吹沙填海

定义

吹沙填海是疏浚与吹填作业中“吹填”环节的形象说法,指用挖泥船把海底或河底的泥沙、砂砾绞松后与水混合成浆体,经泥泵和排泥管输送至指定区域沉积堆高,再排除其中水分使之成为陆域的过程^[2][3]。在工程文件和官方表述中,这一工序通常写作“吹填”或“陆域吹填”,吹出的陆域称作吹填区,其质量检验与验收要求见于水利行业标准《疏浚与吹填工程技术规范》(SL 17—2014)^[4]。

它与传统填海方式的区别在于填料的获取与投送:抛石斜坡堤、沉箱等做法需从陆地大量运输砂石或预制构件,而吹沙填海把开采与输送合并在一套水上装备中完成,填料的来源是工程区附近的海床或湖底沉积物^[5][1]。

原理

吹填作业的核心装备是绞吸式挖泥船。船上装有可旋转的绞刀,下放至水底切割、搅动泥沙,吸泥管把泥沙与水的混合物吸入泥泵,再由浮管、岸管等排泥管线输往堆积区;挖泥、输泥、卸泥可在同一船上连续完成,排距可达数千米^[3][1]。输送距离较近时可不设管道,远距离则需沿程铺设长短不一的管线,超过一定距离还可在途中设接力池或接力泵站逐级加压^[5][6]。

泥沙进入吹填区后需被留住并排水。与海岸相连的工程一般先筑围堤隔离外海,再抽排或泄放围堤内的水;孤悬浅海的工程则先在设计边界设置钢圆筒、沉箱或抛石堤等围护结构,再向围合区域内吹填,把海水挤出^[7][3]。围堰高度、隔埂间距、泄水口数量都有规范要求,例如较长排泥场每隔 400 至 500 米加筑交叉布置的隔埂,每个排泥区泄水口不少于 2 个^[8]。

新吹填的土体含水率高、强度低,不能直接作为建筑地基,还需进行地基处理。常见做法是打设塑料排水板并配合堆载预压,加速孔隙水排出、促使土体固结;也可采用真空预压等方式^[9][10]。港珠澳大桥人工岛填海工程曾采用分层吹填的工艺,并对分层吹填、打排水板、堆载预压各阶段的固结沉降进行数值模拟^[9]。

吹填区的施工质量以高程、平整度和泥浆流失控制为关键指标。规范要求吹泥区泥面高出水面 2 至 3 米以利排水,细颗粒土吹填表面平整度控制在 0.5 至 1.2 米,平均高程误差在 +0.15 至 +0.20 米之间;为减少泥沙流失,泄水口排出水流的泥浆浓度应控制在挖泥船设计泥浆浓度的 10% 以内^[8]。

发展历程

绞吸式挖泥船最初并非为填海而造,其本职是航道疏浚,吹填由疏浚作业延伸而来^[3]。中国在大型挖泥船领域起步较晚,本世纪初之前相关装备主要依赖进口;2002 年,世界首例大型“货改耙”自航耙吸挖泥船“新海象”改装成功,此后陆续开发出“海虎”系列、“通”系列等多型耙吸与绞吸挖泥船,为长江口深水航道和洋山深水港等工程提供了装备^[5]。

2008 年 4 月 28 日,自航绞吸挖泥船“天鲸”号开工建造,由上海交通大学与德国 VOSTA LMG 公司联合设计、招商重工(深圳)有限公司建造,历时 21 个月建成,长 127 米、宽 23 米,装机功率与疏浚能力在当时居亚洲第一、世界第三^[2]。该船绞刀功率 4000 千瓦,能以每小时 4500 立方米的速度把海沙与海水的混合物排至最远 6000 米外,2013 年 9 月至 2014 年 6 月在南沙多个礁盘轮流作业累计 193 天,吹填量超过 1000 万立方米^[2][11]。

此后重型绞吸船继续升级。全船长 140 米、宽 27.8 米、最大挖深 35 米、总装机功率 25843 千瓦的“天鲲”号由国内自主研制,设计每小时挖泥 6000 立方米,绞刀额定功率 6600 千瓦,2019 年 3 月 12 日从江苏连云港首航投产^[12]。2015 年 6 月,中国外交部宣布南沙群岛部分驻守岛礁的陆域吹填工程将于近期完成,工程界人士同时说明,其做法是把水下砂石吹填到现有礁盘上,故以“陆域吹填”表述更为准确^[13]。

