吸砂船施工技术在钱塘江东江嘴切滩工程中的应用

王泽斌,徐昌栋

(浙江省钱塘江管理局,浙江 杭州 310016)

1 工程概况

钱塘江东江嘴切滩工程位于钱塘江闻家堰急弯河段的凸岸,地处富春江与浦阳江汇合口。该段河道成110°急弯,凸岸由于弯道环流作用淤积形成约66.67 hm2(1 000亩)左右高滩,滩地高程4.2～6.2m,外侧有20世纪60年代当地群众围垦修筑的小围堤,高滩失去行洪能力并形成挑流坝。由于高滩及围堤突出江中,致使江面的过水断面缩小40%,江道最窄处仅470m,河道的缩窄使主流进一步逼向凹岸,造成洪水期凹岸堤前深槽冲刷严重,河床最大冲刷深度曾达-28m,是钱塘江最窄、最深、最险的河段,历来是钱塘江泄洪的“瓶颈”。1997年,浙江省人民政府批准的《钱塘江富春江电站至闸口标准江堤规划》将东江嘴退堤切滩工程列为钱塘江上游3大清障工程之一,确定对凸岸东江嘴部分高滩在标准堤退堤的基础上进行切除,以确保行洪畅通和两岸堤塘安全。

原切滩设计方案:对弯道河段凸岸1 km范围内的东江嘴高滩实施切滩(见图1),距新建标准堤轴线200m以外的滩地切至-3.83m高程与江道接平,100～200 m的滩地高程由1.17m降至-3.83m,50～100m的滩地由现有自然高程降至1.17m,50m范围内的滩地保持原状 (见图2)。切滩工程需开挖土方约137万m3。

图1 东江嘴切滩工程平面布置图

图2 东江嘴切滩工程断面图

2000年12月杭州市完成退堤工程后,由于政策处理和投资资金筹措出现困难,切滩工程一直未实施。在浙江省水利厅和省防汛抗旱指挥部办公室的协调和支持下,浙江省钱塘江管理局根据多年河道管理经验,从切滩部位河床蕴藏有丰富的建筑用黄砂这一实际出发,大胆提出结合采砂工艺,采用大型真空泵吸砂船进行取砂切滩。为充分利用黄砂资源,以采砂取得的经济效益弥补工程投资,鉴于切滩部位黄砂层主要在-4.0m高程以下,吸砂船最佳作业区域在-10.0m高程左右的中细砂层,同时考虑河床回淤影响,允许在确保河床边滩稳定和两岸堤塘安全的前提下超挖,切滩底面高程控制在-10.0m。工程从2005年11月21日开始实施,到2006年1月20日主体完工,实际共切除土方162.72万m3。

2 施工工艺选择

2.1 施工工艺

吸砂船取砂切滩具体施工工艺:吸砂管伸入水下,顶端高压喷嘴产生高速水流冲刷河床,形成的泥沙水混合物通过吸管吸至沉淀池,其中的黄砂经沉淀后,通过链斗及船两侧输送带输送至运输船,外运至沿江各砂场出售。作业时吸管一般与河床成60°夹角,可伸入水面以下10～12 m,将河床中下层可用中砂吸出,上层土体在自重作下自然塌陷,形成所需切滩断面。

2.2 地质勘探调查

切滩部位黄砂层的存在,是采用吸砂船取砂切滩工艺的决定性条件。在论证切滩可行性时,在东江嘴滩地上布置了11个地质钻孔进行地质钻探,钻孔深度30～37 m。根据地质土层分层分析 (见表1):-2.0～-4.0m以上滩地的淤积物主要由d=0.075 0～0.002 7mm的淤泥粉质黏土组成,是下游的海域来砂;在-4.0 m以下的河床组成物为d=0.250～0.075mm相对较粗的粉砂和中细砂,是由下游海域和上游陆域来沙共同补充形成的;-31m以下为沙卵砾石河床,尤其是-7.5m以下蕴藏着大量的可作建筑材料的黄砂。

表1 各土层的颗粒分析试验统计表

2.3 工艺特点

工程地质勘探显示切滩部位河床有丰富的黄砂资源,采用吸砂船取砂切滩工艺可行,同时与采用挖掘机、疏浚船等传统施工方式相比较,具备以下优点:

(1)吸砂船取砂切滩可直接进行水下作业,受洪、潮水影响小,一艘采砂船连续24 h正常作业采挖方量可达到2 500～3 000m3,高效快捷。工程从2005年11月21日开始实施,2006年1月20日主体完工,实际仅历时60 d。

(2)采挖的黄砂用运输船直接外运到沿江砂场销售,无需专门的土方弃置场地。

(3)“以吸代挖,有偿取砂”,采砂取得的经济效益可弥补工程资金缺口,节省工程投资。实际节约测算工程费1 197万元。

3 施工控制关键

吸砂船取砂切滩施工工艺单一,但在实际施工中,采挖深度与范围较难控制,要精确做到河床高程与实施方案相吻合十分困难,易形成不规则的深坑,同时考虑到大型真空泵吸砂船采砂作业时影响半径可达160～220m,为避免切滩过度对河床边滩稳定与堤塘安全造成不利影响,在施工过程中着重控制以下几点:

