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1、龙 口 合 拢 的 验 算 和 施 工以浦东五号沟圈围工程为例 徐少南、朱宪武目 录前言一、 工程概况1、 工程简况2、 围堤结构3、 龙口布设4、 临时排水设施二、 潮汐1、 潮汐预报（潮汐表）的利用2、 预报潮位站的选用3、 绘制龙口合拢月的逐日高低潮变化过程线4、 绘制龙口合拢月的大、中、小汛的预报潮位5、 大、中、小汛涨落潮历时三、 围区容水量的计算四、 安全龙口平均流速的设定五、 龙口平均流速的估算六、 袋装砂体积量及充灌能力1、 不同高程层的袋装砂体积量2、 袋装砂充灌能力的估算3、 潮位的利用七、 龙口合拢的总体安排八、 龙口合拢的验算九、 龙口合拢计划日期变更后的验算1、 小汛
2、合拢验算2、 中汛合拢验算3、 大汛合拢验算十、 龙口合拢的简易估算方法十一、龙口合拢的实施十二、有待提高和完善的问题前 言潮间带滩地圈围工程围堤施工均设置龙口，以实现围堤施工过程中因潮汐涨落导致围区内外的水量交换。龙口合拢是围堤工程施工中一个十分重要的环节。为确保龙口安全合拢往往要增强龙口结构、增加工程量和工程费用。龙口合拢有很多一次合拢成功的范例；也有几经失败后才成功的例证，因此而造成物资、人力和经济上的损失。所以在龙口合拢前有必要进行充分研究，制定合理的施工方案。本文试图通过浦东新区五号沟赵家沟圈围工程的工程实践，通过对围区尺度、潮汐规律、施工能力、龙口尺度和龙口流速等加以计算分析，建立
3、一个粗略的龙口合拢估算方法，而有益于以后的龙口合拢施工。一、 工程概况1、 工程简况浦东新区五号沟赵家沟圈围工程位于浦东新区五号沟下游长江口南港南岸边滩上，隔南港与北岸长兴岛相望，圈围工程下游为规划中的赵家沟出口。沪崇越江隧道将整个围区分隔为东侧1围区（隧道下游）和西侧2围区（隧道上游）。详见工程位置图（图1）和工程总平面布置图（图2）。工程规模数据详见表1所列。表1 圈围工程规模数据表围区号围堤长度（m）围区面积顺堤滩面高程（m）万m2亩1123816.32245-0.521537.126.81402.50.9+0.2合计2775.143.13647.52、 围堤结构围堤结构为两级袋装砂棱体
4、斜坡堤结构：下层一级棱体为内、外袋装砂棱体及两棱体间吹填砂结构；上层二级棱体为填筑砂堤心外包袋装砂结构。堤身外侧采用无纺布、袋装碎石、干砌块石、栅栏板护面、块石压脚护底结构；堤顶为钢筋混凝土防浪墙。详见标准断面结构图（图3）3、 龙口布设1、2围区各布设龙口1个：1围区龙口设置在顺堤中部，龙口中心桩号为：0+550；2围区龙口设置在西侧堤（隔堤）桩号52为：隔0+306。围堤堤身施工从两侧堤堤根开始向龙口相向推进，最终在龙口处合拢。4、 临时排水设施两围区分别在顺堤中部设置临时排水管一处，分别在顺堤堤身下埋设2根直径800mm排水管，并在排水管外端安装拍门，龙口合拢后低潮时将围区内水外排，高潮
5、时防止潮水倒灌围区。排水管的设置位置分别为：1围区是1+700，2围区是2+070处。二、潮汐1、 潮汐预报（潮汐表）的作用潮汐预报是以潮汐表的形式提供给工程技术人员使用。潮汐预报在正常天气情况下，一般与实际潮位较符合，潮高误差约15cm，潮时误差约20分钟，可以满足工程施工对潮位变化的使用要求，同时工程施工可以借用潮汐表预报的潮位和潮时来安排施工。但在特殊天气变化情况下，如台风、寒潮，误差增大，注意使用。如果现场施工对预报潮位精度要求较高时，可用现场实测潮位对预报潮位加以校验，修正后使用。 本文以上海潮汐表的预报潮位过程线作为龙口合拢验算的依据。2、 预报潮位站的选用工程施工通常选用离施工工
