安徽水利开发股份有限公司 蚌埠 233300
摘要：围海造地是人类科学开发利用海洋的重要方式，也是人类拓展生存空间及生产空间的重要手段，世界上大部分沿海国家或地区都有围海造地的历史。我国沿海地区也依照自身的地理优势和经济发展状况积极开展了滩涂围垦，很大程度上缓解了土地供需矛盾。但是在实际的围垦施工中，仍存在很多技术问题和难题，积极采取科学的应对措施已势在必行，本文主要对围垦工作中常见的技术问题进行了实地分析，并提出了相应的优化措施。
关键词：围垦工程；技术问题；施工设备；改进
一、围垦工程中面临的主要问题
近年来，沿海经济快速发展，滩涂围垦工程（先实施促淤工程，待原始滩涂在循环涨退潮过程中淤积2～5年后再进行围垦形成陆地）是缓解人口密集与土地供应紧张的基础发展模式。随着高滩资源日益减少，围垦工程将面临向低滩深水区发展，该区域施工受径流、潮流及波浪的综合作用，水动力条件极其复杂，特别是台风和寒潮作用，增大了施工风险和难度，对施工质量和效率的要求越来越高。传统施工多采用人工方式铺设、充灌充泥管袋，或者利用小型船舶展开袋体充填，施工效率低下，作业人员安全风险大，作业时间受涨落潮影响明显，且充泥管袋施工位置精度受水流流速影响大，水下施工质量难于控制，往往造成袋体铺设不成功，偏离设计位置等，现象面对这样的状况，有必要对滩涂围垦工程存在的问题进行积极地分析和研究，其中关键技术和需攻克的难题主要有以下几个方面：
1、深水区充泥管袋的铺设与定位
传统的人工铺设或小型船舶铺设充泥管袋，安全隐患大，定位偏差大，在强潮流或大风浪的作用下，管袋易破裂或偏移，造成吹灌、筑堤失败，需研发新型的充泥管袋袋体及其深水铺设装备和配套技术，以适应深水围垦的需要。
2、窜沟（原始海沟）封堵及龙口合龙
围垦工程逐步由浅滩延伸、拓展进入深水区域后，经常遇到原始滩面的窜沟（海沟）需进行封堵处理，同时，常年淹没于水下的龙口的堵口合龙难度也大大增加；涨落潮时窜沟或龙口水流流速较大（一般可达5～10m/s），采用普通充泥管袋工艺进行封堵时，极易出现袋体失稳、被急速水流冲走以及冲刷破坏等现象，致使封堵屡屡失败，一次性封堵成功率不足30%；同时，现场作业人员安全风险大，有效施工时间短，效率低下。因此，需研发深水工况下的龙口合龙及窜沟封堵新装备、新技术。
3、海堤软基处理难度大、容易产生失稳与滑移
塑料排水板处理海堤软基技术在近十年间大量使用且取得了良好的效果；但是随着堤线逐渐向深海处推进，堤底淤泥软弱层厚度快速增加，直至达到约30m，排水板处理技术的有效性、时效性均难以满足快速加固处理新建堤基的要求，需研发以爆破挤淤原理为主的新技术、新方法。
4、堤芯闭气土方固结速度慢、制约工程关键工期
海堤施工时，一般在外海侧抛填石料挡潮、在内侧堤芯填筑闭气土方防渗，闭气土直接取自海堤附近浅层淤泥质黏土；此种海涂泥含水率高、力学性能差、固结慢，难以快速形成设计闭气断面，是制约堤坝合龙、影响整个工程完工工期的关键因素；传统施工工艺一般采用活塞式输送泵、桁架式筑堤机等方式进行施工，其对原始土体扰动大、固结慢、土方冲损量大、效率低且成本高，因此需研究一种能够实现“薄层轮加”效果、土体固结速度快的施工装备和工艺。
5、劳动力成本大幅上升、需大幅提升机械智能化水平
围垦行业历来都是劳动力密集型行业，工程建设过程中消耗了大量的劳动力，自2010年起，中国的劳动力成本开始成倍的增长，倒逼施工企业不得不加大机械设备的投入，降低对劳动力的依赖；同时，计算机技术的飞速发展，智能化水平日新月异，充分利用互联网+、智能自动化等高科技来为生产力服务，提高生产效率，是施工技术改进的必由之路。
