简析吹填区采用泄水口结合排水明渠的施工方法

王 岗

（中交天航南方交通建设有限公司，广东深圳 518040）

1 工程概况

某工程吹填区高程4.9 m，吹填总方量335万m3，采用2 艘3 500 m3/h 绞吸挖泥船将临时抛泥区内的疏浚土转吹至本工程，平均吹距5.0 km。疏浚土抛至临时抛泥区考虑20 %的流失[1]，共需疏浚土约420 万m3。通过在场地四周布置围堰容纳吹填土，其中南段围堰利用现有工程满足吹填需求。另外共需建设围堰2 441 m，隔堰680 m，高程均为5.6 m，设计平面见图1。

图1 工程平面布置示意

2 吹填区排水设计思路

本工程降水主要集中在4～9 月，约占年降水总量的92 %。降水强度≥10 mm 的天数为32 天；降水强度≥25 mm 的天数为15 天；降水强度≥50 mm的天数为6 天；一日最大降水量225.2 mm。设计高水位2.14 m，极端高水位3.57 m。设计吹填高程4.9 m，设计围堰顶高程5.6 m。

考虑本工程吹填尾水通过排水明渠排水至内湾。为满足吹填排水及环保要求，采用泄水口+排水明渠排水施工方案[2-4]：在场地东南角设置排水口，在一期工程东侧设置排水明渠，排水明渠长2 km、底宽6 m、深度2 m，吹填水经沉淀后通过排水口和排水明渠排入内湾，详见图2。

图2 施工平面布置示意

3 排水设计

3.1 泄水口设计

主泄水口与排水明渠相接，按3 500 m3/h 和4 500 m3/h 绞吸挖泥船各一艘进行泄水流量设计，同时为保证吹填进度，防止吹填土质中含较多中粗砂影响施工，两艘绞吸挖泥船均采用4 500 m3/h 型号。考虑吹填区泄水过程中壅水高度及泄水口材料，根据规范[5]采用埋管薄壁堰式泄水口，四面过水增大泄水周长、降低壅水高度（0.3 m 以下），防止闸箱口水流流速过大产生抽吸力造成吹填土流失。8 个闸箱内周控制在1.0 m 以上，四面过水周长32 m，泄水管道采用8 根φ800 mm 钢管，通过计算，确定薄壁堰式排水闸壅水高度验算泄水口设计参数。按下列公式计算出壅水高度为21.26 cm（见表2），符合要求。

表2 薄壁堰式排水闸壅水高度验算

式中：

Qx为通过薄壁堰排出的流量（m3/s）；

m2为薄壁堰流量系数，可按表1 确定；

表1 薄壁堰流量系数m2 取值

g为重力加速度（m/s2）；

b为薄壁堰宽度（m）；

H为溢流水头（m）；

K为修正系数，根据经验可取1.0-1.3；

Q为疏浚设备排人吹填区的泥浆总流量（m3/s）；

ρ为吹填泥浆浓度（%）。

3.2 排水明渠设计

排水明渠设计长度约2 km，明渠排水设置一定水力坡降，使排水不易受高潮倒灌影响，排水渠设计底高程及顶高程根据计算确定；吹填区泄水口泄水时，需要壅高泄水，壅水后的高度是否会对围堰安全造成影响或导致漫堤需要计算确定；管口高程与排水明渠正常排水过程中的水面高差需保证泄水口能够顺畅泄水且不至使得吹填区壅水高度进一步增长而影响围堰安全或造成漫堤。泄水构筑物的设置还应保证强降水过程中的泄水通畅。

为保证高潮泄水不漫渠，渠顶高程需达到4.0 m以上；考虑本工程设计吹填高程为4.9 m，采用闸箱式泄水口一般情况下泄水入口与出口需要1.0 m能量转换高度，则泄水出口管底高程需要在3.9 m以下；排水明渠排水过程壅水高度根据明渠湿周、坡降确定，且流速不能过大，宜为顺坡缓流，故根据理论经验及明渠形式，壅水高度在0.5～0.9 m 为宜，初步取0.7 m；排水渠出口底高程应取较低值而增加坡降，保证排水通畅，而又不宜取过低，否则增加耗材、形成急流，且受潮水影响下尾端部分潮水上涨而达不到预设的排水效果，造成浪费[6-7]。

综上，初步取首端渠底高程3.2（3.9-0.7）m以下，整段设置1.0 m 高差形成坡降，则出口底高程2.2（3.2-1.0）m 以下，再综合考虑本工程潮位情况、泄水口出水口处渠首端回旋壅水、明渠弯道损失等确定：矩形排水明渠出口底高程取2.0 m，首端底高程取3.0 m，坡降1/2000，底宽6 m，渠顶高程4.5 m（较4.0 m 高程富裕0.5 m）。同时针对不受潮水影响时正常泄水及暴雨泄洪工况以及受潮水影响时明渠泄水工况进行验算如下[8]：