6、地距离最近，且两地间水下地形对潮位影响最小的潮位站。本工程选用长江口南港对岸（北岸）长兴站的潮位潮时预报资料指导现场施工和龙口合拢施工。施工现场观测到的实测潮位与长兴站的预报潮位基本一致。3、 绘制龙口合拢月的逐日高低潮变化过程线根据施工进度计划所确定的龙口合拢日期，选择前后各半个月，共一个月范围预报潮位作为分析研究对象。从农历可知每月大小汛日期：阴历初三、十八左右为大汛，初十、二十五左右为小汛。供龙口合拢选择日期。绘制合拢月逐日高低潮位变化过程线，将每日的高、低潮位逐日点绘制在坐标图上，从过程和量值上更加直观、清晰。让我们可以根据施工的实际进度更灵活的选择龙口合拢日期和进度。五号沟赵家沟圈围
7、工程计划2005年3月18日左右合拢，故绘制20005年3月的逐日高低潮过程线，见图4所示。从图中可知：（1） 大汛日为：3月11日（二月初二） 3月26日（二月十七）（2） 小汛日为：3月5日（正月二十五） 3月19日（二月初十）其中3月19日（二月初十）小汛潮差最小仅为0.5m左右，前后五天之内，高潮3.0m，低潮为1.0m，是龙口合拢的最好时机。3月26日（二月十七日）大汛，高潮位不足4.0m，低潮位为0.5米左右，潮差近3.5m。龙口合拢后应注意防范合拢后的高潮水位。4、 绘制龙口合拢月大、中、小汛的预报潮位过程线。依据潮位表绘制3月11日（二月初二）大汛、3月15日（二月初六）中汛、
8、3月19日（二月初十）小汛的预报潮位过程线，见图 5 、6 、7 所示，以供查读不同时期潮位间的潮位差及其相应的历时。5、 大、中、小汛涨落潮历时现将3月份3月11日、3月15日、3月19日大、中、小汛涨落潮历时列于表2。表2 长兴站预报潮位大。中、小汛涨落潮历时表日期（农历）涨潮（历时）涨潮（历时）涨潮（历时）涨潮（历时）涨潮（历时）日潮周期3月11日（二月初二）大汛7h33min4h40min7h49min4h38min12h13min12h27min24h40min3月15日（二月初六）中汛5h13min7h6min4h49min7h15min12h19min12h4min24h23mi
9、n3月19日（二月初一）小汛6h41min6h50min6h21min4h56min13h31min11h17min24h48min从表中可见：(1)、本月大、中、小汛的涨落潮周期及日潮周期差别较小。（2）、本月大、中、小汛的涨落和落潮历时相差差别较大。 大汛：涨潮历时比落潮历时短3小时；中汛：涨潮历时比落潮历时短2小时；小汛：涨潮历时与落潮历时几乎相等；大汛潮差大，涨潮历时短，涨潮速率快；小汛潮差小，涨潮历时长，涨潮速率慢。三、围区容水量的计算根据各围区的水深图分层计算出各围区各高程层的容水量，以便估算和分析涨落潮不同潮位时的龙口流量和流速。现以0.5m为一高程层，计算结果列于表3中。表3
10、1及2围区各高程层容水量计算表四、安全龙口平均流速的设定袋装砂有一定的抗衡水流能力，在一定的水流作用下能够保持自身稳定和安全。施工过程中袋装砂允许短期适度过流。本报告的初步设定0.5m/s为安全龙口平均流速。（未从理论上加以计算和论证）。该流速约为通常龙口（已加强）合拢设计流速2.0m/s的1/4。从龙口合拢施工过程中观测到的流速来看，该值偏安全，可提高至0.8m左右。本报告暂以0.5m/s安全龙口平均流速来限定龙口合拢前后大、中、下汛的龙口宽度和底槛高度。 五、龙口平均流速的估算现假定涨落潮进出围区的水量全部通过龙口，蒸发、渗流的水量忽略不计。利用前面已经计算得到的各围区不同高程层（层高0.
