大型圈围工程单龙口构筑及合龙施工方法研究

于涛 白海鹏 袁晨晨

摘要： 大型圈围工程采用单仓圈围方案和单龙口合龙方式时，工程投入少、施工效率高、经济效益好，但目前关于此类设计施工的理论研究和工程实例却不多见。在系统总结上海南汇东滩N1库区消纳工程渣土应急圈围工程单仓圈围设计和单龙口合龙实践经验的基础上，深入论述了布设位置、底坎高程、布置形式等单龙口设计的关键技术要点，对比分析了单仓圈围工程单龙口合龙的施工效率、经济效益及对施工工况的适用性，并通过龙口口门附近流场的数值模拟和水力参数分析，设计了龙口的构筑和防护方案，总结形成了适用于大型圈围工程单龙口合龙的施工工艺方法，以期为类似工程提供借鉴。

关 键 词： 圈围工程; 单仓圈围; 龙口构筑; 合龙施工

中图法分类号：  U655

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.025

0 引 言

随着中国经济社会的飞速发展，沿海地区的土地资源日渐短缺[1-2]，所以围海造陆工程大量兴建[3-5]。圈围工程施工的关键在于龙口的合龙。以往大型圈围工程通常采用建设围梗[6-7]、分割围区[8-9]、设置多龙口进行合龙的分仓圈围方式，但已不能满足沿海城市快速有效获取土地资源的迫切要求[10]。特别是当圈围工程的单体圈围面积巨大时，以往方法的施工量会更大[11-12]、施工工期会更长、工程投入也会更多[13-14]。大型圈围工程若采用单仓圈围的方案，设置单龙口进行合龙，是最为快速、经济、有效的施工方式，也具有较好的推广应用价值和前景[15-17]。但是，单仓单龙口合龙方式会使龙口处的汇水量集中，进出口门水流的冲刷力增强，极大增加了龙口构筑、保护及合龙的难度。而且圈围工程外侧通常为开阔水域，施工区域气象、潮汐、风浪以及地质等条件非常复杂，施工作业天数少。另外，选择单仓单龙口合龙方式，也会使施工工作量集中，作业内容增多，施工强度加大[6，18]。所以，大型圈围工程选择单仓圈围方案和单龙口合龙方式时，综合分析确定合理的龙口构筑和保护方案，创新开发科学的单龙口合龙施工工艺，就显得尤为重要。但是，目前关于此方面的理论研究和工程实例较少。基于上述考虑，本文在系统总结浦东新区南汇东滩N1库区消纳工程渣土应急圈围工程单仓圈围设计和单龙口合龙实践经验的基础上，深入论述了单龙口设计的关键技术要点，对比分析了单仓圈围工程单龙口合龙的施工效率、经济效益及对施工工况的适用性，并通过龙口口门附近流场的数值模拟和水力参数分析，设计了龙口的构筑和防护方案，总结形成了适用于大型圈围工程单龙口合龙的施工工艺方法。

1 工程概况

南汇东滩N1库区应急圈围工程位于上海市浦东机场外侧已经建成的滩涂促淤圈围工程与大治河延伸段之间。该工程的圈围面积约为14.67 km2，由北堤、东堤、南堤3条圈围大堤构成，其中北堤长2 250 m，东堤长5 455 m，南堤长3 508 m，圈围大堤总长11 213 m，如图1所示。围内成陆设计回填高程4.5 m，消纳工程渣土总方量为3 900万m3。

工程所属区域潮汐为非正规半日浅海潮，潮流的流向均为往复流，并与沿岸岸线平行，单潮平均周期为12 h 25 min，潮波以前进波为主。多年统计资料表明，该型潮波的潮差较大，平均潮差可达5.92 m。圈围工程区域处于长江入海口，入海口外潮流具有旋转流的性质，入海口内潮流由于受到河岸的约束，呈现为往复流的性质。进入口门之前的潮流流速与外海潮流流速基本一致，进入口门之后的潮流流速与潮位存在相位差。工程所在的南槽水域水流流速较大，最大流速为2.88 m/s。

圈围工程位于长江口，波浪以风浪为主，盛行浪向与盛行风向颇为一致，龙口所在的东堤在原促淤堤内侧，两堤中心线距离远大于半个波长，堤前滩地底高程在1.0～2.0 m之间，高于多年平均低潮位（0.77 m）和200 a一遇低潮位（-1.03 m），主堤堤前平均波高约为2.13～2.22 m，波周期约为7.41～7.56 s。

