河道疏浚吹填施工技术应用分析

朱 启

(安徽省引江济淮集团有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

疏浚是指发生于江河、湖泊等水域的疏通活动,采用爆破、土石开挖等方法,结合现场港口、河道等特点进行改扩建,实现疏通。吹填是从水下挖砂土,通过排泥管线、泥泵等装置的共同应用,将开挖产生的砂土传输至地面,用于填平指定的地点。[1]在引江济淮工程东淝河项目中采用疏浚吹填施工技术,高质量完成工程建设,对引江济淮工程的顺利通水通航具有重要意义,同时也有利于当地泄洪、排涝和生态环境的改善。

1 工程概述

东淝河位于安徽省淮南市境内,施工桩号为J77+070～97+505,J141+600～151+008,主要包括河道疏浚29.843km,围堰填筑、吹填和水土保持等施工内容。设计疏浚边坡为1∶3,设计宽60m,底高程13.4m,按Ⅱ级航道标准设计,水下疏浚工程量总计约9 689 600m3,设计7个排泥场用于疏浚排泥充填。

2 河道疏浚吹填施工技术

2.1 设备选择

考虑东淝河沿线分布有城市饮用水取水口和国控断面,施工期对河道水质不可避免地产生一些影响,结合太湖、巢湖等地疏浚工程实际经验,绞吸式挖泥船是适合该河道的施工船型。[2]结合土质、排距、排高等因素综合分析施工生产率,其中设备利用率80%,时间利用率75%,生产效率为500m3/h,日平均工作时间18h,根据绞吸船的理论生产能力计算,月产量可达162 000m3,单艘船舶施工需要59.8个月完工。

2.2 施工准备

绞吸式挖泥船施工前,应先经过全断面扫测,摸清水下障碍物及障碍物的大体位置,不影响挖泥船施工障碍物直接清除,影响施工的采用液压抓斗船进行清除。[3]

2.3 施工测量

测量人员根据图纸进行测量放线,高程精度满足五等水准测量的精度,平面位置偏差满足设计要求。挖槽位置有明显标志显示,纵向标志设在挖槽中心线和设计上开口边线上,槽向标志设在挖槽起点及施工分界线及弯道处。平直河段每隔50～100m设立一组横向标志,弯道处应适当加密。在施工作业区内必须设置水尺,水尺设置在便于观测、水流平稳、波浪影响最小和不易被船艇碰撞的地方。[4]

2.4 排泥管线布设

排泥管线由水上管、陆地管组成。遵循“近土远扬,远土近弃”的原则,避免出现远挖远吹现象,排泥管线与挖泥船泥泵功率相匹配,以保证吹填扬程。

2.4.1 水上管线

水上排泥管线采用一节胶管连接一节排泥标准钢管方式组装,每节标准钢管安装钢质浮体上。水上浮筒在临时码头进行组装,在水上管线与水下管线连接处的两套浮体的排泥管上安装排气阀,避免施工船启动开车时,水下管线突然浮起,影响辅助船只的航行安全。

2.4.2 陆地管线

采用标准排泥钢管之间硬连接的方式组装,陆地主线每200m增加1个排泥胶管,以便增加其伸缩性。排泥管口搭支架支撑,梗内陆地管架设因为刚刚吹填的疏浚土,地基湿软,需要搭支架支撑。

2.4.3 出口布置

排泥管出口的布置以远离出水口为原则,这样退水时的流径得到延长,水中的泥浆会加速沉淀、从而会减少泥浆流失量,保证退水水质合格。考虑到水流冲刷围堰,采用木桩打管架的方式将出口垂直围堰布设,管口高度高出设计高度0.5m,吹填管口与围堤及隔埂的距离不小于5m,以保证围堤和隔埂稳定及安全,且不得损坏围堤与隔埂结构。采用长度为3m左右的木杠打到地基的持力层,上部挡方木,下部绑扎横杠,每1.5m一个断面。

2.5 挖泥作业

挖泥船挖较硬的黏性土时,其一次切削厚度应通过试验确定。绞吸式挖泥船施工参数见表1。

表1 施工参数

2.5.1 开挖方式

东淝河疏浚采取了新工艺进行水下疏浚,挖泥船采用纵向分条的方法,使得条与条之间留有5m重叠区,根据设计图纸,在CAD上设计模型,施工船舶配备了先进的南方测绘自由行水上施工设备(GPS定位系统),设备精度误差在0～10cm,并将施工图导入GPS定位系统,可以有效观测施工船舶的分条区域施工状况,确保施工质量。