11、5m）容水量，利用3月11日（二月初二）、3月15日（二月初六）和3月19日（二月初十）的大、中、小汛长兴岛站预报潮位过程线，量取各高程层的涨落潮历时，并假定某高程层的水量在该涨落潮历时内全部注满（涨潮）或流完（落潮）。不计两相邻高程层间的剩余水量和空缺水量。计算出不同高程层（不同潮位、不同潮时）通过围堤龙口的水量除以历时即可得到平均流量和不同龙口宽度的平均流速。龙口平均流量m3/分：QV层/T层式中：V层各高程层的容水量（m3） T层各高程层的涨落潮历时龙口平均流速(m/s)：V=Q/B*h*60 B龙口宽度（m） H高程层高度（m，本文取0.5m）3月11日、3月15日、3月19日三日大、
12、中、小汛各高程层涨落潮历时，平均流量及不同龙口宽度的平均流速的计算成果，见表4、5、6、7、8、9所示。并将不同龙口宽度的平均流速沿高程的分布如图8、9、10所示。综述：从上述计算公式、计算成果表和曲线图可以看出各高程层的平均流速与沿高程变化，大、中、小汛，龙口宽度之间的关系和基本特征：1、 龙口平均流速与各高程层的围区容水量、平均流量成正比与各高程层的涨落潮历时，龙口宽度成反比。2、 龙口平均流速沿高程的变化差别程度与龙口宽度成反比：龙口宽度越小，沿高程的流速差别越大；龙口宽度越大，沿高程的流速差别越小。3、 龙口平均流速沿高程变化为：最高流速多发生在+2.5m左右，最高流速区则在2.03.
13、0m范围内。1.5m以下，流速相对较低。4、 龙口平均流速与龙口宽度成反比，增加龙口宽度可以明显减低龙口流速：如3月11日（二月初二）即便是大汛涨潮，在2围区龙口宽度250m时平均流速即可降至0.8m/s以下。六、袋装砂棱体积量及充灌能力1、 袋装砂体积量按设计龙口袋装砂棱体断面尺度以及施工中采用的实际袋装砂厚度逐层计算不同高程层的单位长度及不同长度龙口宽度的袋装砂体积量。计算结果列于表10。2、 袋装砂充灌能力的估算（1）、单泵充灌砂效率是袋装砂充灌能力的最基本的因素，根据施工实测数据，取单泵充灌砂效率为50m3/h。（2）、充砂泵配备的数量，在作业面允许的情况下，采用尽可能多的充砂泵以提高
14、龙口合拢时的袋装砂充灌能力。施工队伍配备充砂泵的数量是最基本的依据，若配备数量过少，若低于作业面所允许的数量，则应增加充砂泵的配备数量。（3）、以充灌袋装砂系水面以上作业为条件。某层袋装砂的充灌能力则与该层袋装砂底高程出露时间有关，出露时间越长，充灌的砂量越大。龙口合拢作业系与潮水抢时间的作业，在作业面允许的情况下采用足够多的充砂泵，争取在最短的时间内完成某层砂袋的充灌作业。3、 潮位的利用鉴于袋装砂充灌为露滩作业，将3月份大、中、小汛低于某高程表10 逐层袋装砂体积表序号起止高程（m）层厚（m）袋宽（m）断面积（m2）不同长度龙口宽度的袋装砂体积（m3）1001502002503004005
15、0060070015.25.60.45220030040050060080010001200140024.75.20.56.43.2320480640800960128016001920224034.24.70.58.14.05405607.58101012.51215162020252430283543.74.20.59.94.95495742.59901237.51485198024752970346553.23.70.511.65.8580870116014501740232029003480406062.73.20.513.46.7670100513401675201026803350
