大潮差下圈围工程龙口抛石截流的实践分析

阚兴辉，王剑春

（上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

引 言

1 龙口保护

1.1 龙口护底结构

以往工程实践表明，在大潮差海域中实施抛石截流，当截流流量、落差、龙口流速均较大时，如保护措施不当，会因滩面海床抗冲刷能力小，受潮水冲刷和水流影响形成冲刷破坏，严重的还会造成护底结构破坏甚至导致围堤失稳坍塌等，危及施工作业人员安全，延长龙口合龙的整体施工时间。

根据工程区域水流数模分析成果及滩地土层特性分析，本工程龙口护底结构采取抗冲材料进行覆盖保护。为保证排体铺设后的抗掀动稳定效果及与后续堤身加载材料的良好接合性，原滩面为一层混合软体排（排体两端为混凝土联锁排，中间为砂肋软体排）。上部再构筑通长袋装砂，形成整体稳定性较好的围堤堤基结构。

1.2 堤头保护

抛石截流施工正式开始前，需要对龙口两侧的围堤端头进行防护，防止进出龙口水流反复冲刷造成堤头破坏。首先，对龙口两侧袋装砂围堤放缓坡施工，改善龙口两侧堤头的水流态势[1]；其次，对堤头两侧的堤坡进行防护，龙口两侧围堤袋装砂结构选用抗冲刷能力更强的复合布作为充灌袋材料，增强堤头的抗冲刷能力。

2 增强抛投截流物的稳定性

从式（1）可以看出，增强抛投截流物抗冲稳定性[2]需要从以下两个方面进行着手。

2.1 预平抛垫底

抛投材料确定后，材料容重γ和直径D即确定，龙口合龙前，龙口水深H也已确定，如若将基面粗糙程度从△=0增加到△=D，则抗冲刷系数K也由0.65增大为1。实际抛投过程中提高基面糙值的方法就是在截流正式开始前采用大粒径的块石进行预抛垫底。此时，要求抛投块石需全线均匀抛洒，避免在局部堤段过度集中形成雍包，影响龙口过水水流。

平抛垫底高程的确定需兼顾增强截流块体抗冲稳定性和便于施工组织安排两方面的要求。通过室内数模计算试验，比较了在龙口束窄至300 m口门宽度下预平抛垫底至不同高程下的龙口流速情况。

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表1 300 m宽口门垫底至不同高程下的龙口流速

通过表1可以看出，随着抛石高程的抬高，龙口处过水的最大流速逐渐增大，抛填至-1.0 m以下时，流速均不超过3.0 m/s，处于相对安全的流速范围内。平抛垫底还需考虑抛石材料组织上的相关问题，尽可能一次性抛石到所需高程。通过断面计算，比较了预平抛垫底至不同高程所需的工程量，见表2。

综合考虑龙口口门宽度、水流条件、船舶作业半径等，300 m的龙口口门上最大可以等间距布置7艘1 000 m³抛石船舶进行预抛垫底，一批次可完成约0.7万m³石料抛投。结合表2，选择预抛垫底至-2.5 m高程。

表2 300 m宽口门垫底至不同高程所需的抛石量

2.2增大抛投物容重增强稳定性

从式（1）可以看出，增大抛投物容重能够增强抛石截流堤的整体抗冲刷稳定性。

1）抛投物重量增加，块体通过自身重量抵消水流抗冲流速；

2）在抛投物容重保持不变的情况下，容重增加后，体积将会减小，水流流速会呈现表层流速大于底层流速的特征，这也为抛投物的稳定创造了有利条件。

3 抛投截流物的选择

3.1 抛投截流材料

与混凝土体相比，块石容重较大，一般可达2.7 t/m³以上，而混凝土只有2.4 t/m³左右，故在相同的龙口流速中更能保持稳定。这也可以从下面的简单比例关系中得到一些基本概念（假定两者稳定系数大体相同）[3]：

式中：γs、γc分别表示块石、混凝土的容重；Dc、Ds分别表示混凝土、块石的化引球径。

经计算推导，在选择截流抛投材料时，同样大小的水流流速下，1 t重的块石相当于1.82 t重的混凝土块体。因此，在抛投截流材料的选择上宜优先选择块石。

3.2 截流中前期抛投块体粒径选择

采用适当的小粒径材料抛投，是为了使抛填材料入水后，不至于立即停留在坡面上，而是沿着重力与水流对抛投料推力的合力方向到达抛投基面。同时，绝大部分抛投材料到达海床后，在水平方向的滚动距离不会超出抛石围堤轮廓范围，围堤可以形成稳定的坡度。

抗剪强度试验[4]表明，当大小粒径的块体能够相互包裹填充空隙形成骨架密实结构时它们的内摩擦角均小于块体尺寸较均匀的内摩擦角。块径相差大的混合料抛投入水后，细粒料会流失，块径过大的块石在坡面嵌填形成不稳定坡面。而粒径相近的块体由于形成的坡面平整，孔隙率高，抛石堤的透水率大，更有利于抛投块体在水流作用下，尽快移动至更稳定位置，有利于边坡稳定。

因此，抛石截流中前期，在水深深、流速小的情况下，抛投料的块径应尽量均匀。采用的合理粒径应能够在重力及水流冲击力作用下推动，以避免嵌锁在坡面中上部，并能尽快移位至更稳定位置，又不致流失。建议按修正后的伊兹巴斯公式计算：

式中：v为龙口流速，m/s；γm、γ分别为块石及水的容重，kN/m³；de为抛投料等值粒径，m；ΔPi为块石粒径di的重量占比；K为系数，单个块体抛投为0.85，群体抛投混合料为0.92，群体抛投均匀料为1.05[3]。