2.5.2 边坡开挖

计疏浚边坡为1∶3,根据施工规范,采取下超上欠的多级阶梯梯形开挖法,自然塌落形成边坡方式。分层阶梯形开挖,根据设计边坡及泥层厚度合理分层,使边坡施工质量最大限度地满足设计要求,疏浚超宽每边控制在0.5m。[5]当疏浚区域泥层较厚时,按下列规定分层施工,分层挖泥的厚度应根据土质和挖泥船斗轮头的性能取斗轮头直径的 0.5～2.5倍,对坚硬土取较低值,对松软土取较高值;分层的上层较厚(按0.8～1.5m控制),以保证挖泥船的效率,最后一层应较薄(按0.5～1.0m控制),以保证工程质量;当浚前泥面在水面以上,或水深小于挖泥船的吃水时,最上层开挖深度应满足挖泥船吃水和最小挖深的要求。[6]

2.5.3 挖深

在施工区域内,绞吸船采用“上层取平,中层取量,下层保质”的挖泥方法。在上层挖平的基础上,中层可以加大挖掘力度,提高主机、绞刀的转速以及横移的速度,或加大进尺,或加大挖厚,让挖泥船在最大功率下工作并保持最佳工效状态。在挖掘底层时,可以采用正反刀挖掘法和一刀挖掘法,并确保质量层平整。此外在开挖过程中考虑回淤问题,将开挖超深控制在0.3m,以保证开挖达到设计要求。

2.5.4 岩脉的开挖

部分河段存在岩脉,会导致绞吸式挖泥船工作效率明显降低。此时要采取水下爆破的措施,采用炸礁船水下钻孔爆破方法。炸礁船进行定位后,利用船上钻机钻孔,一次性钻孔至设计要求高程,然后装药起爆。爆破完成后采用水上长臂挖掘机清渣,用装驳船运至岸边临时码头后,再用挖掘机转装自卸汽车运至排泥区,埋至排泥区下部。

2.6 吹填作业

2.6.1 围堰施工

首先对排泥场表土进行剥离并集中堆放,表土剥离厚度为0.3～0.5m,然后利用现有的塘埂由外向内逐区填筑,根据排泥工程量,考虑风浪影响、沉淀富余水深和安全超高等,最终确定填筑高度为4m。根据排渗、退水需要,在围堰外围设置排水沟,在排泥场区周边,平行于围堰外边线2m处开挖截水(渗)沟排水沟贯通于围堰外围,底宽1m,高1.5m,边坡比为1∶1。

2.6.2 格埂施工及优化

在适当位置设置格埂,使水流呈S形环流,以减少泥浆的流失。隔埂最终填筑高程为4.0m,边坡按1∶1.5控制。

图1 排泥场格埂工艺优化

2.6.3 退水口布置

退水口的位置以尽可能延长泥浆沉淀路径为原则,同时兼顾与退水口外现有水系沟通,使泥浆在排泥区可以沉淀,减少退水口中尾水的含泥量。退水口的退水系统是由退水口的溢流井、排水管涵、出口消能段三部分组成,如图2所示。

图2 退水口结构示意图

2.6.4 吹填施工

在吹填前,将吹填区内的障碍物清除出吹填区。每级放水和沉淀间隔时间至少为6～12h。若吹泥出口远离退水口时,可采用边吹边放水的方法,来提高吹填施工效率。此外,加强出泥口含泥量控制,避免泥沙淤积,通过移管来保持吹填土的均匀性,吹填施工如图3所示。

图3 吹填施工

2.7 疏浚土处理

疏浚土处理是疏浚工程的重点和难点,引江济淮工程中所有排泥区都是租用的临时耕地,在疏浚结束后要快速对疏浚土进行固化,进行复垦移交。排泥场自然晾晒需要2～3年,时间成本太高,且下卧层承载力难以提高。而传统的堆载预压、土工管袋及真空预压固化等处理方法存在成本高、技术复杂、易对周围环境产生二次污染等缺点,此外不能处理疏浚底泥中可能存在的重金属、有机物,不利于排泥场复垦农用。

2.7.1 工程处理措施

排泥区表层覆水工程排水预处理措施,分2个阶段实施。第1阶段为静置,关闭排泥区的泄水口,减小排泥区内的水流速度,使悬浮物充分沉淀。第2阶段为初期物理排水,在排泥区覆水较为集中区域的围堰上,每隔30～50m开挖排水沟,排水沟底部铺设水稻秸秆,用于吸附水中的悬浮物,结果表明SS的去除率在41.1%～56.9%,平均去除率为52.5%。

2.7.2 植物处理措施

通过在新近吹填的浅表层疏浚土种植皇竹草和高丹草,同时结合工程排水措施,能够在一定程度上促进浅表层疏浚土的脱水固化,种植5个月后,承载力最高达到90.7kPa。[7]皇竹草还能吸附土壤中重金属[8],该措施经济、生态、环保,适合在排泥场快速固化中推广使用。生态固化后的排泥场如图4所示。