16、4020469072.12.70.615.59.39301395186023252790372046505580651081.52.10.617.510.510501575210026253150420052506300735090.91.50.61911.4114017102280285034204560570068407980潮位的潮位历时统计列于表11中，供袋装砂施工效率分析使用。从表中数据可知：1）、0.5m1.0m的袋装砂必须利用大汛低潮充灌，3月11日、3月12日每潮仅有1.5小时每日近3小时，可提前至2月底大汛完成。2）、1.0m1.5m的袋装砂必须利用大汛、中汛低潮充灌，每潮为
17、23小时，每天为5小时。3月11日（大汛）3月15日（中汛）时均可充灌。3）、1.5m2.0m的袋装砂也应利用大汛、中汛低潮充灌，每潮有可充灌时间为45小时，每天两潮有9小时充灌。而小汛仅有每潮13小时。4）、2.0m2.5m的袋装砂大、中、小汛均可充灌，且每潮有6小时充灌时间，每日两潮至少有1112小时可充灌作业。5）、2.5m3.0m的袋装砂大、中、小汛均可充灌， 每潮7小时，每日14小时。6）、3.0m以上的袋装砂大、中、小汛均可充灌，大、中、小汛每潮有89小时充灌，每日有1618小时。3月19日小汛可以24小时充灌，即全天潮位都低于3.0m（3月19日小汛最高潮位仅为2.70m）综上所
18、述，仅就潮高露出时间而言，2.0m以下的袋装砂应安排在大汛、中汛即在3月8日3月15日期间完成。（参照2005年3月长兴站预报潮位逐日高、低潮位变化图）。2.0m以上袋装砂大、中、小汛均有充足的时间充灌。七、龙口合拢的总体计划安排综合前面对计划龙口合拢月（3月份）大汛、中汛、小汛的预报潮位过程线、围区容水量、龙口宽度和龙口平均流速等因素的分析研究，制订龙口合拢的总体安排如下：1、以龙口平均流速0.5m/s作为龙口安全条件，从大汛至小汛龙口宽度从大到小逐步缩小：3月11日（二月初二）大汛：1围区龙口宽度应达到250m，2围区龙口宽度应达到300m。3月15日（二月初六）中汛：1围区龙口宽度应保留
19、为200m，2围区龙口宽度应保留为250m。3月19日（二月初十）小汛合拢前：1围区龙口宽度应缩至60m，2围区龙口宽度应缩至80m。在保持龙口平均流速为0.5m/s（夜潮、涨潮）的同时尽可能的缩窄龙口宽度，最大限度地减少龙口合拢的工程量。2、依据大、中汛（3月11日、3月15日）预报潮位过程线安排如下：+0.9m以下龙口底层袋装砂安排在3月11日前后两三天的大汛低潮完成。+0.9+1.5m高程的龙口袋装砂，则安排在3月15日前几日的中汛低潮充灌完成。鉴于+1.5m以下的龙口平均流速较低，龙口合拢前可以做到1.5m，即龙口合拢从+1.5m开始，减少龙口合拢高度和工程量。该安排可以满足以下三点：
20、1）、袋装砂低潮露水充灌作业。2）、1.5m以下龙口平均流速较低，袋装砂可保持安全稳定；3）、最大限度地减少了龙口合拢工程量。3、3月19日（二月初十）小汛日潮涨潮实施龙口合拢。八、龙口合拢的验算1、 合拢日期选择3月19日（二月初十）小汛日潮实施龙口合拢以2围区、龙口宽度80m为例进行验算。2、 充砂泵的效率和配备NL12520型泥浆泵（充砂泵）设计流量为200方/h，充砂效率为50方/h，施工中实际有效效率为40方/h。1围区施工队配备充砂泵13台；2围区施工队配备14台。其中2台为备用泵。2围区龙口合拢拟投入12台充砂泵，总充砂能力为480方/h。3、 龙口工程量及耗时计算80m龙口各高
21、程层的充砂量，龙口两侧坡面增加的充砂量忽略不计，并以总充砂能力480方/h计算出充灌各高程层充砂量所需要的时间，列于表 11中。表11 2围区龙口各高程层工程量及耗时表各层起止高程（m）层厚（m）袋宽（m）断面积（m2）充砂量（m3）耗时（分）4.24.70.58.14.0532440.53.74.20.59.94.9539649.53.23.70.511.65.8046458.02.73.20.513.46.7053667.02.12.70.615.59.3074493.01.52.10.617.510.50840105.00.91.50.619.011.40912114.04、合拢施工1.
