大型潮汐龙口设置及截流成套关键技术优化

1）问题提出

龙口是水利水电工程江河截流或围（填）海工程圈围造陆在建造实施过程中的一个临时构筑物，但又是十分重要和关键的构筑物，其设置是否合理、能否成功截流往往决定了整个工程建设的成败。与大江截流相比，长江口青草沙水库大型龙口的截流工艺与结构，因其软土地基、大库区、高流速往复流和船机作业等特点，而有很大不同。其龙口的设置、防护和截流主要涉及以下4个方面的关键技术问题：大库区长坝线上的龙口设置在何处合理；如何准确地预测设计标准下的龙口潮流周期过程动态水力参数；采用何种结构形式对设计水力参数下的龙口进行保护和截流；采取什么样的施工工艺和方法保证安全可靠地实施。

2）技术方法与成果

（1）大型潮汐围区龙口设置。已有研究表明，以围（填）海造地为目的的库区龙口设置一般结合地形和圈围面积，将整个围区分隔成若干个小围区，每个小围区单独设置一个规模适宜的龙口，便于施工组织和风险控制。目前国内小围区的面积一般为2～3km2，几乎不会大于10km2。小围区龙口位置选择堤线上地势相对较低、后期便于施工的地方。如上海南汇东滩圈围三期、四期、五期工程中均采用分仓的方式建设。青草沙库区面积大、地形起伏大、流态变化多、流场极其复杂，给围区分隔带来技术和经济挑战。

在对青草沙库区及堤坝沿线地形地貌特性细化分析的基础上，从水流水动力、施工组织和技术经济等角度，研究确定青草沙库区是否需要设置隔堤对库区进行分仓以及分仓方案。在确定的库区分仓方案下，比较分析适应不同地形且具有不同水力特性和风险特征的龙口选址方案，在此基础上进一步研究龙口不同施工阶段（保护期和截流过程）的适当龙口规模。研究的主要手段为数学模型和物理模型结合，多个数学模型并行工作，实现多种模型相互验证、数学模型为物理模型提边界条件的目的。其中库区分仓对龙口的影响研究主要利用数学模型，龙口不同阶段的规模研究主要利用数学模型和物理模型。

通过库区不同分仓（1仓、2仓和3仓）方案研究表明：库区不分仓方案对河势影响小，施工强度小，进度有保障；而分仓方案对龙口极值流速减小效果不明显，对河道水流影响大，施工交通条件也没有明显改善，而工程费用大幅增加。因此，采用库区不分仓的方案。

比较研究北堤多龙口、北堤双龙口和东堤深槽龙口等龙口布置方案，结果表明，在深槽中设单一大龙口，风险集中在深槽处，虽然施工难度大，但河势影响小，技术可以突破，因此确定采用大龙口方案。

（2）大型潮汐龙口的水力特性研究与截流预报。潮汐河口堤坝截流不同于大江大河截流。受潮汐影响，龙口水流是双向的，水流相对江河的截流更复杂，反映龙口水力特性的参数主要有龙口流速、流量、水位落差等，其中最主要的参数是龙口流速。龙口水力特性与截流设计标准密切相关，目前国内外还缺乏这方面可直接引用的规定。对于一般工程龙口水力特性，目前国内常用做法是用水量平衡作图法近似计算。随着数值模拟技术的不断发展，越来越多的圈围截流工程应用数值模型来研究龙口的水力特性。大型围海工程中，龙口的水力特性一般通过数学模型和物理模型两个手段互为验证。但如果围区过大，物理模型无法模拟整个围区，龙口上水位差（龙口上急流水位跌落、龙口内外的水位响应）控制是项目研究的难点之一。

研究主要通过二维、三维水动力数学模型，龙口局部水流物理模型试验和框笼波浪水池试验，水槽断面试验等各种手段，相互结合并互为补充。在此基础上综合施工条件等多方面因素评价对比，研究提出满足实施要求的龙口水力特性参数。针对施工过程的实际情况，根据潮汐与气象变化，提出开展短历时截流水力预报的技术研究并运用到实践中。(www.xing528.com)

模拟计算揭示的流态表明：最大流速发生在平面上呈平行堤轴线的带状区域，并集中于涨潮期的内坡上部或落潮期的外坡上部；龙口流速受涨潮流控制，涨潮流速远大于落潮流速。立堵和平堵截流方式的龙口设计流速分别为9.5m／s和7.6m／s。经技术经济比较，确定采用平堵截流方式。

研究提出短历时实时现场预报技术并进行了现场应用：在建设期通过收集工程现场最新工况，结合现场水位和流速观测资料，实时调整龙口形态（边界）和上、下游边界条件，每日晚间进行提前12h的计算和预报，于次日早施工前向各相关方发送当日水动力预报成果，为现场方案提供依据。实践证明这一技术为龙口现场截流堵口方案提供了有力支撑。

（3）大型潮汐龙口的护底与截流工艺。已有研究表明，截流过程中随着龙口的缩窄、抬升，可能遭遇较大的水位落差和高流速。这时，通常会采取各种技术措施来保护龙口结构：一是减小龙口流速、落差以及改善流态等水力要素；二是增加基础抗冲能力；三是提高抛投料的抗滑稳定性。青草沙库区龙口设计标准下保护期流速可达7.6m／s，由于长江口区域为软土地基，河床在各种复杂的水动力条件下动荡多变，适用这样的地形地质条件的堤坝，包括龙口护底下填高材料，均为土工织物水力充填砂袋。

针对水下结构船机施工作业特点，从大型土工织物充填砂袋（砂被）保护和平整两个方面着手，研究防止袋装砂被吸出、刺破的问题，控制护底结构物高流速下的稳定，构造可操作的可靠护底结构。借鉴传统的采用块石、框笼、框架、沉船等截流思路，研究便于水上船机作业、截流施工时间控制在一个小潮汛期内、截流材料抗水流稳定性好或能在龙口上易形成整体的截流工艺，以抵抗水头差和过流冲击。

针对水下结构船机施工作业的特点和龙口基础构筑材料的保护要求，研究提出了自下而上分别为大型土工织物充填砂袋（砂被）、高强砂肋软体排、混凝土块联锁排、60t网兜石或30t混凝土块等构成的多层复合保护结构。通过综合比较抛网兜石截流方案、框架插板截流方案、框笼抛石截流方案、桩架截流方案以及桩式子堰方案的优缺点，推荐采用框笼抛石截流方案。结合龙口水力特性研究成果，开发了满足各种设计工况稳定和施工进度要求的无底、临水侧设置适当钢筋网、单个体积900m3的大型钢框笼及相应的框笼吊装安放和抛石截流施工工艺控制要求。

（4）大型潮汐龙口截流施工关键技术。快速高效地对高流速下的龙口底部进行护底结构保护并择机截流是龙口截流施工的难题。针对高流速、宽深潮汐龙口以及新型截流工艺和结构，研究采用可靠而高效的施工工艺，确保龙口在短时间内安全顺利地一次性合龙。

针对龙口在高流速状态下进行护底保护施工和快速合龙的难点，结合室内试验和现场试验，研究提出了1300g／m2高强土工织物软体排加工工艺、龙口护底保护结构施工工艺，并研制出了60t尼龙网兜石和30t混凝土块水下安放自动脱钩吊具；提出了主龙口截流施工的综合监测技术。