二、建设胶莱运河需要两种堤坝

来源:何富荣   发布时间:2015-05-21 03:32:44 

建设胶莱运河需要两种堤坝

何富荣

山东拟建胶莱运河一事引起了各方面的关注,建设这条人工运河在工程技术方面主要存在两个问题:一是建设河岸防护堤坝需要同时解决土地盐碱化问题;二是运河两端入海口需要破除拦门沙建设深水航道问题。采用现有施工技术建设这些工程将会遇到施工难度大、工程造价高、建设周期长、安全稳定不容易解决等方面的问题。因此能否顺利建成胶莱运河成为很多人都在关心的问题。

10年来黄河口地区研究出一种国内外均属首创的水力插板技术。1997年开始现场应用,至今已获二十项专利,建成八十多项工程,显示出巨大的优越性。今年初夏季节在松花江采用这项技术建设河岸防护堤坝,现场插板仅用1个月时间就建成水力插板堤坝9km,基础入地深度8m,全部为顺丁坝结构,整个堤坝不存在任何渗漏和“管涌”等安全隐患问题,是一条松花江任何洪水也冲不坏的免维护堤坝。从安全稳定、施工速度和工程造价方面进行综合对比,目前世界上还没有其它任何施工技术建设的堤坝能够达到这个水平。这项技术用于胶莱运河建设能够有效的解决工程技术方面存在的主要问题,并将以较少的资金投入顺利完成建设河道防护堤和破除拦门沙量两项关键任务。现将情况分述如下:

一、运河两岸防护堤坝的工程建设模式

胶莱运河连通两个海湾,建设运河防护堤坝需要同时解决安全稳定和预防土地盐碱化问题。安全稳定方面要能够抵抗风暴潮灾害的破坏;防止土地盐碱化则必须搞好地下截渗防漏工作。要同时解决这些问题目前最有效的办法就是采用松花江防护堤坝这种建设模式,现将具体情况作如下说明:

(一)松花江河岸防护堤坝选用水力插板的情况

地处松花江、嫩江、第二松花江汇合口的几个油田防洪度汛和保护松花江水源不受污染都面临十分艰巨的任务。2005年冬天吉林石化爆炸事件污染松花江引起了各方面的高度重视,中石油和吉林油田领导要求2006年汛期之前必须在松花江建成三段防洪堤坝对几个油田和过江管线进行保护。这一地区的冻土层六月初还不能完全化透,工程要求 6月底完工,也正是在这种特殊要求的情况下,经过方案对比只能选用水力插板进行建设。这三个工程段长度总计6478m,共使用水力插板5100块,需要建成水力插板堤坝9026m,其中顺坝6478m、丁坝2548m。现场插板经过一个月时间除第二工程段有700m由于其他原因进度稍有推迟之外,其余水力插板堤坝全部按时完成,当年汛期就发挥了重要的作用。

松花江三段河岸防护堤坝建设位置示意图如下:

(二)松花江河岸防护堤坝工程建设实况

1、松花江河岸防护堤工程结构如下:

2、松花江河岸防护堤坝建成之后的情况

(三)胶莱运河防护堤坝采用水力插板具有的特殊优势。

1、安全稳定性能极大的增强。一是基础入地深度可以完全按照防止风暴潮灾害的实际需要进行建设;二是工程结构采取顺丁坝结合的形式,丁坝的支撑和挑流作用进一步增强了堤坝的安全稳定,是一种长治久安的免维修堤坝。

2、能够有效的防止运河两岸土地盐碱化。

地下截渗墙是防止土地盐碱化的主要措施。水力插板堤坝的特点是基础入地深度远远超过了堤坝本身的高度,露出地面的部分是堤坝,插入地下的部分就是截渗墙。分散单块的水力插板能够变成一道完整的截渗墙是因为它具有一套独创的桩板连接技术,插入地层的砼板通过封闭隔水道和注浆固缝两项措施之后变成了一块整板,板与板之间结合部的密封程度和连接强度能够达到和超过钢筋砼板本体的性能,密封状况优于目前的各种截渗墙(参看前面两板结合部注浆固缝前后横断面图)。因此水力插板用于建设大江大河的防洪堤坝可以消除渗漏和“管涌”等安全隐患问题,用于建设胶莱运河防护堤坝则能够有效的防止两岸土地盐碱化问题。