圈围工程位于长江三角洲的东南端，长江河口口门段南侧滩涂，面临东海，水域开阔，拟建场地属于河口、砂嘴、砂岛近潮坪地貌类型。在勘察所揭露的深度范围内，地基土上部主要为软流塑状的黏性土和松散～稍密状的粉性砂土，下部为中密～密实状的粉土、粉砂，土层分布尚稳定，属第四纪全新世Q4以来的滨海～河口相、滨海～浅海、滨海～沼泽相沉积层。中下部为河口～湖沼、河口～滨海相沉积层（Q4）。

2 单龙口设计技术要点

2.1 龙口布设位置

根据以往类似工程的施工经验，龙口位置的确定要依据以下3个原则进行：① 应尽量布设在两侧一定范围内的护底结构有较好抗冲能力的堤段，有利于龙口在保护期和合龙期的安全稳定;② 应尽量布设在滩面地势相对较低的位置，这有利于水流进出和龙口规模的控制;③ 应尽量避让周边已有或拟建的构筑物，可避免龙口所在位置普遍较大的水流对地形造成的冲刷破坏以及合龙期大量施工作业对船舶通行的影响。由于工程采用先促淤再圈围施工的方案，所以圈围大堤外侧已建有促淤坝，而且一期促淤工程已经实施完成。促淤坝坝顶高程3.7 m，内外侧均采用抛石和混凝土联锁块软体排进行护底防护，防护宽度分别为70 m和55 m。促淤壩设有一纳潮口，纳潮口现状宽度为2 200 m，底坎高程为1.0 m。根据龙口布置原则和纳潮口区域地形护底条件，选择在外侧促淤堤纳潮口段布设圈围大堤龙口。

2.2 龙口底坎高程

圈围大堤龙口底坎高程的确定，需要根据圈围大堤轴线处的现状滩面地形、多年平均低潮位及已有建筑物等条件综合分析考虑。根据该工程外围已建促淤坝纳潮口附近的地形测量资料可知，圈围大堤堤线滩面高程在0～1.0 m之间，圈围大堤堤线内侧现状滩面高程已经基本高于0.5 m，仅局部区域（拟布设龙口的位置处）还低于0.5 m，0.5 m等值线距离圈围大堤中心线最远约为200 m，圈围大堤外侧与促淤坝之间的底坎高程也低于0.5 m。另外，通过潮位分析报告可知，距离N1库区最近的中浚站观测到的多年平均低潮位为0.77 m。综合以上因素考虑，拟定原促淤坝纳潮口底坎高程维持1.0 m不变，圈围大堤龙口段底坎高程可取为 0.5 m，这不仅便于龙口所在位置圈围大堤堤身的软体排结构施工，也能够有效加大堤身所在位置的水深，有利于堤身段龙口的保护。

2.3 龙口布置形式

圈围工程经常采用的圈围方式有分仓圈围和单仓圈围2种，为了科学合理地选取圈围工程的圈围方式，以及在选定圈围方式后确定合理的龙口规模，依托该工程的实际情况，分别对分仓圈围和单仓圈围方案进行了对比研究。

（1） 分仓圈围。

分仓圈围采用的方式是在圈围所形成的库区中设置若干条横向分布的分隔堤，分隔堤数量的多少主要由总圈围面积或库容来确定[19]。由于该工程属于超常规库容圈围工程，故在库区中间位置设置一条横向分隔堤，将圈围围区分隔为2个面积大致相等的分围区，每个分围区的面积约为7.33 km2，使得分围区面积为常规围区面积。分仓圈围的特点是能够减小单体圈围库容，有效增加龙口数量，从而避免了因圈围库容过大而造成的龙口规模过大、进出口门的水量增加、龙口保护期防护成本增加和龙口合龙难度增大。依据该工程圈围大堤的设计标准，分仓圈围方案所采用的分隔堤长约3 km，顶高程为5.5 m，两侧边坡坡比1 ∶2。拟定每个分围区均设置一个龙口，2个龙口宽度相等，龙口宽度依次假定为400，500，600 m，并依此计算分围区龙口口门处的极值流速，计算结果列于表1。分析表1中的流速计算结果发现，分围区龙口口门处的涨落急最大流速为3.61 m/s。又根据对龙口结构设计方案、施工组织设计方案和工程具体情况的综合分析发现，保护期龙口处极值流速不宜超过3.50 m/s，故拟定将保护期龙口处极值流速（3.49 m/s）作为控制流速，由此计算得出龙口宽度为500 m，并以此作为分仓圈围方案保护期龙口宽度。

