水下土方疏浚吹填施工技术研究

南铁雷

（中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 咸阳 712000）

1 施工安排及部署

引江济淮工程J002-1（河渠）标段7.5m 高程以下部位为疏浚和吹填工程。水下土方开挖主要使用绞吸式、斗轮式两种类型挖泥船进行施工，水中障碍物拆除水位变幅区或桥下无法使用绞吸式挖泥船（斗轮式挖泥船）的部位使用反铲式挖泥船配合泥驳进行施工，拆除的障碍物通过泥驳运至老河道排泥区或码头，再从码头采用挖掘机配合自卸车运至排泥区。

水下疏浚遵循“近土远调、远土近调”的施工原则，分块、分段、分层、分条开挖。选用500m3/h 斗轮式挖泥船（绞吸式挖泥船），采用扇形横挖法施工，开挖宽度为35m 左右；计划投入2 个河道疏挖施工队，各配备2 艘挖泥船及配套设备，包括锚艇、拖轮、油驳、交通艇等辅助船舶和排泥管等配套设施。对于排距大于3km 的部位，采用接力泵接力的方式进行疏浚施工。

排泥场退水设施采取竖井退水方案。泄水口以确保排泥区的退水需要，1 号排泥区泄水口设置≥2 个，其他小型排泥区设置1 个。泄水口前安装布置拦污网，以确保漂浮物拦阻。泄水口通过排泥场外退水沟或附近排涝干沟排水至河道。排泥场区外围，平行于围堰外边线6～8m 位置挖截水（渗）沟，满足围堰渗水截留需要。

2 排泥场平衡及规划

2.1 排泥场需求容量计算

排泥场需求容量根据《疏浚与吹填工程技术规范》（SL 17—2014）中相关计算公式及不同土质情况相关参数的取值进行计算，即水下排泥容量，如式（1）所示。

式中：Vp——排泥区容量，m3；K′——排泥不均匀系数，可根据排泥方式、设备性能、土质、水流速度等确定，取值范围为1.05～1.20；Vw——设计疏浚土方量，m3；Ks——土的松散系数，宜通过试验确定，无试验资料时参考《疏浚与吹填工程技术规范》（SL 17—2014）规范P19～P20 页细粒土、粗粒土松散系数表3.3.4-1-2 选取[1]。

本项目水下土方设计开挖量约600 万m3，转换成虚方为600×1.1×1.15=759 万m3，即排泥场总需求容量为759 万m3。

2.2 排泥场围堰施工

本工程排泥场围堰均为筑土围堰，堰顶设计宽度3m，围堰底部高程约9m，顶部高程12m，充填高程为11.0m，内外侧边坡均为1:3；围堰填筑压实度≥91%。围堰施工流程如下：定位测量→清表→挖运及铺筑→分层压实→边坡防护。

3 排泥场退水系统

3.1 退水口位置选择

退水口位置的选择遵循“利于沉淀、吹填平整及分布均匀、余水含泥少”的原则，根据吹填区地形条件、吹填管及排水通道布置位置等综合考虑，将退水口布设在远离排泥管线出口处或吹填区的死角位置。

3.2 退水井结构选型

退水系统由退水竖井结合退水管道、消力池、退水明渠组成。退水井是退水系统的关键，是系统安全正常运行、回水泥浆浓度有效控制的关键。根据经验积累，针对排泥场容量大、回水流量大、施工周期长等特点，选用可自由调节排泥场水位的混凝土竖井结构。

3.3 退水系统设计

3.3.1 退水流量计算

退水口水力计算：本工程拟投入4 艘出泥量为500m3/h 的绞吸式、斗轮式挖泥船施工，根据施工强度分析，JHGT-1 排泥场布置2 艘、JHGT-2-1、JHGT-2-2和JHGT-2-3 排泥场各1 艘，挖泥船出泥量为500m3/h（为挖泥船清水流量的10%），考虑设备利用率，设计出泥量乘0.85 的系数为实际出泥量；挖泥船施工日有效时间按20d 选取，退水流量的系数可为20/24≈0.833。