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二、针对上述问题的主要应对措施
1、铺排船优化改造
大型铺排船在业内被称为“围海造地的航母”，其抗风浪能力强、施工效率高等特性大幅提升了护底软体排及水下充泥管袋施工水平；实际操作中采用增大铺排船船体的同时，采用高强度钢材增大卷筒直径，同时在卷筒内部加扶墙材，合理增大导梁（副卷筒）与卷筒之间的间距，以达到增大土工布袋体缠绕长度的目的，单袋体一次性充灌量过万方，铺排船施工效率大幅提高，施工水域更广泛，安全性更高，深水急流工况适应性更强，可大幅减少劳动力投入，节省人工成本。
2、充泥管袋改进
随着施工船舶的改良、加大，围垦项目不断向深水区推进，袋体在沉放过程中除承受充填砂料自重外，还要承受水流和风浪的冲击，以前的普通充泥管袋强度已不能满足施工强度和深水区复杂水流、风浪环境条件。袋体强度是保证充泥管袋成活率的前提；通过在充泥管袋表面布置专用加筋带，大幅提高袋体的抗拉强度和一次充填体积，满足了机械化施工的需要，同时，大体积高强度充泥管袋的研发和广泛使用，大大降低了普通充泥管袋的废弃量，减少了海洋垃圾的污染，实现了节能降耗，符合国家大力推行的绿色节能战略发展方向。
3、装备自动卷铺、移位程序
充泥管袋铺设施工过程中受水流、风速影响往往会造成袋体偏离设计位置，我公司结合DGPS定位系统、工程测量系统，研发了《铺排船自动移位监控程序软件》（登记号：2014SR033119）、《铺排船自动化卷铺作业程序软件》（登记号：2016SR188761），实现了卷袋、袋体展铺、精确沉排及船体移位自动化。
该程序软件实现了船舶自控系统与施工紧密结合，船舶定位移船系统按照自动控制系统发出的运行指令，沿着制定好的铺排轨迹，及时响应并修正横移绞车的移船速度以及袋体的下放速度，从而得到定量的理想的铺排效果，有效提高了作业效率和精度，带来袋体铺设模式质的飞跃，通过自动控制整合环境参数和设备功能，将依赖于船舶作业人员施工经验控制交由计算机完成，实现了袋体按设计位置精确沉放和整个操作过程自动化、程序化，作业范围和能力也大大提高。
4、创新铺排船船载吹灌装置及施工技术
围堤填筑至平均潮位附近后，铺排船因吃水深度不足不再适用。传统灌袋筑堤施工方法是先筑围堰形成泥库，然后用吹砂船将砂料吹至泥库，再用泥浆泵将砂料往充泥管袋里充灌，进行土方二次倒运需要大量的人力和机械设备，施工进度慢、成本高，因此，亟待研究改进平均潮位以上部分筑堤施工设备及配套技术，减少中间环节，确保在主汛期前完成度汛断面，以满足龙口合龙条件。安徽水利开发股份有限公司在常熟、张家港等项目生产实践中研发了铺排船船载六通吹灌装置，利用铺排船做为作业和中转平台，采用六通吹灌装置控制充填速度、压力，实现了集采砂、供砂、灌袋一体化快速施工技术。吸采砂直接利用长江内砂源，施工中常与航道整治、沙洲治理和清淤护滩相结合，生态环保，综合效率高，符合国家大力推进长江经济带建设政策的方向，社会效益显著。
5、改进窜沟、深槽封堵技术
围堤施工过程中，构筑物改变了水流的方向或流速大小，原有的平衡状态被破坏，会引起局部范围内的冲刷现象。低滩深水区潮流动力、泥沙活动性均较强，围堤临时堤头是沿堤流与绕堤流双重作用部位，堤侧滩地及前方滩面上冲刷加快，易形成窜沟及冲刷深槽。改进方案如下：利用物理模型和数学模型，研究围堤堤头的冲刷深度和范围，预测整治构筑物附近的局部冲刷深度，提出了合理的防护范围和防护后的冲刷深度，在深槽的上下游侧设置抛石棱体进行消浪和阻水，将涨退潮期间的过槽流速降低至4.0m/s以内；利用铺排船进行水下铺设软体排，对槽底地基实施防冲刷保护；深槽的物质边界条件及水流条件满足要求后，可开展封堵作业。利用六通吹灌装置支管对子袋进行充填，主管对母袋进行充填，自水下逐层填筑至平均滩面高程；封堵过程中同步吹填闭气土进行防渗处理，直至封堵工作全部结束。
