外海人工岛岛头区碎石垫层防淤减淤

王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

港珠澳大桥E33沉管位于外海东人工岛西侧，受大屿山沿岸流和东人工岛岛头挑流影响，安装区流场复杂，碎石垫层回淤大。为了降低回淤对沉管安装的影响，开展了东岛岛头区碎石垫层防淤减淤综合治理措施研究，采用防淤盖板和防淤屏对E33沉管碎石垫层进行防淤减淤，并进行了现场大规模的试验验证，对潮位、海水浊度等一系列实时观测。经过多种手段监测显示，防淤盖板和防淤屏有效控制了E33对接段回淤影响，安装前监测结果显示，碎石垫层上基本无回淤，满足设计要求。该防淤减淤综合治理方案可以在类似工程中以及开口式施工区域使用。

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程由东人工岛、西人工岛和沉管隧道三大部分组成，其中隧道部分由33节预制沉管组成，全长5 664 m，跨越伶仃西和铜鼓主航道，单节标准沉管长180 m，重量约75 000 t，最大水下埋置深度达到46 m，是迄今为止世界上规模最大的钢筋混凝土结构深埋沉管海底隧道。

岛隧结合部位于东人工岛岛头，是E33沉管安装的位置，与东人工岛现浇暗埋段连接，从而实现岛隧转换。由于该水域施工界面狭窄，海流情况复杂，作业周期长，成为港珠澳大桥沉管安装施工中最为复杂和最为关键的部分之一。

2 东人工岛岛头情况

在东人工岛钢圆筒拆除后，为了减小潮流对岛头区沉管安装施工的影响，在岛头开敞水域呈“V”字形安装21块挡浪块形成导流堤，北侧导流堤长72 m，以直线布置，与E33沉管轴线夹角27°，后进行适当加长；南侧导流堤长102 m，以折线布置，近钢圆筒段长18 m，与E33沉管轴线夹角35°剩余84 m段与E33沉管轴线平行。

导流堤采用方块重力式结构，标准块体尺寸为 4．0 m×6．0 m×6．0 m，南堤拐角处块体加强为5．0 m×6．0 m×6．0 m。块体安装底标高为-5．0 m，堤顶标高为+1．0 m。导流堤平面布置方式如图1所示。

图1 导流堤及E33碎石垫层分区示意图Fig.1 Zoning diagram of diversion dike and E33 gravel cushion

根据数学模型试验研究成果，在东岛岛头采用导流堤掩护方案后，岛头E33外侧存在明显的绕流区。增加导流堤后，对现场进行回淤监测和流场观测，发现岛头区域水流动力条件变差，容易发生基床落淤，回淤强度超过1 cm/d。

东人工岛岛头内的陆上人工碎石垫层整平在岛内回水后水下放置时间较长，约为半年，筒内挖沙及大圆筒切割后可能带来基床回淤影响；潜水水下整平作业约为20 d，按照实测的回淤强度计算，其碎石垫层上的回淤厚度将超限。

3 碎石基床减淤清淤综合治理措施

3.1 E33基础设计

E33沉管东侧长约45 m位于人工岛内，其余位于岛外，受岛头钢圆筒影响，碎石基床采用陆上预铺、人工潜水铺设和整平船铺设相结合的施工方式。E33沉管干施工的为A区、人工潜水整平区域为B区、其余采用整平船整平区域为C区，施工效果图见图1。

3.2 基床防淤措施

1）A区措施

干施工段基础在海底暴露时间较长，干施工段采用防淤盖板法进行防淤[1]。防淤盖板在安装前3 d进行拆除。为了便于钢盖板拆除方便和保证钢盖板结构安全，项目部不间断进行防淤盖板清淤施工，清淤设备采用吸沙泵，潜水员水下配合清淤。防淤盖板设置见图2。吸沙泵型号：4SPA-100、176 m3/h、扬程18～24 m、功率11 kW。

图2 吸沙泵布置位置图Fig.2 Location map of sand suction pump

2）B区措施

受导流堤的影响E33沉管碎石基床落淤强度增大，根据综合治理分析在B区采用防淤屏进行防淤。防淤屏位置图见图3。

图3 防淤屏位置图Fig.3 Location map of anti-silting screen

防淤屏两端固定在最西侧第2个挡流块上。在防淤屏外侧原泥面抛设2口8tHY-17锚。提前将最西侧的2块挡流块采用钢丝绳、圆管连接在一起。

4 防淤屏设计

4.1 防淤屏结构

防淤屏主要由浮体、裙体、配重三部分组成。浮体为水上主体：由聚苯乙烯泡沫用耐油塑料膜密封，包裹在PVC双面涂覆布中，浮子的间距形成柔性段保证防淤屏的可折叠性和乘波性[2]。裙体为水中主体：采用长丝机织土工布加肋组成，是截淤的主要部分。配重：采用不同直径的链条组成，在裙体下方，防止防淤屏底部随流产生过大漂移[3]。防淤屏设计图见图4。

图4 防淤屏设计图Fig.4 The design drawing of anti-silting screen

4.2 防淤屏设置

将浮体以下5 m的裙体连接高强度绳网，在绳网的下方连接长丝机织土工布及加强带，在最下方采用锚链。考虑浑水带分布可能不规律情况，同时制作5 m长的土工布作为备案，替代高强度绳网。在基槽底部放置一定的配重混凝土块，与防淤屏连接，减少裙体较大漂移量[4]。