（1）排水流量确定。

根据河道疏浚水下方的土方平衡，PN-1 排泥场最大的退水流量即2 艘挖泥船向该排泥区进行吹填。则按此最大退水流量为：Q最大退水=（5150×2）÷3600×0.85×0.833=2.03m3/s。

（2）计算堰宽。

退水竖井可在泄水口位置通过调整挡水板来控制泄水流量和水位大小，泄水流态按照薄壁堰流考虑。根据疏浚吹填工程设计规范（JTS 181-5—2012），堰顶过水宽度可按式（2）计算：

式中：b——溢流堰的宽度，m；P——泥浆浓度，%；Q——泥浆总流量，m3/s；H——溢流水头；K——修正系数，根据经验一般取1.1～1.3；本标段取1.2；m1——溢流堰流量系数，根据规范表10.9.3-1 确定，取0.43；g——重力加速度[2]。

经计算，堰宽b=2.57m，则单边井宽为L=2.57÷4=0.64m，考虑退水管管径，单边井宽取1.5m。

（3）退水涵管管径计算。

JHGT-1 排泥场在靠近排泥场的东北角和东南角分别设置一个退水口，最大退水流量为2.03m3/s。退水涵管与竖井使用混凝土浇筑为一体，根据钢筋混凝土圆管水力学计算公式，计算公式如式（3）所示。

其中：V——流速，m/s；D——管径，m；i——水力坡降，取3.3%；n——粗糙系数，取0.013；Q——流量，m3/s，2.03m3/s；A——水 流 断 面，m2；R——水 力 半 径，m；P——湿周，m[2]。

经计算，D=0.75m，综合考虑雨季施工、水流条件及其他因素影响，管道直径取值按D=1.2m 确定。

（4）退水明渠。

退水明渠采用现有河道、沟渠，将原有沟渠的坡面及沟底进行清理，通过新建建筑物将余水排至派河；刘夹河涵设计排涝流量为7.39m3/s，走马沟排水涵设计流量为10m3/s，均大于2.03m3/s，过流断面满足要求。

3.3.2 退水竖井设计

退水竖井的作用是保证泄水口尾水含泥量不大于3%。退水井主要结构如下。

（1）退水竖井井柱及底板均为C20 混凝土结构。

（2）立柱内布设10 根φ14mm 的螺纹钢和φ8mm的圆钢箍筋与基座相连，与基座浇筑成一体。

（3）立柱顶高程同排泥场围堰顶高程平齐。立柱两侧预留凹型挡板槽，用于加放挡板。相邻立柱之间加设钢筋混凝土连系梁，用于增加立柱的侧压力。连系梁从立柱顶端开始设置，每1.5m 加设一道。连系梁的断面尺寸为0.1m×0.15m。

（4）挡板采用槽钢，用于插入相邻立柱的凹槽中，采用增减槽钢来调节泄流量及排泥场内水位，加放闸板的高度每次不大于30cm。

（5）退水涵管采用2000mm×φ1200mm 的混凝土预制管若干节，接头采用承插联接，穿过排泥场围堰堰体，排至现有渠道。

4 水下土方疏浚

水下土方疏浚主要施工工序如下：测量定位、放样→施工标志设立→水上、水下障碍物拆除及清理→观测水尺设立→排泥管架设→挖泥船施工→疏浚和吹填工程→排泥场冲填及泄水工程→质量检查和验收。

4.1 水上、水下障碍物拆除及清理

根据本工程实际情况，水上、水下障碍物主要为码头、边坡砌石、砖头瓦块、小型建筑物、树枝以及建筑垃圾和生活垃圾等河道障碍物，障碍物清理采用反铲式挖泥船，挖泥船配备2m3长臂挖掘机配合150m3泥驳拉运至老河道排泥场（裁弯取直段充填区）或拉运至码头，通过岸上反铲配合自卸汽车拉运至排泥场。

4.2 排泥管线架设

输泥管由浮管、潜管、岸管组成，管径为650mm；水上浮管的安装采取浮筒，浮筒采取抛锚固定。安装时先连接水中浮管和挖泥船，然后再进行水中浮筒安装，安装完成后，与岸上的管线连接为一体，浮筒利用抛锚进行固定，施工时需要防止锚缆埋死。岸管采取人工直接安装，为了保证施工时围堰的安全，岸管出泥管口位置应当距离围堰坡脚大于2m，出泥口最低点距离排泥面应大于0.5m。排泥管的安装必须牢固可靠；水中与地面排泥管相接部位必须用柔性接头连接。排泥管布置必须平顺，避免打弯。输泥管主管路沿新堤堤顶道路背水侧路肩处铺设，支管过堤防时利用钢管上部覆土措施。

