闞興輝，王劍春

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

引 言

1 龍口保護(hù)

1.1 龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)

以往工程實踐表明，在大潮差海域中實施拋石截流，當(dāng)截流流量、落差、龍口流速均較大時，如保護(hù)措施不當(dāng)，會因灘面海床抗沖刷能力小，受潮水沖刷和水流影響形成沖刷破壞，嚴(yán)重的還會造成護(hù)底結(jié)構(gòu)破壞甚至導(dǎo)致圍堤失穩(wěn)坍塌等，危及施工作業(yè)人員安全，延長龍口合龍的整體施工時間。

根據(jù)工程區(qū)域水流數(shù)模分析成果及灘地土層特性分析，本工程龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)采取抗沖材料進(jìn)行覆蓋保護(hù)。為保證排體鋪設(shè)后的抗掀動穩(wěn)定效果及與后續(xù)堤身加載材料的良好接合性，原灘面為一層混合軟體排（排體兩端為混凝土聯(lián)鎖排，中間為砂肋軟體排）。上部再構(gòu)筑通長袋裝砂，形成整體穩(wěn)定性較好的圍堤堤基結(jié)構(gòu)。

1.2 堤頭保護(hù)

拋石截流施工正式開始前，需要對龍口兩側(cè)的圍堤端頭進(jìn)行防護(hù)，防止進(jìn)出龍口水流反復(fù)沖刷造成堤頭破壞。首先，對龍口兩側(cè)袋裝砂圍堤放緩坡施工，改善龍口兩側(cè)堤頭的水流態(tài)勢[1]；其次，對堤頭兩側(cè)的堤坡進(jìn)行防護(hù)，龍口兩側(cè)圍堤袋裝砂結(jié)構(gòu)選用抗沖刷能力更強(qiáng)的復(fù)合布作為充灌袋材料，增強(qiáng)堤頭的抗沖刷能力。

2 增強(qiáng)拋投截流物的穩(wěn)定性

從式（1）可以看出，增強(qiáng)拋投截流物抗沖穩(wěn)定性[2]需要從以下兩個方面進(jìn)行著手。

2.1 預(yù)平拋墊底

拋投材料確定后，材料容重γ和直徑D即確定，龍口合龍前，龍口水深H也已確定，如若將基面粗糙程度從△=0增加到△=D，則抗沖刷系數(shù)K也由0.65增大為1。實際拋投過程中提高基面糙值的方法就是在截流正式開始前采用大粒徑的塊石進(jìn)行預(yù)拋墊底。此時，要求拋投塊石需全線均勻拋灑，避免在局部堤段過度集中形成雍包，影響龍口過水水流。

平拋墊底高程的確定需兼顧增強(qiáng)截流塊體抗沖穩(wěn)定性和便于施工組織安排兩方面的要求。通過室內(nèi)數(shù)模計算試驗，比較了在龍口束窄至300 m口門寬度下預(yù)平拋墊底至不同高程下的龍口流速情況。

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表1 300 m寬口門墊底至不同高程下的龍口流速

通過表1可以看出，隨著拋石高程的抬高，龍口處過水的最大流速逐漸增大，拋填至-1.0 m以下時，流速均不超過3.0 m/s，處于相對安全的流速范圍內(nèi)。平拋墊底還需考慮拋石材料組織上的相關(guān)問題，盡可能一次性拋石到所需高程。通過斷面計算，比較了預(yù)平拋墊底至不同高程所需的工程量，見表2。

綜合考慮龍口口門寬度、水流條件、船舶作業(yè)半徑等，300 m的龍口口門上最大可以等間距布置7艘1 000 m3拋石船舶進(jìn)行預(yù)拋墊底，一批次可完成約0.7萬m3石料拋投。結(jié)合表2，選擇預(yù)拋墊底至-2.5 m高程。

表2 300 m寬口門墊底至不同高程所需的拋石量

2.2增大拋投物容重增強(qiáng)穩(wěn)定性

從式（1）可以看出，增大拋投物容重能夠增強(qiáng)拋石截流堤的整體抗沖刷穩(wěn)定性。

1）拋投物重量增加，塊體通過自身重量抵消水流抗沖流速；

2）在拋投物容重保持不變的情況下，容重增加后，體積將會減小，水流流速會呈現(xiàn)表層流速大于底層流速的特征，這也為拋投物的穩(wěn)定創(chuàng)造了有利條件。

3 拋投截流物的選擇

3.1 拋投截流材料

與混凝土體相比，塊石容重較大，一般可達(dá)2.7 t/m3以上，而混凝土只有2.4 t/m3左右，故在相同的龍口流速中更能保持穩(wěn)定。這也可以從下面的簡單比例關(guān)系中得到一些基本概念（假定兩者穩(wěn)定系數(shù)大體相同）[3]：