3、工程造价低、施工速度快是水力插板建设胶莱运河的又一优势。由于水力插板实现了预制化、工厂化生产,现场施工省掉了开挖基础坑、打围堰、打降水、构筑基础等大量的工作量,因此工程造价方面具有明显的优势。施工速度方面以松花江河岸防护堤坝为例,所用的水力插板长度6.5m8m,宽度1.66m2.6m,厚度0.24m,插入地层的速度一般可达到每分钟2m,一套设备24小时能够建设堤坝134m。每个工程段又都可以同时摆放多套设备进行施工。因此采用水力插板建设胶莱运河防护堤坝无疑是速度最快的一种施工方式。

二、胶莱运河入海口能够顺利破除拦门沙建成稳定的深水航道

胶莱运河两端入海口必须各建一段深水航道才能让大型船舶通过运河进入深海水域,解决航道水深不够的问题有两种方法,一种是用挖泥船清淤疏竣形成航道,另一种是建设两条拦沙堤坝,在两条堤坝中间形成航道。第一种方法挖成的航道会不断淤积很难形成深水航道,第二种方法能够建成稳定的深水航道,但施工建设难度大。目前世界上采用两条堤坝破除拦门沙建设深水航道主要有两种形式。一种以美国密西西比河口为代表, 工程结构为抛石坝,1902年开始建设,两条堤坝前端已达-13m海域,建成之后发挥了很好的作用。虽然这条河流每年有5亿吨泥沙入海,仍然形成了12.5m的深水航道,是破除拦门沙建设深水航道的一个成功范例。同时我们也应该看到美国人为此付出了很大的代价,直到现在仍然由美国陆军工程兵团在维持这项工作。中国的黄骅港属于这种建设方式,通过两条拦沙堤破除大口河拦门沙形成所需要的航道。两条拦沙堤前端已达-6m海域。作为大型港口这一深度是不够的。当前的情况是继续修建拦沙堤存在一个施工难度大、投资数量大、安全稳定不容易解决的问题。采用挖泥船疏浚维持航道深度又存在一个频繁淤积的问题。这一状况对发挥黄骅港的作用造成了一定的影响,对希望采用拦沙堤建设深水航道的人也造成了一定的影响。

第二种方式以长江口为代表。采用一种半圆型钢筋砼预制件作为堤坝的上部结构,这种结构有利于增强抗风浪能力,但在工程造价方面仍然偏高,长江口49km航道建设两条拦沙堤预算投资123亿元,平均每公里2.5亿元, 一般的地区推广应用比较困难。

通过密西西比河口、长江口以及黄骅港的情况分析,可以清楚的看到目前国内外破除拦门沙建设航道拦沙堤的几种方法还普遍存在施工难度大、工程造价高、安全稳定不容易解决等方面的问题,所以破除拦门沙建设深水航道也是一个世界性的难题。正是由于这个问题的存在,河口拦门沙目前是江河连通大海最大的障碍,很多地方宁可投巨资到深海中去建设港口码头,也不愿涉及破除拦门沙建设深水航道的工作。胶莱运河两个入海口如果不能迅速的破除拦门沙形成稳定的深水航道,建设运河也就失去了意义。面对当前的实际情况,必须依靠科技进步才能突破这道难关。