4.3 挖泥船施工

水下疏浚按照“近土远调、远土近调”的原则，分区、分块、分层、分条开挖。本工程选用规格500m3/h 的斗轮式、绞吸式挖泥船，以定位桩为中心，绞刀横向移动，摆动挖泥，横移锚锚缆抛在开开挖边线以外，锚定方向与船身夹角应当大于45°，以不背不吊为原则。土料通过排泥管线吹填到吹填区。

4.3.1 疏浚开挖的分区、分条与分层

（1）当挖槽区域宽度超过挖泥船单幅挖宽时，可分条开挖，钢桩固定施工的最大挖宽一般为挖泥船投影范围的1.1～1.2 倍或按照左右摆幅80°确定。

（2）当挖槽区域长度超过管线伸展长度，需进行分段开挖。

（3）分层施工需按照设备性能、开挖总厚度、泥层土质等因素，分层开挖时采用“上层厚、下层薄”的原则，大于3m 小于5m 的段落，第一层3m，第二层2m，大于3m 小于6m 的，第一层3.5m，第二层2.5m。由于施工区受水位影响，考虑挖泥效率，先疏浚水位合适的区域，然后，根据水位的变化，选择合适的区域，假如水位不能满足挖泥船的施工水深条件，侧开槽进入施工区。

（4）分条之间需搭接大于1.5 倍泥层厚的宽度。绞吸式挖泥船绞刀的选型需要根据泥层土质确定，并结合现场情况，确定最优开挖厚度、横向移动速度和向前移动距离，以确保较好的工效及施工质量。

4.3.2 疏浚施工方法

挖泥船操作时以单根钢桩为主桩和步进桩，瞄准开挖区中心位置插入河道底部，用作横向移动的中心，通过绞刀架前端摆动缆收放，左右摆动挖泥，摆动方向与船身夹角＜45°。并用另外一个钢桩换桩台车保证跨步向前。下放绞刀至泥面搅动泥层，在泥泵的作用下，泥浆通过吸泥管、排泥管到达指定排泥区。步进桩向前移动路径需保持在开挖中心线上，并且确保距离相等、跨步均匀，保证绞切路径始终平缓向前移动，防止漏挖或重复开挖，其绞挖路径为月牙形状。

利用钢桩固定横向开挖时，根据现场实际情况将中部位置分为两层，边线位置分为一层实施。中部位置切入分两层实施重复开挖率小，吸入的清水量小，高效质量有保证。边线部位切入按照一层实施较简单方便，但是回程途中重复开挖和吸入清水量的情况较大。

（1）绞吸式挖船施工按分条分层法开挖，绞吸船能适应除风化岩外的各类土质，施工时根据现场施工土质的实际情况选用合适的绞刀架及绞刀齿或斗轮，并根据土质的变化采用合理的绞刀（斗轮）转速、泵机转速、横移速度等技术参数。

（2）反铲式挖泥船施工主要用于水上水下障碍物清理，水位变幅区、桥梁下方及边坡刷坡等部位进行开挖。

为了保证反铲挖泥船疏浚施工、平板驳运输等工序衔接有序，每个施工区配置1 艘抓斗式挖泥船，每艘反铲挖泥船配2～4 艘泥驳。用平板驳将弃土运抵抛泥区域，绞吸式挖泥船全部吹填到排泥场内，对于砌石、混凝土块及树枝等绞吸式挖泥船无法吹填的，采用泥驳运至码头，由岸上反铲配合自卸汽车拉运之排泥场或泥驳直接运至老河道排泥场。

5 结语

引江济淮工程J002-1 标水下土方疏浚工程施工，通过科学合理的施工组织及制定切实可行的技术措施，各项建设成效得到了各方的一致肯定。在施工过程中总结的各项流程、关键技术、施工工艺等，可以为类似项目施工提供可借鉴经验。