两级箱涵式泄水口在吹填工程中的应用

张哲 交通运输部天津水运工程科学研究所

吹填软泥中余水的排出是水运工程界普遍关注的问题。在吹填造陆项目中通常需要设置泄水口排出吹填区内的余水，泄水口结构型式有溢流堰式、箱涵式等。溢流堰式泄水口具有结构简单、施工方便等优点，但堤身顶部因开口而不能通车、过人，且泥沙流失率较大，控制泄水位需要在堰口位置加土工织物袋装砂等垫高，增加了工程环节。箱涵式泄水口结构简单、经济节约、泥沙流失较小，因堤身顶部没有缺口形成，因此可以满足堤顶通车需求。

当在深水区吹填时，往往吹填区外部围堰建设高度很大。若采用传统形式的箱涵式泄水口，当箱涵安设在围堰低位置处，随着吹填泥面高程的增加，埋没箱涵后将无法正常排出吹填区内的余水。若箱涵设置在堤身高位置处，吹填初期的余水将无法排出，形成较大水头对堤身稳定带来影响。

根据上述特点本文设计了适用于深水斜坡堤的两级箱涵式泄水口，由箱涵、排水管两部分组成。箱涵由角钢和侧板焊接构成，设置有闸板槽和闸板，闸板位于闸板槽内，构成闸板式调控结构。箱涵和排水管安放在深水斜坡堤堤身上，箱涵与排水管通过焊接相互连接在一起，组成适用于深水斜坡堤的泄水结构。吹填区内余水进入排水管的水位借助箱涵进行调节，吹填区内的余水达到箱涵进水口处时，在重力作用下流入箱涵底部，并从设置在箱涵底部的排水管排出。第一级箱涵式泄水口可以拆卸，当泥面高度超过第一级箱涵式泄水口排水高度极限时，将其拆除并封堵堤身缺口，并在堤身较高高程处布置第二级箱涵式泄水口，由此排出高吹填处的余水。箱涵可以根据吹填的进度，不断调节排水的高程，这样可以避免随泥面高度变化不断抬高排水管带来的繁琐，既节约工程造价又能保证深水斜坡堤的安全稳定。

1.实例应用

1.1 工程简介

我国北方某港为满足发展需要于2016年在港区内某海域进行了吹填造地作业。该工程成陆面积约85万m2，原泥面平均标高-3m，设计吹填标高+10m，工程所需吹填工程量约1100万m3。

1.2 工程水文气象条件

本工程海域设计高水位3.58m，设计低水位0.54m，极端高水位5.14m，极端低水位-1.30m。风况以风浪为主，涌浪为辅，常浪向为ENE向，频率为16.22%；次常浪向E向，频率14.54%；强浪向ENE向，H4%＞2.0波高频率为0.94%，次强浪向WSW向，H4%＞2.0波高频率为0.33%，实测最大H1/10波高3.07 m，对应最大波高3.6 m，波向ENE向。潮流在涨潮潮段平均流速在0.35～0.57m/s，落潮潮段平均流速在0.41～0.53m/s。本海区每年12月上旬出现海冰，翌年2月下旬终冰，冰期约90天，其中初冰期约18天，盛冰期约55天，融冰期约18天左右。本海区滩宽水浅，河道沟汊多，盛冰期可形成15～25cm厚的固定冰区，由于面积大，冰层厚，冰质硬，对海上建筑物会产生一定的破坏力。

1.3 工程地质条件

本项目地处滨海地带，地形极平坦，普遍盐渍化或沼泽化。堆积物以滨海相褐灰色淤泥质黏土和粉细砂为主，质软、抗冲性能差，在潮汐作用下，形成了宽阔平坦的海滩。勘察显示表层为粉土及淤泥质土，土质较软。根据场地地基土物理力学性质、埋藏条件、成因时代、岩性成分及其结构构造等，将场地勘探深度内岩土体划分为3个工程地质层：第四系全新统海相沉积层、第四系全新统海陆交互沉积层以及第四系上更新统冲积层。依据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），勘察区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第三组。