6、提出了爆炸定向滑移处理淤泥质软基技术
在浙江、福建等地区实施围垦工程时，由于没有吹灌筑堤的砂源，一般采用炸山石料进行海堤填筑；在海域进行抛石筑堤时，由于淤泥软弱层的存在，海堤稳定性难以保证，经常发生加载过程中滑移失稳事故。近年来，塑料排水板处理海堤软基技术得到大量使用且取得了良好的效果，成为近岸围垦的主流处理技术。但是随着堤线逐渐向深海处推进，堤底淤泥软弱层厚度快速增加，直至达到约30m，排水板处理技术的有效性、时效性均难以满足快速加固处理新建堤基的要求，我公司联合北京中科力爆破工程有限公司开发出了爆炸定向滑移处理海堤淤泥质软基新技术，研发了新型装药器（第三代），配置GPS定位装置，可精确控制装药位置，将土力学中常用的瑞典法圆弧滑动原理引入本技术的理论计算中，利用自主研发的《考虑了条间作用力的一种堆石体抗滑稳定性分析程序软件》（登记号2013SR034679）自动计算、分析出堤身断面的最危险滑移面；在最危险滑移面位置进行爆破参数设计，采用倒“U”型包裹式布药，爆破时采用毫秒延时爆破技术，充分减低了区域内淤泥强度，利于抛石体向该区域充分、准确定向滑移，提高了排挤淤工效，实现了炸药用量最小、爆破破坏力最大和准确定向滑移的目的，大大降低了炸药成本，确保堤身断面一次成型，省去理坡工序，淤泥处理深度可达4～35m。
7、研制先进的闭气土施工设备
深水区潮流动力、泥沙活动性均较强，抛石堤施工一般在外海侧抛填石挡潮，在内坡侧填筑闭气土防渗，以确保堤身稳定。而这类土层强度低、含水量大，陆上机械下不去，水上机械上不来，现有的设备难以发挥作用，人工又无法施工，因此确定一种安全、高效、固结速度快的施工设备和工艺，巩固深水急流工况下抛石堤稳定性显得尤为重要。我公司自主研发的链板式淤泥输送机，有效的集中了桁架输送机、泥浆管带等机械及施工方法的优点，结合GPS定位装置及测深仪设计了自行走定位控制程序软件，对填筑区闭气土高程进行适时监测并自动移位，提供了一种防渗闭气土快速填筑的设备和方法，具有施工连续性好、对原状土扰动小、施工半径大、安全性和稳定性高，吹填闭气土填筑固结速度快等特点，通过数个项目的成功应用，充分验证了该工法解决了传统施工方法的施工效率低、工序占用工期长等一系列不足，该淤泥输送机已被同行业其他企业广泛引用，并取得了很好的应用效果，对于围垦工程中巩固围堤、防止渗漏有着格外重要的意义。
新时期水利围垦工程将向着海洋生态修复、航道整治、沙洲治理和清淤护滩等方向发展，传统意义的围垦工程在新时期的发展进程中，也将面临着很多的技术局限性和全新挑战，对现有的市场资源进行充分调查，从装备创新、材料创新和工艺创新三个主要方面入手开展工作，重点开展大型装备创新的研究与攻关；充分把握科技发展形势，利用互联网+、智能自动化等高科技来为生产力服务，提高水利围垦行业的智能化施工水平，仍将是今后发展的主旋律。针对围垦工程所遇到的各种技术问题，积极采取科学的应对措施，最大程度上降低施工阻碍和施工风险，保证施工质量，推动滩涂围垦工程的健康、可持续发展。
论文作者:张剑
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/1
标签：深水论文; 淤泥论文; 海堤论文; 工程论文; 作业论文; 滩涂论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;