应用

在沿海地区,吹沙填海主要用于港区陆域形成和临海产业用地。福建莆田兴化港区涵江作业区后方临港产业园的陆域形成工程,即以海砂回填与吹填施工为核心技术之一,并配套爆破挤淤筑堤、无人机航测等手段^[14]。河北曹妃甸工业区的围海造地工程则针对不同地质与自然条件选择吹填方案,研究了围堤龙口合拢、船型选择以及淤泥条件下吹填管线接长等技术难点^[10]。

在远离大陆、缺乏岸基条件的海域,就地取材的吹填更具优势。中国在南沙群岛的美济礁、渚碧礁、永暑礁等 8 座岛礁实施了吹填作业,填料取自礁盘周边泻湖中的松散珊瑚砂砾^[1][15]。按有关技术说明,该工程采用“自然仿真”思路,模仿风暴浪搬运、堆积珊瑚砂砾形成潮上堆积体的过程,并在陆域周边以斜坡模袋混凝土修建护岸与挡浪墙,做到边围、边填、边护^[15]。

吹填也用于交通基础设施的人工岛。港珠澳大桥人工岛填海工程采用了当时在国内应用不多的分层吹填法,把吹填与排水板、堆载预压等工序分阶段衔接^[9]。在世界范围内,迪拜棕榈岛是较具代表性的海上吹填工程,不过其作业依托海岸基地,与上千公里外的远海吹填在难度上并不相同^[3]。

在条件受限的滩涂施工中,吹填还被用于快速形成临时作业面。黄河口东营港中心渔港码头工程把定制的大型沙袋平铺于滩涂并充填沙土,两周内形成 13500 平方米的施工平台,完成 857 根灌注桩打设;作业结束后拆除袋体与外围钢板桩围堰,借助潮流冲刷恢复湿地^[16]。

局限

吹填造出的陆域不是天然地基。吹填土多为松散砂或高含水率淤泥,承载力低、沉降尚未完成,必须经排水固结等地基处理才能承载建筑物;细颗粒土吹填时还容易出现泥囊、水塘,造成泥面不平和局部软弱^[8][9]。

该方法对填料来源有依赖,并不适用于所有海况。若周边海床缺乏可采的砂源,仍须从外地转运砂石,经济性随之下降;围堤合拢、淤泥条件下的管线接长等都是影响工期与造价的难点,合拢失败会直接威胁工程安全^[10]。

施工过程会扰动海床并产生悬浮泥沙,对水质和底质生物造成影响。南海岛礁建设的环境研究依据卫星影像发现,施工期间礁区周边后向散射值最高增加 350%,含沙水团面积有时超过 250 平方公里,受疏浚累计影响面积超过 1200 平方公里^[17]。工程环评中通常以悬浮泥沙浓度增量为指标评估影响,并采取防污帘、优化施工时序、珊瑚移植等措施加以减缓;有研究指出,悬浮泥沙增量超过 50 毫克/升时可能出现活珊瑚死亡率升高^[18][19]。

此外,吹填会改变工程区及周边的水动力与冲淤环境,围堰建设和拆除期间可能出现局部冲刷与淤积,岸线形态变化也可能影响邻近岸滩的稳定性,因此需要通过数值模拟预测影响范围并安排监测^[20][19]。

参见

• 绞吸式挖泥船 —— 吹沙填海最核心的施工装备,完成绞松、吸取与泵送的全过程。

• 疏浚 —— 吹填作业的技术源头,指开挖并输送水下土石方的工程活动。

• 围海造陆 —— 吹沙填海所属的更大范畴,还包括围堤、抽排水等其他成陆方式。

• 地基处理 —— 吹填形成的陆域必须经过排水固结等处理方可使用。

• 人工岛 —— 吹沙填海最主要的产物形态之一。

• 环境影响评价 —— 评估吹填工程悬浮泥沙与冲淤影响的制度性手段。