式中：γs、γc分別表示塊石、混凝土的容重；Dc、Ds分別表示混凝土、塊石的化引球徑。

經(jīng)計算推導(dǎo)，在選擇截流拋投材料時，同樣大小的水流流速下，1 t重的塊石相當(dāng)于1.82 t重的混凝土塊體。因此，在拋投截流材料的選擇上宜優(yōu)先選擇塊石。

3.2 截流中前期拋投塊體粒徑選擇

采用適當(dāng)?shù)男×讲牧蠏佂?，是為了使拋填材料入水后，不至于立即停留在坡面上，而是沿著重力與水流對拋投料推力的合力方向到達(dá)拋投基面。同時，絕大部分拋投材料到達(dá)海床后，在水平方向的滾動距離不會超出拋石圍堤輪廓范圍，圍堤可以形成穩(wěn)定的坡度。

抗剪強(qiáng)度試驗[4]表明，當(dāng)大小粒徑的塊體能夠相互包裹填充空隙形成骨架密實結(jié)構(gòu)時它們的內(nèi)摩擦角均小于塊體尺寸較均勻的內(nèi)摩擦角。塊徑相差大的混合料拋投入水后，細(xì)粒料會流失，塊徑過大的塊石在坡面嵌填形成不穩(wěn)定坡面。而粒徑相近的塊體由于形成的坡面平整，孔隙率高，拋石堤的透水率大，更有利于拋投塊體在水流作用下，盡快移動至更穩(wěn)定位置，有利于邊坡穩(wěn)定。

因此，拋石截流中前期，在水深深、流速小的情況下，拋投料的塊徑應(yīng)盡量均勻。采用的合理粒徑應(yīng)能夠在重力及水流沖擊力作用下推動，以避免嵌鎖在坡面中上部，并能盡快移位至更穩(wěn)定位置，又不致流失。建議按修正后的伊茲巴斯公式計算：

式中：v為龍口流速，m/s；γm、γ分別為塊石及水的容重，kN/m3；de為拋投料等值粒徑，m；ΔPi為塊石粒徑di的重量占比；K為系數(shù)，單個塊體拋投為0.85，群體拋投混合料為0.92，群體拋投均勻料為1.05[3]。

由式（2）可以計算出本項目拋石截流中前期的拋投料等值粒徑為0.1～0.4 m，控制0.2～0.3 m的塊石含量應(yīng)大于50 %。

3.3 截流后期拋投塊體粒徑選擇

在龍口水力條件進(jìn)入最不利區(qū)段后，允許拋投物少量流失和不允許拋投物流失，對塊體重量的差別影響很大。ICOLD統(tǒng)計資料[3]可供參考。

實踐表明，在水流流速較大時拋投的塊體更容易流失，但只要這些塊體未超出拋石截流堤設(shè)計范圍邊線，就會造成壅水，減小后續(xù)拋投時的水流流速，從而有利于后續(xù)拋投石塊的穩(wěn)定。如果不允許拋投塊體流失，則會導(dǎo)致拋投的單個塊體重量增加。

根據(jù)現(xiàn)場實測，本工程截流過程中的最大水位落差達(dá)2 m，根據(jù)表3統(tǒng)計數(shù)值，在進(jìn)入截流最困難區(qū)段，即現(xiàn)場水位落差、水流流速較大的情況下宜選用大重量塊石進(jìn)行截流，考慮到單純使用大粒徑塊石運(yùn)輸不經(jīng)濟(jì)，同時進(jìn)入截流困難區(qū)段后，拋石堤頂寬度收縮變窄，大粒徑塊石拋投后受水流沖擊易滾落影響拋投效果?，F(xiàn)場采取尼龍網(wǎng)兜石代替大粒徑塊石進(jìn)行困難區(qū)段的拋投。尼龍網(wǎng)兜石由于級配均勻，塊石間相互嵌擠緊密，同時較大的接觸表面積也使其與先前構(gòu)筑的拋石堤能夠更好的接合，整體性較好，能夠起到很好的截流擋水效果。