1.4 围堰构造

本工程围堰全长1053m，第一级堤顶高程为+6.0m，顶宽9m，第二级围堰顶高程为+11.0m，顶宽5m。采用重力斜坡式结构形式，充砂袋堤心，内外侧均设有肩台，第一级肩台高程为+0.5m，宽度为6m，第二级肩台高程为+2.5m，宽度为5m。第二级肩台以下坡度为1：2，第二级肩台以上坡度为1：1.5。堤身底部铺设 1m厚中粗砂垫层作为横向排水通道，采用B型塑料排水板作为竖向排水通道，排水板间距1m，呈正方形布置。堤身内外两侧铺设600mm厚度的60～100kg块石进行防护，堤身与块石护面之间铺设300mm厚度的二片石垫层。堤身外侧堤脚铺设厚600mm，长5m的60～100kg块石护底。

由上述基本信息可知，本工程吹填厚度达13m，围堰高为14m，属深水斜坡堤形式。由于堤高水深，若吹填过程中余水不能及时排出在影响区内纳泥效果的同时还会增加堤身所承受的水压，带来安全隐患。根据建设单位要求，施工作业期间围堰顶端应能保证通车。结合本文前面所述，本工程适用两级箱涵式泄水口，如图1所示。

1.5 泄水口布置

泄水口平面位置选择应根据吹填区地形、排泥管线的布置等因素确定。为有利于吹填土沉淀，设计中将泄水口布设在吹填区的死角。

为充分结合堤身结构，将第一级箱涵式泄水口放置在围堰第一级肩台上，即高程+0.5m处，第二级箱涵式泄水口放置在围堰第二级肩台上，即高程+2.5m处。第一级箱涵式泄水口设计为可拆卸的结构，当吹填区内泥面低于第一级箱涵顶部位置时，余水可以通过箱涵的开口将吹填区内的余水收集至箱涵内通过箱涵底部的排水管将余水排出。随着吹填泥面的上升，第一级箱涵已不再适用，将第一级箱涵式泄水口拆除并封堵第一级泄水口所在位置的堤身缺口。在堤身上部第二级肩台上安设第二级箱涵式泄水口，安设完成后，后续吹填产生的余水可以通过第二级泄水口排出。本工程经计算排水管的直径700mm，长度为40m，由两根长度为20m的钢管焊接而成，根据排水需求计算求得需要13根排水管。

图1 两级箱涵式泄水口

为确保排水管安放稳定，在箱涵、排水管的安放位置先铺设碎石层，然后在碎石上部铺设土工织物倒滤层，土工织物倒滤层采用规格为400g/m²无纺短纤土工布，最后在400g/m²无纺短纤土工布上部安放排水管。为确保排水管稳定，在水流作用下不发生颤动，在排水管的四周均匀铺设袋装碎石，为防止碎石刺破上部袋装砂堤身在碎石上部铺设500g/m²高强长丝机织土工布，并在吹填侧安置箱涵。

2.工程效果

工程进展过程中，在吹填泥面高程未淹没第一级箱涵时，吹填区内的余水顺利的由第一级箱涵式泄水口排出，排水过程中未出现因泥沙淤堵排水管而停工的情况。当吹填泥面逐渐淹没第一级箱涵时，用吊车将第一级箱涵吊出，并在堤身的第二级肩台处安设了第二级箱涵式泄水口，直至吹填结束。总体来讲，箱涵可以根据吹填区内泥面的变化，通过箱涵的闸板不断调节排水的高程，可以避免随泥面高度变化不断抬高排水管带来的繁琐，可以简化施工环节、节约人力，效益显著，验证了两级箱涵式泄水口在深水斜坡堤上的适用性。

3.结论

经实例验证，两级箱涵式泄水口具有以下优点：

（1）箱涵可以根据吹填区内泥面的变化，通过箱涵的闸板不断调节排水的高程，可以避免随泥面高度变化不断抬高排水管带来的繁琐。

（2）当泥面高度超过第一级箱涵式泄水口排水高度极限时，将第一级箱涵式泄水口拆除，用于建设第二级箱涵式泄水口，节约造价。

（3）采用箱涵式泄水口无需在堤身开口，可以保证堤顶通车的需求，给工程带来极大便利。

（4）分两次逐步排出吹填区内软土表面的余水，可减少吹填区内余水对堤身稳定性的不利影响。

（5）所用材料主要为有钢板、钢管等，方便寻得，且可以回收利用，经济节约。