（2） 单仓圈围。

采用单仓圈围方案时，圈围面积14.67 km2，拟设置一个龙口，为超常规圈围库容。如果采用分仓圈围方案中分围区龙口口门处的涨落急最大流速（3.61 m/s）作为控制流速，则龙口在保护期内的宽度将达到800 m及以上，这对龙口的保护及后期收缩合龙非常不利，故此方案不可取。为了适当提高龙口口门处的控制流速，并以此来有效减小龙口宽度，要通过试算的方式来选定符合工程实际情况的单龙口宽度及所对应的龙口口门处的极值流速值。因此，在保证龙口外侧促淤坝纳潮口处的底坎高程均为1.0 m的条件下，初步拟定龙口宽度为800，700，600，500，400 m等5种工况，并计算了保护期内各宽度时龙口口门处的涨落急最大流速，计算结果列于表2。分析表2中的计算结果发现，相同工况下龙口口门处的涨急流速均高于落急流速，故应选取涨急流速作为控制流速。又通过对龙口结构设计方案、施工组织设计方案和工程具体情况的综合分析发现，保护期龙口处极值流速不宜超过4.0 m/s。综合以上考虑，拟定将保护期龙口处极值流速（4.0 m/s）作为控制流速进行龙口规模设计。分析表2中涨急流速分布可知，只有在龙口宽度不小于600 m时，龙口口门处的极值流速才会低于龙口控制流速（4.0 m/s）。因此，从保护期龙口安全、节省工程投资等方面考虑，确定单仓圈围保护期龙口宽度为600 m。

（3） 圈围方案适用性评价。

分仓圈围和单仓圈围各有优点，要依据具体工程的实际情况来选定。对比分仓圈围方案和单仓圈围方案发现，分仓圈围的围区为常规库容，围区龙口的保护可按常规设置，相应保护结构费用降低。如果选用分仓圈围方案，则分围区共有2个龙口，为满足龙口构筑、防护和合龙施工要求，共需设置4座泥库。该工程中分围区龙口构筑、防护费用估算值约为4万元/m，设置4座泥库的费用合计约7 000万元，所增加的3 km长分隔堤的建设费用约为4 000万元，加上抛石截流及土方闭气等，总费用约1.7亿元。而单仓圈围方案中设置的单龙口，其构筑、防护费用约为9万元/m，2座泥库费用约3 600万元，加上抛石截流及土方闭气等，总费用约1.0亿元。故此，该工程选用了单仓圈围和设置单个龙口的圈围方案。

3 单龙口的构筑及防护

由于南汇东滩N1库区消纳工程渣土应急圈围工程的圈围面积为14.67 km2，单龙口长度为600 m，保护期龙口口门处极值流速按照4.0 m/s控制，所以常规圈围工程案例中采用的龙口构筑和防护方法已不适用。因此，通过水动力数学模型对龙口口门附近平面二维流场进行了模拟，得到了涨落急流工况下的流场内水力参数及其分布情况，并据此进行了龙口的构筑和防护设计[20-22]。

在龙口水力计算过程中，设计潮型的选择十分重要。针对该工程，采用典型年的枯季大潮潮型作为规模计算潮型，该潮型为近年来非汛期发生过的较大潮差潮型，该潮型下施工区域内低潮位为0.09 m，高潮位为4.72 m，涨潮潮差4.63 m，比非汛期10 a一遇潮差还大0.13 m，如图2所示。

图3是涨落急流情况下的流场水力参数分布情况。由图3可知，保护期计算潮型条件下，龙口附近最大流速主要呈带状分布在促淤坝纳潮口段，该区域最大流速可达3.95 m/s，圈围大堤龙口段最大流速在2.50 m/s以下，促淤坝龙口段与圈围大堤龙口段之间区域最大流速在3.50 m/s以下，圈围大堤龙口段大堤堤脚边线以内保护范围最大流速一般在2.50 m/s以下，但在龙口内侧泥库拐角处最大流速可达3.00 m/s。根据上述分析所得到的龙口附近最大流速分布情况，最终确定促淤坝龙口段底坎保护按照4.00 m/s流速控制，圈围大堤与促淤坝之间区域和圈围大堤龙口段底坎按照3.50 m/s流速控制，圈圍大堤以内至大堤范围按照2.50～3.00 m/s流速控制。