表3 所需塊石單個重量（γs=2.7t/m3）

4 運(yùn)用圍堤寬度效應(yīng)降低截流難度

在大潮差、大流量龍口合龍時，減輕合龍難度比較常見的方式是采用較寬的拋石截流堤進(jìn)行合龍。較寬的拋石寬度使流經(jīng)龍口的水流落差分散，由于拋石圍堤寬度增加，沿程阻力變大，單位時間內(nèi)通過龍口的水流流量減少，在截流時減輕了施工難度，對截流材料的流失起到了很好的抑制作用。但龍口拋石截流的圍堤堤頂寬度也需要進(jìn)行控制，因為頂寬越寬，相應(yīng)要求拋投的石料越多，施工成本越大，而且不一定能達(dá)到預(yù)期的減速效果。本項目拋石截流圍堤設(shè)計頂寬6 m（同非龍口段拋石堤堤頂寬度相同）。在實際施工過程中，由于圍堤內(nèi)外側(cè)水位落差較大，經(jīng)現(xiàn)場水位監(jiān)測最大落差接近2 m，拋石截流堤堤頂按照6 m寬度施工時出現(xiàn)了局部堤段被水流沖開的情況。

圖1 圍內(nèi)圍外側(cè)水位差值

根據(jù)肖煥雄教授等[3]關(guān)于圍堤龍口水流特性的研究成果，當(dāng)龍口綜合糙率，過水流量及底寬一定時，圍堤頂寬α與行近水頭H0之比呈現(xiàn)出三種情況：

1）α/H0≤2～3時，水面線呈單降，僅有一次跌水，圍堤中心處水深hc大于臨界水深hk，此種流態(tài)與頂寬不足的寬頂堰流態(tài)類似；

2）當(dāng)α/H0＞2～3時，水面線有2次跌落，且當(dāng)α/H0較小時，圍堤中心處水深hc較單降水面線時的hc有所降低，但仍大于臨界水深hk，且（hc-hk）/hk隨α/H0的增加而增加。堤頂寬度改變后的水面線形態(tài)[5]見圖2。

圖2 堤頂寬度改變后的水面線形態(tài)

根據(jù)理論模擬計算推擬，不同圍堤頂寬對應(yīng)的最大流速Vmax計算結(jié)果見表4，最大流速變化趨勢如圖3所示。

表4 最大流速計算

圖3 最大流速變化趨勢

從上述圖表能夠看出，隨著拋石截流圍堤頂寬逐漸增大，最大流速逐漸減小，在頂寬＜9 m時，流速減小最快；當(dāng)圍堤寬度增加到10 m之后流速雖繼續(xù)減小，但減小的趨勢放緩，最后流速趨于穩(wěn)定。由此可以得出，拋石截流圍堤寬度增加到一定程度后，再增加圍堤寬度對降低水流流速的影響幾乎很小。因此，在拋石截流實施之前需先確定合適的堤頂寬度。

5 鎖壩的合理運(yùn)用

拋石截流拋投材料是否穩(wěn)定主要取決于龍口流速大小，如能減小截流過程中的過流流速，則會大大降低龍口截流的施工難度。根據(jù)本工程現(xiàn)場水文測驗分析，漲落潮水流基本平行于圍堤軸線。拋石截流圍堤拋投出水形成淹沒流后，由于此時僅有龍口口門處可以過水，在無法改變龍口過水?dāng)嗝娉叽绲那闆r下，龍口兩側(cè)外海側(cè)水流通過口門快速向圍內(nèi)匯集，形成較大的穿溝流速。

現(xiàn)場施工時通過在外側(cè)拋石截流堤與袋裝砂棱體之間構(gòu)筑鎖壩阻斷由龍口兩側(cè)匯入的穿溝水流，減小單位時間龍口過水量，從而降低龍口流速。

圖4 龍口形成及兩側(cè)鎖壩示意

6 結(jié) 語

濱海綜合會展中心等圍填海項目拋石截流開始前首先構(gòu)筑護(hù)底結(jié)構(gòu)及袋裝砂堤頭裹頭防護(hù)以保護(hù)龍口，通過精確的水文預(yù)報選擇有利天氣進(jìn)行施工。按照設(shè)計計算方量并考慮一定的風(fēng)險系數(shù)安排運(yùn)輸船舶進(jìn)行備料。綜合考慮口門寬度、水流條件、拋石需求量等因素，300 m龍口等間距布置7艘船舶，分6個批次選擇高平潮前1 h的流速較小時段進(jìn)行拋投，第一批次7艘船舶平拋墊底至-2.5 m高程，增大原始灘面粗糙度以增強(qiáng)后續(xù)拋投塊體的抗沖穩(wěn)定性；隨后 4個批次拋投等值粒徑為 0.1～0.4 m的混合料直至達(dá)到計算頂寬；進(jìn)入龍口水力條件最不利階段后，采用網(wǎng)兜石壓頂，確保圍堤整體擋水效果。期間拋石圍堤每推進(jìn)50 m構(gòu)筑一道鎖壩降低龍口流速，減小截流難度。項目歷時3天完成約4萬m3拋石，順利實現(xiàn)龍口截流。