为了防止防淤屏裙体底部剐蹭基床，导致防淤屏破坏，裙体设计长度为14 m；同时为了防止防淤屏底部配重剐蹭边坡，在边坡位置适当缩短裙体长度；防淤屏总迎流投影面积约为2 000 m2。

4.3 防淤屏优化

第一阶段回淤监测之后，开展了优化防淤屏设计，减小防淤屏底部的水体交换的研究；即在防淤屏底部增加裙体，预计增加裙体超过600 m2。

在防淤屏底部增加裙体后，防淤屏内侧浊度降低明显，同时有效避免了高潮期内侧浊度大于外侧的情况。

5 防淤屏实测数据对比分析

5.1 试验时间

本次防淤屏试验时间为2016年7月15日—7月29日，阴历时间为六月十二—六月廿六。观测时段覆盖大、中、小潮期。

5.2 浊度测量

水密度、浊度观测采用温盐深浊度计，仪器参数如表1。

表1 浊度计参数表Table 1 Turbidimeter parameter table

5.3 回淤盒监测

在E33沉管干施工第3条垄（A区）、人工整平区域（B区）和沉管尾端设置3处回淤盒安放处，每处各并列放置3个回淤盒。按照监控指令取放回淤盒，各安装处回淤盒取3次，每次从各个点取出1个回淤盒。每次提取回淤盒前应封闭盒盖，记录准确取盒时间，取盒后应进行淤积厚度、粒度等分析，并保留样品。

5.4 多波束扫测

采用多波束测深系统分别于防淤屏安装前后每日对E32、E33沉管区域进行扫测，分析防淤屏安装前后基槽日均回淤量[5]。

5.5 数据分析

5.5.1 浊度分析

7月19日—29日每天进行东岛岛头段海水密度、浊度观测6次，观测时间分别为高潮High Tide（H1）、低潮 Low Tide（L1）、次高潮（H2）、次低潮（L2）、落潮 Ebb Tide（ET）、涨潮 Flood Tide（FT）。

从水下15 m的浊度平均情况看，防淤屏内侧（ZD2）浊度是外侧的78%；其中16个测次显示防淤屏内侧浊度比外侧高，主要集中在高潮期间；其他测次均为防淤屏内侧浊度低于外侧。

从潮汐对应的浊度数据分析，除了次高潮期其余时间ZD2的15 m层平均浊度均小于ZD1；次高潮期间ZD1、ZD2浊度整体相差不大，如图5所示。

图5 东人工岛岛头段增加防淤屏后浊度折减率Fig.5 The turbidity reduction rate of the head area of east artificial island after adding the anti-silting screen

从水下15 m的平均含沙量看，防淤屏内侧含沙量（ZD2）是外侧（ZD1）的62%。

5.5.2 回淤盒数据分析

1）A区回淤盒

安装防淤屏之前，在A区共放置回淤盒9个，回淤盒日回淤强度平均为0．92 cm，最大值单日回淤强度为1．5 cm。安装防淤屏后，A区放置回淤盒3个，回淤盒日回淤强度平均值为0．61 cm，是原来回淤强度的66%。

2）B区回淤盒

安装防淤屏之前，B区回淤盒日回淤强度平均为1．25 cm，最大值单日回淤强度为1．5 cm。安装防淤屏后，B区回淤盒日回淤强度平均值为0．54 cm，最大值单日回淤强度为0．57 cm。日均回淤强度减小到原来的43%。

5.5.3 多波束数据分析

防淤屏试验前后（7月14日、7月31日），分别对E33进行多波束扫测。

多波束数据显示，增加防淤屏后，E33沉管B区、C区日均回淤量平均为0．3 cm，是原来回淤强度的45%[6]。

5.6 试验小结

经过7月15日—7月29日的现场防淤屏减淤试验数据分析，初步结论如下：

A、B区回淤盒数据显示，回淤强度减少明显，是原来回淤强度的50%～60%左右；多波束显示B、C区回淤强度减少明显，是原来回淤强度的45%左右；防淤屏内外两侧浊度差别较为明显，内侧浊度约为外侧的78%（含沙量：62%）。

综上，安装防淤屏后回淤强度和浊度减少明显，回淤强度是原来的50%左右，防淤屏减淤效果较为明显。另外，防淤屏减淤效果和潮型、潮差相关；大潮浊度绝对值大于小潮、中潮；低潮期的浊度绝对值小于高潮位的数据。

因此该防淤屏结构满足外海施工的要求，制作拼装方式、安装工艺是可行的，设计的锚系和两端固定的锚泊系统基本适应外海施工要求。

6 结语

E33沉管碎石垫层防淤减淤综合治理方案很好地保障了E33沉管碎石垫层质量，安装前监测结果显示，碎石垫层上基本无回淤，满足了设计要求。

2016年10月8日E33沉管完成水力压接，完成了与东人工岛暗埋段的成功对接，贯通测量结果显示，E33沉管轴线首端偏差、相邻沉管相对横向、竖向偏差实现了“三零”的既定目标精度。E33的精准安装再次证明综合防淤措施是可行的、有效的。该防淤清淤综合治理方案可以在类似工程中、开口式施工区域使用。