依据前文数值模拟计算给出的各项水力参数，选取相应性能指标的各类防护排体进行了龙口的构筑和防护设计，龙口的平面布置及各种排体的组合结构如图4～5所示。

由图4和图5可知：在进行龙口构筑时，要先在龙口段滩面上铺设1层沙肋软体排，来防止水流对龙口段现状滩面的冲刷;然后铺设1层混凝土联锁块软体排进行整体压护，用以抵抗水流进出龙口造成的冲击破坏;再铺设2层通长充泥管袋，2层充泥管袋之间布设土工格栅作为加筋材料。在龙口护底结构实施完工后，利用单重2.5 t以上的网兜石笼进行压排镇脚，用以防止护底结构内外两侧边缘处被水流淘脚破坏。龙口两侧戗堤设置成缓坡形式，戗堤堤头处出露的通长充泥管袋利用沙肋软体排进行护面防护。龙口两侧堤头的内侧为受潮落潮水流冲刷严重的位置，用斜向C25混凝土联锁块软体排防护。为了增加自身的抗冲性能，龙口戗堤堤头内外两侧出露的充泥管袋形成的坡面之上，用1层380 g/m2的复合土工织布进行护面防护[23-24]。

4 单龙口合龙施工工艺

根据潮汐表预测的最小潮汛时间作为龙口合龙时间，龙口合龙施工采用立堵进占、平堵截流相结合的施工方法，如图6所示。具体实施方法如下：

（1） 利用布置在龙口两侧的两个泥库所配置的泥浆泵组灌注土工布袋两端下料进占戗堤，依据泥浆泵组的灌袋强度分别向龙口中心线推进一定宽度，高程为工程区多年平均高潮位;

（2） 两侧继续分若干次立堵进占，直至将龙口宽度缩窄至略大于保护期龙口处极值流速所对应的龙口宽度，立堵高程仍为工程区多年平均高潮位;

（3） 将龙口内已经立堵的部位，继续分次立堵加高至全线围堤充泥管袋外棱体高程（实测非汛期历史最高潮位）;

（4） 采用平堵法快速逐层抬高，各层袋基本保持同步抬升，直至将龙口平堵至工程区多年平均高潮位所对应的高程，实现龙口断流;

（5） 龙口断流后立即将外棱体平堵加高至全线围堤充泥管袋外棱体高程（实测非汛期历史最高潮位）;

（6） 外棱体合龙后，及时进行吹填堤心砂闭气和内棱体施工。

5 结 论

本文在系统总结南汇东滩N1库区消纳工程渣土应急圈围工程单仓圈围设计和单龙口合龙实践经验的基础上，深入论述了单龙口设计的关键技术要点，对比分析了单仓和分仓圈围方案的适用性，设计了龙口的构筑和防护方案，并总结形成了适用于大型圈围工程单龙口合龙的施工工艺方法。研究结果表明：大型圈围工程单龙口的布设位置、底坎高程、布置形式要依据围区潮流、地形、地质等条件综合选定;大型圈围工程选择单仓单龙口圈围方案，能够极大削减施工工作量、施工工期和工程投入，也能够有效提高施工的安全性;单仓单龙口构筑时运用多种排体逐层铺设，施工操作方便，投资较少且安全可靠，缩短了龙口保护施工工期，也极大提高了龙口保护结构抵抗水流冲刷破坏的能力;单龙口采用先立堵进占缩口、后平堵截流合龙的施工方法，施工作业时间短而集中，能够有效避免恶劣水文气象条件下施工机械调配、施工材料运输等因素对工程实施进度的影响，也能够使得龙口在保护期内过流均匀、不出现水流集中冲刷龙口护底结构的现象。

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（编辑：胡旭东）

引用本文：

于涛，白海鹏，袁晨晨.大型圈围工程单龙口构筑及合龙施工方法研究

[J].人民长江，2021，52（8）：166-170，178.

Closing construction of single closure gap in large-scale reclamation project

YU Tao，BAI Haipeng，YUAN Chenchen

（ Nanjing Changjiang Waterway Engineering Bureau，Nanjing 210098，China ）

Abstract：

When a large-scale reclamation project adopts the single warehouse enclosure scheme and the single closure gap method，it has advantages of low investment high efficiency and good economic benefit.However，the theoretical research and engineering examples of this design and construction are rare.On the basis of systematically summarizing the practical experience of single enclosure gap design and closing construction for reclamation project of slag soil landfill in N1 reservoir area of Nanhui Dongtan，the key technical points of single closure gap design such as layout position，bottom elevation and layout form were discussed.The construction efficiency，economic benefit and applicability to construction conditions of the project were compared and analyzed.Based on the numerical simulation and hydraulic parameters analysis of the flow field near the entrance of closure gap，the construction and protection scheme of the closure was determined，and the construction technology method suitable for single closure gap of large-scale reclamation project was summarized，providing reference for similar projects.

Key words：

reclamation project;single warehouse enclosure;closure gap building;closure gap construction