绞吸挖泥船吹填工艺在红树林滩涂高程改造中的应用

2021-01-28程鹏

中国港湾建设 2021年1期

程鹏

（中交广州水运工程设计研究院有限公司，广东广州 510220）

0 引言

红树林是生长在热带、亚热带海岸潮间带滩涂上的木本植物群落，在维持滨海湿地生产力、生物多样性、环境及海岸安全等方面发挥着巨大的作用[1]。随着我国经济的发展，大面积红树林遭受围填海的破坏[2-3]，水产养殖等人为活动进一步恶化了红树林的生长环境，红树林及其宜林滩涂保存量迅速减少。2004 年印度洋海啸事件后，红树林的保护与恢复工作越来越受到重视，在十三五期间，“南红北柳”被当做生态修复和海岸防护的重要内容。2020 年，自然资源部、国家林业和草原局联合印发了《红树林保护修复专项行动计划（2020—2025 年）》，提出到2025 年，计划营造红树林9 050 hm2。

红树林的宜林滩涂高程宜介于平均海平面（或稍上）与回归潮平均高潮位之间，涨潮时根部被海水淹没，退潮时滩涂全部出露。实践证明，在低高程滩涂造林很难获得成功[4]。目前合适高程的红树林宜林滩涂较少[1]，人工营造红树林中一项重要任务即为对滩涂高程进行改造。本文以汕尾品清湖蓝色海湾项目红树林湿地建设为例，对绞吸船吹填淤泥增高滩涂施工方法进行探讨，为类似项目的施工提供借鉴。

1 项目概况

本项目的红树林湿地位于中国第一大潟湖——汕尾市品清湖东南部海岸潮间带，通过围埝后回填淤泥提高滩涂高程，形成总长约800 m、宽约30 m 的人工造林宜林滩涂，回填后滩涂目标高程1.0 m，滩涂净回填量约3.9 万m3，种植形成面积约2.4 万m2红树林湿地景观带，整个项目施工工期11 个月。围埝由4 层大砂袋结构组成梯形断面，顶宽2 m，底宽9 m，顶标高1.5 m，内侧坡比1颐2，外侧坡比1颐3。顶层砂袋沿轴线方向每30 m 预留排水口作为红树周期性浸水排水通道，排水口宽0.5 m，高0.5 m。场地泥面标高-0.5~0.1 m，回填区泥面标高-0.2~0.1 m，场地后方为钢筋混凝土海堤，海堤顶标高4.7 m。项目平面布置如图1 所示。

图1 项目平面布置图Fig.1 Project layout plan

1.1 自然条件

1）水文

区域潮汐为不正规日潮，海域潮差小，平均潮差在0.73~0.93 m 之间，最大潮差均在3.0 m 以下，属于弱潮区。高程基准面采用1985 国家高程基准面，设计高水位1.34 m，设计低水位-0.36 m。

2）地质

地表为淤泥，该层在区内广泛分布，钻孔揭露层厚0.5耀9.1 m（未揭穿），平均层厚3.85 m；灰色、深灰色，饱和，流塑，含少量有机质，局部混杂少量粉细砂、贝壳，脱水后干强度较高。主要物理力学指标平均值如下：天然重度酌=15.80 kN/m3，天然含水量W=66.6豫，液性指数IL=1.67，孔隙比e=1.8，压缩模量ES=1.89 MPa，有机质含量平均值为6.9%。

1.2 项目特点

1）水深较浅。红树林生长于海岸潮间带，一般位于水深较浅区。本项目计划采用小型绞吸船近地取土吹填种植场地。取土区泥面标高-0.5~+0.1 m，低潮时水深不足0.5 m，大潮高潮时水深约2 m，给施工带来较大困难。

2）滩涂目标高程较低。作为红树林种植的基质，滩涂需要周期性浸泡潮水，吹填后目标高程应根据红树林适宜生长的滩涂高程确定。一般来说，红树林在高潮应淹没根部，保证树苗有足够的水量浇溉，退潮时应露滩，保证根部呼吸。本项目吹填目标高程为1.0 m。

3）吹填土工程性质差，易流失。红树林一般生长在海湾河口泥滩盐渍化沼泽上，适宜生长的土有机质含量较高，土壤颗粒组成较细，该类土一般高含水量，力学性质差，不易形成稳定边坡。此外，高潮水位高过围埝顶高程，整个吹填区位于水下，吹填土易流失。

4）取土区距离吹填区较近，应注意围埝和吹填区整体稳定性。结合本项目场地地质条件，选取水域表层淤泥作为吹填土，取土区位于吹填区围埝外一定距离。

2 施工准备

2.1 吹填标高与吹填工程量预估

1）吹填标高

吹填高程应按设计使用高程加上完工后由于地基加固和沉降所需的预留高度确定，本项目不涉及地基加固，设计吹填高程主要取决于沉降。将沉降分为2 部分，第1 部分为由于吹填淤泥堆载引起的地基压缩变形，第2 部分为吹填淤泥本身干缩引起的变形。