22、5m以下袋装砂合拢前已充灌完成。合拢施工从1.5m开始向上充灌砂袋。取落潮水位落到1.5m的11点48分开始合拢充灌。5、用各高程层高程和相应的充灌该层袋装砂所需要时间绘制龙口袋装砂升高与时间的过程线，与预报潮位过程线相比较，见图11。6、结论：龙口升高线远高于潮位升高线，龙口合拢是安全可行的。九、龙口计划合拢日期变更后的验算工程施工进度的加快或放慢将导致龙口合拢计划日期提前或推迟，为此也应事前对可能出现的合拢日期进行合拢验算，以便提出指导性意见和采取相应的对应措施。1、3月6日合拢验算五号沟赵家沟圈围工程袋装砂棱体施工进度的加快，使原计划3月18日合拢提前了约一个小汛至3月5日（正月二十五）
23、或3月6日小汛。从预报潮汐过程线来看3月5日潮差最小，是龙口合拢的最佳日期选择。选择3月6日作为验算日期。验算结果是龙口可以安全合拢。见图12 所示。2、3月8日（正月二十八）中汛合拢验算如果施工进度慢了一点，将合拢日期推迟到3月8日（正月二十八）中汛，龙口合拢是否可行，须加以验算。经用潮位过程线比较得知：3月8日与3月15日的潮位过程线基本相同。涨潮潮差小了0.38m，历时增加了7分钟，可以认为涨潮平均流速值是一样的。3月8日合拢的龙口宽度应与3月15日（二月初六）中汛相同。1围区龙口宽度应为200m；2围区龙口宽度应为250m，最大龙口平均流速分别为0.4m/s和0.6m/s，以策龙口安全
24、。现以同样的方法绘制潮位过程线 和不同龙口宽度的龙口升高线，见图13 所示。由图中可知：龙口宽250m、200m、150m的龙口升高过程线均与潮位过程线相交，潮位高于龙口高度，不能安全合拢。当龙口宽度降至130m时才能安全合拢，此时1围区最大平均流速达到0.85m/s，2围区达1.25m/s，超出设定的0.5 m/s安全平均流速。龙口结构应予以加强，不仅增加了工程费用，而且增加了龙口合拢的难度。从中可见计划安排小汛合拢的重要作用。如果适当加快进度，抢前一天，于3月7日合拢，适当增加充砂泵，提高充灌能力，就可以安全合拢200m宽的龙口（见图 13 ）。此时的1、2围区的最大龙口平均流速分别仅为0
25、.55 m/s、0.8 m/s，无需特别加固龙口。由此可见，潮水一天差别之大和抢一天时间的重要意义，所以我们应该认真做好验算分析工作。3、大汛龙口合拢的可能性 现以3月11日（二月初二）大汛为例来讨论大汛龙口合拢的可能性。从图14中可以看出：龙口宽250m、200m、150m的龙口升高过程线均与潮位过程线相交，在袋装砂开始充灌后45小时潮水就赶上和超过龙口袋装砂，合拢没有成功。仅有100m宽的龙口可以安全合拢。1）、在3.43.5m处是个危险点，两线擦肩而过，高差仅相差10cm余。潮位预报误差或袋装砂充灌稍慢就有可能导致合拢失败。2）、这时可以采用窄体砂袋快速增加龙口棱体高度，杜绝水流漫顶。顶