3.1 吸砂船设备参数控制

切滩施工采用杭州河段具有 《河道采砂许可证》的20艘大型真空泵吸砂船。根据以往的采砂管理经验,采挖深度、影响范围及作业效率主要取决于吸砂泵主机功率大小与吸砂管长度,沉淀池与链斗规格对作业效率有一定影响。施工作业前对吸砂船进行核查,主机功率控制在500 kW以内,吸砂管长度控制在20 m以内 (见表2)。施工实践表明,最深能取到水面以下15m左右的砂石,最佳作业区域是-10.0m高程左右的中细砂层。

表2 典型吸砂船设备参数表

3.2 离岸滩距离控制

施工放样适当预留安全距离,在距标准堤塘轴线100m处滩地每隔100m设立标杆,每隔20m设彩旗杆作为警戒线,一旦发现岸滩坍至标杆处,立即暂停在该位置施工作业,经观测待岸滩坍塌基本稳定后再进行施工。吸砂管禁止直接伸至岸滩吸砂作业,控制在距岸滩30m以外作业,稳步控制岸滩坍塌。

3.3 吸砂船密度控制

由于砂层有一定的埋深,单艘吸砂船作业无法进行有效采挖,砂机集中数量过多则又会造成采挖速度过快导致岸滩边线难以控制,从实际采挖情况看,采挖出的深坑最深可在水面以下15 m,当时深坑离岸一侧边坡趋于垂直,极不稳定,岸滩坍塌往往出现在瞬间,停止作业后一段时间内仍将向堤塘侧坍塌20～30 m。在作业点及吸砂船布设上做到合理适度,吸砂船沿线排开,每200m左右布设1个作业点,单个作业点集中的吸砂船控制在4艘以内,先从江中心开始作业,成一线逐步向岸边推进。

3.4 加强观测和现场监管

切滩部位距离堤塘越近砂量越多,采挖效率越高,切滩推进速度也越快,不及时加以控制,将影响堤塘安全。施工时安排人员对现场进行24 h监管,每日不定期测量河床高程,及时根据观测情况合理有序调整吸砂船数量与作业范围。

4 效果分析

实际切滩底面高程平均为-9.0m,河床形成一个个不规划的深坑,其中2处深坑达到-13.0m,局部滩地宽度不足50m,共切除土方162.72万m3。但经过一段时间自然洪水、潮流的冲刷和坍沉,堤外滩地稳定在40～100m范围内,该段河床最窄处宽度从470m增加至850 m,达到1997年浙江省人民政府批准的《钱塘江富春江至闸口标准江堤规划》要求。2011年6月水下地形测量的断面显示,深坑回淤明显,与2006年7月测量的断面相比较,计算切滩范围淤积量为84.385万m3,回淤了51.9%,基本达到-4.0m左右的高程(切滩前、切滩初和最近一次测量的断面变化见图3)。据初步分析,切滩后形成的效应范围将上溯至浦阳江、富春江境内,当遭遇5～100 a一遇洪水时,预计富阳洪水位可降低19～39 cm。

图3 切滩部位切滩前、切滩初和最近测量典型断面图

5 其他问题的解决

采用吸砂船吸砂切滩存在一定的局限性,实际施工中需采取其他措施加以解决。

(1)块石较多的地段作业困难。东江嘴头部上游小围堤外侧有较多抛石,从外侧向内吸砂切滩作业时,2艘吸砂船的吸砂管因采挖坑瞬间坍塌被块石压断,后由下游内侧打开通道,由内向外挖除小围堤。

(2)码头残留形成“孤岛”。原东江嘴头部港监站桩石混凝土结构码头无法采用吸砂船吸砂方式清除,后通过船用抓机和吊装设备挖掘混凝土及块石混合料、拔除钢筋混凝土桩、吸砂等措施进行清除。

6 结 语

(1)吸砂船取砂切滩施工工艺简便高效,节省投资,但存在一定的局限性,对地质条件有特殊要求,河床必须有黄砂层。

(2)吸砂船取砂切滩施工时,关键是要通过控制吸砂设备参数及吸砂船密度、设置安全距离、加强监管与测量等措施严格控制采挖深度与范围。

(3)东江嘴切滩工程吸砂船切滩施工技术的应用,为以后类似工程施工提供了借鉴。

[1].周飞武,朱军政,杨火其,等.钱塘江东江嘴退堤切滩堤线研究报告[R]..杭州:浙江省河口海岸研究所,1999.

[2].朱冠天,陈希海,朱军政,等.钱塘江东江嘴切滩工程对闻堰河段的影响分析 [R]..杭州:浙江省钱塘江管理局勘测设计院,2002.

[3].丁锦仁,毛肖钰,胡海忠,等.钱塘江东江嘴切滩工程实施方案 [R]..杭州:浙江省钱塘江管理局勘测设计院,2005.