吹填淤泥堆载按1.2 m 高土柱的自重计，为22 kPa，荷载较小，引起的地基最终沉降较小。吹填区地基土为饱和淤泥，透水性差，在上部吹填淤泥的堆载作用下，孔隙水压力难以消散，固结十分缓慢，完全固结沉降所需的时间达几年甚至更久[5]，因此地基压缩变形较小且发展缓慢。此外红树林成林后，对滩涂具有促淤作用，可弥补后续地基压缩沉降，因此可以忽略地基压缩引起的变形。

吹填土本身干缩变形是由于吹填后滩涂晾晒失水引起的，失水只发生在滩涂表层，引起的干缩变形有限，保守起见，取为0.2 m。综上，吹填高程取1.2 m。

2）吹填工程量

吹填工程量包括吹填容积量、地基下沉量和超填量，并考虑流失率[6]，按式（1）计算：

式中：V 为吹填设计工程量，万m3；V1为吹填容积量，万m3，按V1=3.9+2.4伊0.2=4.38 万m3；驻V1为竣工验收前原地基沉降量，万m3，取0；驻V2为超填工程量，万m3，按完工后吹填平均高程不允许低于设计吹填高程控制[5]，驻V2=2.4 伊0.2=0.48万m3；P 为吹填土进人吹填区后的流失率，%，取30%。经计算，吹填设计工程量6.94 万m3。

2.2 施工船舶与工艺选择

针对项目总吹填量较小、疏浚土开挖容易、疏浚区水深浅等特点，选择可拼装小型绞吸船，船舶主要参数见表1。疏浚土为淤泥质土，水力输送性好，采用“绞吸船挖泥—管路输送—吹填区”工艺流程。根据以往施工经验，吹填淤泥时泥泵管路流量Q 约为1 000 m3/h。

表1 施工船舶主要参数Table 1 Main parameters of construction ship

2.3 施工效率测算

1）时间利用率

项目吹填区高潮没顶，位于水下，为保证吹填淤泥不被潮汐带走，需趁中低潮作业。涨潮漫过围埝顶前约1 h 停止吹填作业，保持吹填区的泥浆不被扰动，静止沉淀一段时间，降低高潮没顶时吹填区泥浆扩散流失。一个潮汐周期中，可作业时间从高潮退潮至围埝顶高程以下开始，经历低潮再涨潮到围埝顶高程前约1 h 截止，施工只安排白天实施，根据潮汐规律统计，每日平均吹填作业时间约6.5 h，时间利用率S=0.27。

2）生产率与工期计算

泥泵管路吸输生产率W 主要与土质、泥泵特性和管路特性有关，按泥泵管路流量Q 伊泥浆浓度籽计算，Q=1 000 m3/h，籽取20%，W=200 m3/h，吹填施工工期T 按式（2）计算。

经过计算，吹填工期为54 d，满足工程进度要求。

3 施工过程

3.1 取土区布置

取土区布置主要在于确定2 个参数，即取土开挖边线到围埝的距离和取土底标高，而这2 个参数又相互影响：为了确保吹填区和围埝的整体稳定性，取土底标高越低，则要求取土边线到围埝的距离越大。为了合理确定这2 个参数，图2给出了一个简便计算示意图：1）根据地基土的天然重度、天然含水量、液性指数、孔隙比等，结合工程区域的工程经验确定取土区的水下挖槽边坡比[6]，以本项目为例，坡比取1颐10。2）根据船舶挖深、开挖超深和取土区土层条件，合理确定取土底标高。本项目吹填土要求为淤泥，淤泥层底标高-3.6 m，船舶开挖超深按0.4 m，取土底标高-3.2 m，在船舶挖深范围。3）从吹填区顶标高到取土区底标高，按照挖槽边坡坡比放坡，再考虑富余距离，即得到开挖边线到围埝的距离。

图2 取土区边线计算示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation of the borrow area boundary

3.2 吹填管口与排水口布置

淤泥质土经吹填后极软，排水缓慢，需要很长的泥浆流程来沉淀，结合项目吹填区长条形的特点，吹填区内部不布置管线，吹填管口沿着围埝自北向南布置，共布置4 处。1 号管口位于最北端，2 号、3 号管口向南依次间隔210 m，4 号管口位于最南端，从1 号向4 号依次吹填。不专门设置吹填排水口，利用围埝顶预留的排水口，排水口底标高1.0 m，宽0.5 m，每30 m 一道，排水口两侧预备袋装土，根据吹填排水需要，封堵或打开排水通道。吹填管口与排水口布置见图1。