由式（2）可以计算出本项目抛石截流中前期的抛投料等值粒径为0.1～0.4 m，控制0.2～0.3 m的块石含量应大于50 %。

3.3 截流后期抛投块体粒径选择

在龙口水力条件进入最不利区段后，允许抛投物少量流失和不允许抛投物流失，对块体重量的差别影响很大。ICOLD统计资料[3]可供参考。

实践表明，在水流流速较大时抛投的块体更容易流失，但只要这些块体未超出抛石截流堤设计范围边线，就会造成壅水，减小后续抛投时的水流流速，从而有利于后续抛投石块的稳定。如果不允许抛投块体流失，则会导致抛投的单个块体重量增加。

根据现场实测，本工程截流过程中的最大水位落差达2 m，根据表3统计数值，在进入截流最困难区段，即现场水位落差、水流流速较大的情况下宜选用大重量块石进行截流，考虑到单纯使用大粒径块石运输不经济，同时进入截流困难区段后，抛石堤顶宽度收缩变窄，大粒径块石抛投后受水流冲击易滚落影响抛投效果。现场采取尼龙网兜石代替大粒径块石进行困难区段的抛投。尼龙网兜石由于级配均匀，块石间相互嵌挤紧密，同时较大的接触表面积也使其与先前构筑的抛石堤能够更好的接合，整体性较好，能够起到很好的截流挡水效果。

表3 所需块石单个重量（γs=2.7t/m3）

4 运用围堤宽度效应降低截流难度

在大潮差、大流量龙口合龙时，减轻合龙难度比较常见的方式是采用较宽的抛石截流堤进行合龙。较宽的抛石宽度使流经龙口的水流落差分散，由于抛石围堤宽度增加，沿程阻力变大，单位时间内通过龙口的水流流量减少，在截流时减轻了施工难度，对截流材料的流失起到了很好的抑制作用。但龙口抛石截流的围堤堤顶宽度也需要进行控制，因为顶宽越宽，相应要求抛投的石料越多，施工成本越大，而且不一定能达到预期的减速效果。本项目抛石截流围堤设计顶宽6 m（同非龙口段抛石堤堤顶宽度相同）。在实际施工过程中，由于围堤内外侧水位落差较大，经现场水位监测最大落差接近2 m，抛石截流堤堤顶按照6 m宽度施工时出现了局部堤段被水流冲开的情况。

图1 围内围外侧水位差值

根据肖焕雄教授等[3]关于围堤龙口水流特性的研究成果，当龙口综合糙率，过水流量及底宽一定时，围堤顶宽α与行近水头H0之比呈现出三种情况：

1）α/H0≤2～3时，水面线呈单降，仅有一次跌水，围堤中心处水深hc大于临界水深hk，此种流态与顶宽不足的宽顶堰流态类似；

2）当α/H0＞2～3时，水面线有2次跌落，且当α/H0较小时，围堤中心处水深hc较单降水面线时的hc有所降低，但仍大于临界水深hk，且（hc-hk）/hk随α/H0的增加而增加。堤顶宽度改变后的水面线形态[5]见图2。

图2 堤顶宽度改变后的水面线形态

根据理论模拟计算推拟，不同围堤顶宽对应的最大流速Vmax计算结果见表4，最大流速变化趋势如图3所示。

表4 最大流速计算

图3 最大流速变化趋势

从上述图表能够看出，随着抛石截流围堤顶宽逐渐增大，最大流速逐渐减小，在顶宽＜9 m时，流速减小最快；当围堤宽度增加到10 m之后流速虽继续减小，但减小的趋势放缓，最后流速趋于稳定。由此可以得出，抛石截流围堤宽度增加到一定程度后，再增加围堤宽度对降低水流流速的影响几乎很小。因此，在抛石截流实施之前需先确定合适的堤顶宽度。

5 锁坝的合理运用

抛石截流抛投材料是否稳定主要取决于龙口流速大小，如能减小截流过程中的过流流速，则会大大降低龙口截流的施工难度。根据本工程现场水文测验分析，涨落潮水流基本平行于围堤轴线。抛石截流围堤抛投出水形成淹没流后，由于此时仅有龙口口门处可以过水，在无法改变龙口过水断面尺寸的情况下，龙口两侧外海侧水流通过口门快速向围内汇集，形成较大的穿沟流速。

现场施工时通过在外侧抛石截流堤与袋装砂棱体之间构筑锁坝阻断由龙口两侧汇入的穿沟水流，减小单位时间龙口过水量，从而降低龙口流速。

图4 龙口形成及两侧锁坝示意

6 结 语

滨海综合会展中心等围填海项目抛石截流开始前首先构筑护底结构及袋装砂堤头裹头防护以保护龙口，通过精确的水文预报选择有利天气进行施工。按照设计计算方量并考虑一定的风险系数安排运输船舶进行备料。综合考虑口门宽度、水流条件、抛石需求量等因素，300 m龙口等间距布置7艘船舶，分6个批次选择高平潮前1 h的流速较小时段进行抛投，第一批次7艘船舶平抛垫底至-2.5 m高程，增大原始滩面粗糙度以增强后续抛投块体的抗冲稳定性；随后 4个批次抛投等值粒径为 0.1～0.4 m的混合料直至达到计算顶宽；进入龙口水力条件最不利阶段后，采用网兜石压顶，确保围堤整体挡水效果。期间抛石围堤每推进50 m构筑一道锁坝降低龙口流速，减小截流难度。项目历时3天完成约4万m³抛石，顺利实现龙口截流。