26、部沙袋因水深浅而承受的水压力较小，较易稳定。3）、当合拢成功后尚应注意防范下一个4.08m高潮水位。4）、该龙口宽100m，潮位在+2.5+3.0时将产生2.0 m/s的最大龙口平均流速，龙口结构和袋装砂个体稳定应采取加固措施。十、 龙口合拢的简易估算方法龙口合拢应在高平潮到来之前完成龙口合拢工程量，达到预定高程，即完成合拢工程量所耗时间t应小于起始充灌至高平潮的时间T，如图15所示。计算公式如下：tW/N*8T式中：T起始充灌至高平潮的时间；t完成合拢充灌工程量所需的时间；W合拢充灌工程量（m3）N充灌作业所用充砂泵的数量（台）8单泵充灌效率（m3/h*台） 龙口合拢的高程取决于合拢时高平潮
27、潮位，应在高平潮上增加富余高度h，h值应结合袋装砂层高和合拢后的安全度。如图15中所列h10.2m安全度不足，应选择h20.7m，有利于迎对下一个高高潮的高平潮。 五号沟赵家沟圈围工程龙口合拢采用12台充砂泵作业，单泵充灌效率设为40方/时*台，龙口合拢高程从1.5m至3.7m，高2.2m。从图15中可以看出龙口宽100m时，t100T，龙口升高线远离潮位过程线，应是可行的；当龙口宽150m时，t150T，因h2较大，t150增加较多，若取hh1，t150T且龙口升高线与潮位过程线贴边而过，这种情况则必须重新绘制龙口升高过程线比较后确定；当龙口宽度200m时，t200T,且与潮位过程线相交割，
28、属不可行的。该估算法将原本下凹曲线的升高过程线变成直线升高线使分析误差增大。建议还是采用龙口升高过程线分析法为好。十一、龙口合拢的实施施工进度的加快使龙口合拢计划的3月18日提前至月初小汛3月5日（正月二十五）和3月6日（正月二十六）。龙口的形成均采用由大汛向小汛逐步缩窄龙口宽度、龙口底坎提高至+1.5m，最终在小汛前形成龙口。在龙口形成过程中做好技术、设备、材料、人力和思想准备，实现小汛合拢一次成功。1围区：龙口宽度上口宽40多米，下口为26米，合拢高程为1.5m4.2m，合拢高度为2.7m，合拢工程量近1700m3，耗时6小时，从3月6日13：30落潮水位1.4m19：30涨潮水位1.9m
29、。2围区：龙口宽度88m，合拢高程为1.7m3.7m，合拢高度为2.0m，合拢工程量约为2800m3，利用小汛慢涨潮，19：00夜高潮仅为2.11m的特征，以3月5日16：00开始至3月6日2：00完成，历时10小时。龙口合拢施工中，充灌砂时间约占66.7，铺袋等辅助作业时间约占33.3，实际充砂泵效率为40 m3/h。十二、有待提高和完善的问题上海市浦东新区五号沟赵家沟圈围工程圈围的面积相对较小：1围区为245亩，2围区为402.5亩。工程所在位置的潮差与杭州湾和南汇沿岸潮差相对来说还是较小的。该验算与合拢方法应进一步在圈围面积较大、潮差较大的圈围工程中加以验证、提高和完善。龙口安全平均流速也有待于进一步验证。