图4 生态固化后的排泥场

2.7.3 辅助固化措施

植物生长期结束后,人工收割高丹草并将秸秆均匀地平铺在排泥区表面。对于1m深度承载力未达到40kPa的区域,采用水上挖掘机,由排泥区边缘向内部逐步对疏浚土进行翻晒,同时将收割的秸秆与疏浚土一同搅拌翻晒,翻晒厚度为1m,直至表面形成50cm厚度的硬壳层,判断标准为表层50cm土壤平均含水率低于40%。按照上述方案逐步向纳泥区中心区域推进,直至纳泥区所有区域均形成50cm左右厚度硬壳层。

对于表面已形成50cm厚度硬壳层的区域,将堆土区的原状剥离表土回填至排泥区表面,回填厚度为50cm,并利用推土机摊平和压实。高丹草的种植具有一定的季节性,安徽地区的最佳种植期为4—6月,种植过晚会导致种子萌发率下降或生长期过短,致使植物生长发育不理想,直接影响排泥区的固化和改良效果。因此,必须根据项目排泥区吹填计划,科学安排生态固化和改良技术的实施。排泥场固化施工工艺流程如图5所示。

图5 排泥场固化施工工艺流程图

3 河道疏浚吹填质量控制措施

3.1 疏浚质量控制

绞吸式挖泥船安装了南方测绘自由行施工软件,结合设计和施工要求,分片、分区、分段、分层有序开展施工。为了避免形成欠挖土埂,条与条之间一般不少于5m的重叠区,在施工范围内设立固定水尺,随时掌握水情变化,在进行边坡开挖时,必须按照设计要求进行放坡,此外还要注意超挖、欠挖。

3.2 吹填质量控制

根据管头泥面堆积情况,经常改变或移动管头方向和位置,防止泥浆堆积,促进泥浆整体流动,对排泥区原地面局部高差较大的地方,排泥管管头先布置在深坑,待泥面高出原地貌一定高度后再调整到合适位置。排泥区泥面水位高度由退水口挡板高度决定,围堰前期泥面尚未高出原地面,清水排出,一般泄水口挡板尽量降低,以促进底层泥面流动和泥面密实,有利于抛泥区围堰底部安全。泥面高出原地面时尽量保持清水流出,但排泥场内水深应控制在0.3～0.5m,一方面保证围堰安全,另一方面保持抛泥区泥面的流动。

如果围堰面积较小,施工进度快,为保证围堰安全,控制吹填平整度,可采用相邻两个围堰交替吹填,结合挖泥船管线布置,一个围堰吹填一部分,再吹填另外一个围堰,吹填结束后及时排水,有利于泥面高差控制和固结。

3.3 含泥量控制

通过控制退水口高程,实现退水流速的调节。当排泥场水位标高逐步增加,根据退水含泥浓度及时调整挡板的高度,确保吹填施工过程中该装置均高出吹填泥面0.1～0.2m,以此增加排泥场泥浆的沉淀时间。

3.4 生态固化质量控制

降雨发生后,排泥区物理排水系统需要在24h内排干降雨产生的积水,以防止水淹造成高丹草死苗,如排水不畅则应对排水沟适当加深、加宽。须在专业厂家采购高丹草草籽,种植前应开展室内萌发试验,发芽率不得低于85%。安徽地区的高丹草种植时间为4—6月,夜间最低温度不低于15 ℃。

在种植时,排泥区表层5cm土壤含水率不得高于70%,并尽量避免在连续高温天气播种。播种15天如发芽率低于65%,要及时补种。高丹草叶片数为11～12片后,利用无人机施撒尿素,尿素总氮的质量分数不得低于46%,施肥量为15kg/亩。

4 结束语

东淝河疏浚施工采用了环保绞吸式挖泥船,在施工过程中对水体扰动较小,污染扩散范围小,适合在环保要求高、水质要求高的内河疏浚中使用,施工过程中优化了施工工艺,有效提高了疏浚吹填质量。疏浚土处理中采用了“自然沉淀+周边排水+速生植物吸水和根系加筋”的疏浚土排泥区生态固化和改良技术,与自然晾晒风干相比,该技术可以显著促进疏浚土的脱水固化,创造显著的经济和生态价值。

综上所述,河道疏浚吹填是一项工程量非常大、施工较为复杂的施工过程,在河道疏浚吹填施工中,应在充分了解施工区域河道内的地勘资料、工期要求、环境特点、通航要求等前提上选取合适的施工机具和方法,并合理规划施工方案,确保各项保障措施落实,以保证疏浚吹填施工效果。