为尽量延长泥浆流程，保证吹填物充分沉淀，减少流失，只利用最南端排水口，其余排水口在吹填期间用袋装土封堵。排水口按溢流堰计算排水能力[5]，溢流堰宽度b 按式（3）计算：

式中：b 为溢流堰宽度；m1为流量系数，查表保守的取为0.419；籽为吹填泥浆浓度，%，取20%；g为重力加速度；H 为溢流水头，m，取0.4 m；K为修正系数，根据经验可取1.3；Q 为进人吹填区的泥泵管路流量，按1 000 m3/h 计算。推算当溢流水头H 取0.4 m（预留0.1 m 富余），排水溢流堰宽度b 取0.61 m，即只需开2 个0.5 m 宽排水口，即可满足排水能力要求。1 号~3 号管口距离排水口的距离分别为670 m、430 m、220 m，3 号管口吹填泥浆流程较短，通过降低吹填总流量，以保证泥浆能有效沉淀。

3.3 吹填施工

绞吸船乘高潮移至吹填取土区，靠近1 号吹填管口，船身纵向与围埝轴线平行，铰刀头朝南，抛左前和右前锚，下钢桩，接通排泥管线，除远离吹填管口的2 个排水口外，其余全部封堵。绞吸船开工布置图见图1。通过试挖，获得船舶最佳的生产率，并确定优化泥泵转数、铰刀前移量、切泥厚度、铰刀转数和横移速度等操作参数。同时，在船舶起始位置挖出一定水深的水域，避免低潮时船舶搁浅，影响施工。

采用横挖法施工，挖槽宽度15 m，分层厚度1 m，船舶边开挖边前移。加强排泥口泥质观察，若排泥口堆积粗颗粒土或贝类，有“起滩”现象，吹填土质与地质情况不符时，则立即调整挖泥船，避开此类土。图3 为吹填淤泥施工。

图3 吹填淤泥施工Fig.3 Construction of reclamation sludge

吹填施工分3 步：1）吹填区沿排水方向立若干水尺，观察整个吹填区泥面标高变化，当吹填泥面高度达到1.0 m 时，即转移管线至下一个吹填管口，依次完成1 号~3 号吹填管口作业。2）4号管口吹填采用小流量，反向排水方法施工，即封堵南段的排水口，打开北侧若干排水口，逆坡吹填直至整个吹填区泥面达到1.0 m。3）封堵所有排水口，缓慢将整个围埝区吹填至围埝顶标高，静置后排干吹填区水，反复几次，完工时滩涂面标高达到1.2 m。

3.4 滩涂晾晒

工程实践表明，吹淤体晾晒0.5 a 可形成10耀30 cm 的硬壳层，晾晒1 a 可形成30耀50 cm 的硬壳层[7]。为保障后续红树栽植工序，新吹填形成的滩涂需晾晒固结达到一定强度。由于围埝顶高程在高潮位以下，晾晒过程中滩涂每日会浸泡数小时。为尽量减少滩涂浸水时长，涨潮阶段将排水口封堵，退潮阶段打开排水口尽快排干水。

晾晒固结有以下几个阶段：吹填刚结束的滩涂，淤泥呈流动状态，含水率极大；经过30~40 d的浸水曝晒循环后，滩涂基本成形，表面形成光滑泥皮，无裂缝，竖直插入细竹竿后能保持倾斜姿态；经过50~60 d，滩涂周边出现裂缝，不成片，深达10 cm，竖直插入细竹竿后能保持竖直姿态，具有一定强度，个别区域具备一定的承载力，借助荆笆可进行红树栽植，但新种红树易倒伏；经过75~90 d，滩涂具有较大承载力，工人陷入滩涂淤泥深度不超过50~60 cm，可大面积种植红树。

4 质量控制要点

1）吹填土质。严格按照地质条件和设计要求的回填土质吹填施工[8]，开挖较深地层的硬质土，含砂量高的土虽然更容易吹填成滩，但将导致红树林种植存活率大大降低。以本项目为例，淤泥质土基质种植红树成活率在90%以上，而硬质土基质的成活率不足50%。

2）滩涂回填平整度。目前针对红树林滩涂回填平整度偏差，规范[9]规定，未经机械整平的淤泥类土，高程最大允许偏差为依0.6 m，经过实践验证，不完全适用。分析如下：红树林的生长，需要退潮时滩涂全部出露，按滩涂高程最大允许偏差依0.6 m 控制，极易形成大大小小的洼地，退潮无法畅通排水，导致红树死亡。因此，红树林滩涂回填应尽量平整，最大允许偏差依0.15 m 为宜，或者形成面向排水口方向的微坡。

3）排水区滩涂护底。滩涂排水口处水流被束窄，流速大，淤泥质土易被冲刷，形成洼地。在排水口附近铺设土工布护底，可较好地解决冲刷问题。