1）正常吹填泄水

两艘绞吸船吹填，清水流量约20 000m3/h，明渠长度较长，正常水深按照矩形明渠恒定均匀流计算（明渠均匀流形成需要有一定条件：一是水流应为恒定流；二是流量沿程不变，即无支流的汇入或分出；三是渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变；四是渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰）。渠内正常水深0.76 m。在明渠出口段，若不受潮水影响，出口即为跌水建筑物，正常泄水应按明渠恒定非均匀流进行验算。采用临界水深进行计算。临界水深为0.45 m，正常水深为0.76 m，该明渠属缓坡明渠。当缓坡渠道末端自由跌落时，自由跌落是水跌的一个特例，相当于下游堤坡变成铅锤跌坎时的情况，水流以水舌形式自由泻落（图3）。因上游渠道底坡为缓坡，缓坡渠道中的均匀流为缓流，其正常水深大于临界水深，取端自由泻落时，水面必为下降曲线，其极限可以降至临界水深，所以在坎缘上水深必为临界水深。但事实并不如此，临界水深发生在坎缘上游lk处。这是因为自由跌落属急变流，而临界水深的公式是假设水流为渐变流情况下推导的，没有考虑流线弯曲影响的缘故。据试验结果 lk=（3～4）hk，hc=（0.67～0.73）hk。但在推算跌坎上游水面曲线时，因lk与渠道水面曲线长度相比，其值可以忽略不计，所以在实际应用时仍假设坎缘处的水深为临界水深。

图3 水跌示意

明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算，采用简明实用的逐段试算法，这种方法不受明渠形式的限制，对棱柱体及非棱柱体明渠均可适用。逐段试算法计算水面曲线（图4、图5），即先把明渠划分为若干流段，然后对每一流段应用差分方程，由流段的已知断面求未知断面，然后逐段推算。

图4 矩形排水明渠跌水曲线

图5 不受潮水影响时吹填排水示意

2）正常吹填加罕见瞬时暴雨泄洪

假设瞬时暴雨使得吹填区液面增高120 mm，根据计算，施工泄水口泄水流量达40 000 m3/h。此时渠内水深1.20 m，满足排水流量要求。

3）受大潮影响时明渠排水曲线的变化遇见罕见大潮时，明渠水流与大潮面形成a1 型壅水曲线（图6），在一定长度范围内明渠内水位将雍高，施工时注意关注排水明渠泄水情况，必要时控制流量吹填或暂停施工。

图6 受大潮影响时吹填排水示意

4 施工过程控制要点

4.1 吹填围堰形成

由于吹填高程、排水渠壅水高度、泄水口入口与出口水位差的叠加关系，在围堰未一次成型到顶前不具备吹填条件，而围堰形成又需使用吹填土。因此，开工前探明吹填区表层粉细砂层分布情况，尽可能使用吹填区范围内表层的粉细砂进行围堰沙袋的充填。若吹填区内粉细砂含量不足，需考虑业主协调预借一期吹填砂进行砂带充填，以确保砂袋形成进度。

4.2 泄水口施工

围堰下有埋管的泄水口，泄水管道一般采用先挖开围堰再埋管的方法进行埋设。在掩埋过程中，极易因土颗粒与管道底面接触不紧密而使得吹填过程中泄水管道底部发生渗水，从而危及泄水口处围堰安全。为了确保泄水口埋设严密不至于发生渗水事故，一般可采取简易措施进行防护。主要方法为预先挖取附近塑性较强的软土或淤泥包铺设与管道底部，确保做好管道底部与围堰之间的密封，防止渗透[2]。

隔堰设置50 m长的高程降低至5.0 m 作为溢流堰式泄水口，用于泄出吹填西分区的吹填尾水，按1 艘4 500 m3/h 绞吸挖泥船泄水流量计算。

4.3 吹填顺序[9]

由于吹填区面积过小，从围堰安全角度考虑，吹填西分区适宜只安排1 艘大型绞吸船吹填，分区吹填顺序上，西分区应先于东分区完成。为加快吹填进度，吹填西分区完成后，两条绞吸船同时进行东分区吹填。

4.3 管线布设

遵照合理选线、减少干扰、尽量顺直、短吹距、管口远离泄水口原则，过程中保持与一期场平工程的密切沟通，确定下埋段或露出段等，避免互相干扰。

4.4 生产能力测算

根据设计吹填土质情况及构成比例、考虑中粗砂等难吹土质占比较大的可能性，平均吹距5.0 km，3 500 m3/h 绞吸挖泥船估算生产率1 100 m3/h，时利率按75 %计，日产量约2.0 万m3；4 500 m3/h 绞吸挖泥船估算生产率1 950 m3/h，时利率按75 %计，日产量约3.5 万m3。

5 结语

1）采用泄水口+排水明渠排水施工方案，可有效解决吹填工程因环保要求而吹填尾水无法直排入河的问题。

2）本文阐述泄水口+排水明渠设计、施工总体思路，即通过对泄水口、排水渠进行相应的水力计算以确定合理的设计参数及施工注意要点。水力计算中主要对泄水口水力特点、明渠均匀流水力特点及明渠后端非均匀渐变流水力特点进行推算，另外还涉及到泄水口出水管口处渠首端部局部回旋壅水、弯道渠流水力计算等过程还需要详细的计算验证，以达到精确确定设计参数、节省材料、经济合理施工的目的。

3）采用埋管薄壁堰式泄水口，结构简单，且通过四面过水能够较大加长泄水口过水周长，降低壅水高度、水流流速，从而降低泄水口处水流对周边吹填水土的抽吸力以降低流失，确保施工环保。