用平立堵交叉的方式对龙口进行合龙。绘出龙口最大流速的等值曲线，见图4，根据图4分析得到合龙过程线。

图4 龙口合龙过程线

2.4.2 东堤龙口封堵

在南堤贯通与东堤衔接后，进行东堤龙口的封堵。东堤龙口采用低潮平堵，立堵进占，平立堵结合的方式进行。龙口封堵施工步骤如下。

2.4.2.1 龙口口门进占缩小

采用平立堵进占法分两期进行填筑缩小龙口，利用退潮间歇抛石逐步进占，合龙过程中控制最大流速为4m/s，平立堵施工示意见图5。

从龙口(B=200m，h=3.5m)开始压束，先平堵到h=4.10m(完成①)，再立堵到B=125m(完成②)，在这段过程中最大流速不超过4.0m/s，过此点后平堵到4.5m(完成③)，此时已高于潮位，继续进行推进至标高+5.5m，再立堵至B=50m直至完成合龙。在h=4.5m后，最大流速逐渐减小至4.0m/s以下，最后平堵到标高+5.5m堤身基本出水后，抓紧时间进行龙口段抬高至标高+8.0m(合龙期最高潮位6.0m)，确保安全，至此龙口合龙。合龙后做好堤身各部位检查。图5仅做平立堵步骤示意图，图中②和③、③和④在施工过程中根据实际情况是同步施工的。

2.4.2.2 龙口堤头防护

龙口宽度由原200m逐渐缩小后直至截流前，该位置是水流进出的唯一通道，因此该龙口位置必须在原抛石护底基础上采用部分大块石(不小于150kg)进行口门两侧堤头一定范围的抛填保护。

图5 龙口平立堵示意 (单位：m)

2.5 施工强度及机械配置

2.5.1 施工强度计算

根据预留龙口尺寸，完成整个合龙预计需要石料约8400m3，总体施工进尺见表2，龙口卸料强度计算见表3。

表2 龙口进尺方量计算

表3 龙口卸料强度计算

表2、表3计算结果显示，单车从料场装料、龙口卸料整平到回料场装料总需时约为84min，按6月7日潮期7h计算，则该段时间内可填料约4625m3，满足压缩龙口至125m需要4200m3石料的要求，在6月8日，运输强度也满足余下4200m3石料的填筑要求。

2.5.2 机械配置

根据6月7日堵口时抛石用量和抛填强度计算，充分考虑机械意外故障率，龙口东堤头、南堤头各配置2100m3自卸汽车17辆备用3辆，共37辆； 南、北两侧堤头各配置PC200型挖掘机1台备用1台，共4台，南、北两侧堤头各配置装载机1辆备用1辆，共4辆。在合龙过程中，上述机械配置满足施工要求，做到了有备无患。

3 合龙过程中应注意的问题

根据本工程地质情况以及各堤回填堤心石过程中的沉降位移观测数据对比分析，在东堤合龙过程中可能发生的最大风险是抛填加载过程中出现异常沉降，按施工技术要求及同类工程施工经验，在龙口合龙过程中应注意以下问题：

a.在龙口合龙推进过程中项目部负责人全程指挥。

b.必须做好人力、物力、机械的统一调度安排。

c.龙口合龙前现场提前进行备料。

d.延长龙口处外海侧护底的长度，从堤轴线往外72m到块石棱体位置，护底尽量用大块石(不小于150kg)压紧压实，作为围堤压载。

e.在龙口构筑完成、护底做好之后加强该段围堤的沉降位移观测。在实际施工过程中，围堤沉降位移观测数据在设计控制数据范围内。

4 结 语

如果采取水陆结合，从东堤、南堤两侧同时推进合龙，需预留的龙口宽度相应增加，地基处理只能等到低潮露滩时进行，施工进度不满足要求，且容易造成冲刷无法保证龙口处地基处理的施工质量，且水上施工，施工成本相应增加。而本工程先选取南堤作为围区进出水口，低潮时按设计要求的工序先在东堤形成龙口断面，再利用东堤龙口作为围区进出水口，然后进行南堤推进合龙，最后推进东堤合龙。此施工方法既分散了水流，减小了单一口门承受过大的压力，又保证了围堤施工质量，且避免水上施工，施工成本没有增加，施工难度降低，提高了合龙安全性，此施工方法经济合理，技术可行，值得推广应用。