拦门沙难以破除实际上指的就是两条拦沙堤坝难以建成,矛盾的焦点是一个安全稳定问题。由安全稳定问题又引发出施工难度大、工程造价高、维修工作量大等一系列问题。面对这种现状在很多人思想上形成了拦门沙无法破除的观念。主要的原因是他们没有看到现有施工技术在海中建设堤坝存在两个致命的弱点:一个是堤坝基础摆放在海底地面上,在水流冲刷掏空作用下容易造成基础破坏。另一个是堤坝结构由一块一块的毛石以及栅栏板、扭工字块等组合而成,在风浪冲击作用下容易造成坝体破坏。特别是上部坝体(退潮时露出水面以及受破碎波影响严重的部位)受风浪冲击破坏的情况更加严重。面对基础不稳和坝体不牢这两大难题,水力插板堤坝却能够以它独特的结构形式有效的加以解决。一是这种堤坝基础入地深度远远超过了堤坝本身的高度,抗水流冲刷掏空能力有了极大的增强,解决了基础不稳的问题。二是这种堤坝是钢筋砼整体结构,上部堤坝和深深插入地下的堤坝基础是一个预制成型的整体,比摆放在海水中的钢筋砼预制件具有更强的抗水毁能力,解决了坝体不牢的问题。三是水力插板两侧根据实际需要抛投毛石形成一定高度的护坡进一步增强了堤坝的安全稳定。这种结构形式决定了水力插板在海中建设堤坝具有推不倒、打不烂、折不断的特殊优势。

影响插板堤坝安全稳定的主要因素有四个方面:①堤坝基础入地的深度;②水力插板的抗折强度;③插板两侧抛投毛石形成护坡的高度;④水力插板堤坝的组合形式。这四个方面都可以通过工程设计提出具体的要求,而满足这些要求又都是一些很容易办到的事情,因此解决航道拦沙堤的安全稳定实际上也就控制了主动权。

解决了安全稳定这一主要难题,工程造价太高的矛盾也就相应的得到缓解,采用水力插板建设航道拦沙堤与国内外现有的几种航道拦沙堤相比可降低工程造价70%以上,缩短工程建设周期80%以上,建成之后的维修工作量也很少。

综上所述,航道拦沙堤是一种特殊的堤坝,它对堤顶宽度并不作具体要求,堤顶高程只要控制在平均高潮位附近就能满足需要,堤坝允许越浪,这些情况都是建设堤坝的有利条件。只是因为它的建设位置处于大海之中,安全稳定才成为一大难题。水力插板堤坝以其独特的结构形式和施工方式恰好有效的解决了这一难题。这项技术的推广应用能够顺利破除胶莱运河两个入海口的拦门沙建成稳定的深水航道,同时也将为解决这一世界性的难题走出一条新路。现将有关情况分述如下:

(一)目前世界上应用拦沙堤坝建设深水航道的几种方法

(二)应用水力插板建设航道拦沙堤的参考依据

1海上水力插板堤坝安全稳定性能试验情况

1998年夏天在东营港以西1公里受风浪冲击严重的海域采用三种水力插板建设200m海中堤坝进行安全稳定性试验,试验结果是在堤顶高程相同的情况下,长度9m12m的两种水力插板插入地层后均被海浪冲倒无法形成堤坝。只有长度16m、厚度0.3m的水力插板插入地层后形成的试验堤坝(如下图所示),在经历长期风浪冲击之后至今仍然保持完好无损。

按左图建成的水力插板试验堤在经受

长期风浪冲击之后至今保持完好无损。

通过实验是我们清楚地看到水力插板插入深度不够将被海浪推倒。地面以上6.5m高度的水力插板直立墙能够长时间保持推不倒、打不烂、折不断的状况充分说明在该地区水文地质条件下9.5m的入地深度解决了推不倒的问题,砼整体结构解决了打不烂的问题,0.3m厚度的钢筋砼板解决了折不断的问题。具备推不倒、打不烂、折不断这三个条件地把就能保持安全稳定。今后待建的航道拦沙堤在基础入地深度、砼板抗折强度、坝体结构形状等方面都将优于已建试验地的状况。同时还要在水力插板两侧抛投毛石形成一定高度的护坡。因此采用水力插板破除拦门沙建设深水航道是一件完全可以顺利办到的事情。通过试验地也是我们清楚地认识到采用这种有“根”的堤坝建设海上工程今后将是一个重要的发展方向。

2、海上已建水力插板航道拦沙堤的情况

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