粉砂淤泥質(zhì)匡圍工程中灘涂變形特征及相關(guān)應(yīng)對措施

蔡麗忠，胡 正

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

粉砂淤泥質(zhì)匡圍工程中灘涂變形特征及相關(guān)應(yīng)對措施

蔡麗忠，胡 正

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)海岸由于灘涂條件、土質(zhì)條件的特殊性，對水流變化敏感，灘涂受干擾極易發(fā)生變形破壞。通過總結(jié)破壞類型，歸納應(yīng)對措施，研究破壞影響因素，希望引起相關(guān)單位重視對灘涂變形破壞內(nèi)在機理的理論研究，也為后續(xù)相關(guān)工程的實施積累經(jīng)驗。

粉砂淤泥質(zhì)灘涂；變形破壞；理論研究

0 引言

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂海岸總長884 km，約占全省總岸線長度的93%，是江蘇沿海最主要的海岸類型[1]。相關(guān)地質(zhì)資料表明：江蘇沿海灘涂淤積物顆粒組成特殊、土層深厚、場地表層主要為粉細砂層，顆粒細小，分布均勻，無黏性[2]。而江蘇沿海淺灘區(qū)均表現(xiàn)為漲潮漫灘和落水歸槽的運動形式[3]，表層土對水流變化反應(yīng)強烈，容易發(fā)生沖刷等地形變化；同時由于土質(zhì)無黏性，堤基易發(fā)生滲透破壞，滲透變形機理復(fù)雜，難以定量甚至定性分析。因此急需通過分析海洋動力作用與大范圍粉沙淤泥質(zhì)潮灘、潮溝等動力地貌的響應(yīng)機制，歸納破壞原因、類型，為現(xiàn)場采取應(yīng)對措施提供決策[4]。

1 江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂變形破壞類型

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂變形破壞主要有沖刷破壞和滲透破壞兩種類型。其中沖刷破壞根據(jù)破壞原因又可分為表層低灘水沖刷破壞以及堤身翻水沖刷破壞。

1.1 沖刷破壞情況

1.1.1 低灘表層水的沖刷破壞

低潮灘面存在較多的沖刷凹地，一些凹地在潮灘淤長過程中因匯水性較差而淤積消失，一些匯水性較好的凹地則不斷向岸延展伸長，并在灘地微地貌的影響下出現(xiàn)分汊型沖溝，各沖溝支汊不斷溯源侵蝕發(fā)育成灘面水流沖刷型或潮流輻聚侵蝕型潮溝系統(tǒng)[5]。

根據(jù)溝槽和圍堤主體相對位置關(guān)系，沖刷破壞類型主要包括：

1）形成與堤身平行的沿堤流沖溝，侵蝕堤腳，危及堤身安全，見圖1；

2）形成與堤身垂直的貫通槽，沖毀地基，最終發(fā)展為龍口口門，見圖2；

3）堤身推進過程中，堤頭繞堤流破壞地基土，形成端部深坑。

圖1 灘地發(fā)生沖刷破壞形成沿堤河（順堤軸方向）Fig.1 Scouring and destruction of the beach area along the dike(along the dike axis)

圖2 堤基發(fā)生沖刷破壞（垂直堤軸方向）Fig.2 Scour destruction of embankment (vertical dike axis direction)

低灘水流沖刷破壞發(fā)生于開工后的各個時期，幾乎伴隨工程全過程。工程實施過程中，兩個時期的沖刷變化破壞影響程度最大：

1）圍堤急劇抬升過程中，設(shè)計口門與大型溝槽連通過程中，龍口形成前；

2）圍區(qū)形成基本輪廓形狀，但未完成封堵前。

1.1.2 堤身翻水沖刷破壞

圍區(qū)堤身未到頂前，漲潮過程中，已初具形狀的圍區(qū)將對進出水流造成阻礙，導(dǎo)致圍區(qū)內(nèi)外水位差增大。當(dāng)外側(cè)水位漲至與已有堤身袋體齊平高程后，繼續(xù)上漲的潮水翻過堤身涌向圍區(qū)內(nèi)，形成跌水現(xiàn)象。翻跌入庫的水流由于蘊含巨大的能量，沖擊棱體內(nèi)側(cè)堤腳袋體和灘涂，由此造成相應(yīng)的破壞，見圖3、圖4。

圖3 圍堤內(nèi)側(cè)堤腳被沖刷破壞圖Fig.3 The embankment toe on the inner side of the embankment was destroyed by erosion

圖4 頂層袋體拼縫處被翻水扯撕Fig.4 Top of the pouch at the seam was turned the water off to tear

翻水破壞主要發(fā)生與堤身抬升過程中，在棱體頂部臨時實際高程低于現(xiàn)場高潮位時，其發(fā)生概率較大。

1.2 滲透破壞

1.2.1 江蘇沿海灘涂常見滲透破壞類型及特點

管涌與流土是工程中常見的兩類滲透破壞類型，通常發(fā)生在堤基土。但工程中，常把流土現(xiàn)象也歸結(jié)到管涌中。管涌發(fā)生后隨著砂粒的不斷析出流失，孔洞的直徑逐漸增大，它的深度也逐漸向堤身或堤基土內(nèi)部不斷延伸增大。一旦與土體內(nèi)部的已有孔洞連通，迅速發(fā)展為管道內(nèi)集中涌水流土的現(xiàn)象，嚴重后果是堤下土體內(nèi)滲水通道的塌陷，造成堤防不均勻沉降和整體失穩(wěn)[6]。

相關(guān)研究表明：蘇南沿海灘涂墾區(qū)土壤多為高鈉鹽土粉（砂）土，結(jié)構(gòu)性很差，坍塌淤積現(xiàn)象嚴重。沿海淤積土，土層具有成層性，管涌滲透破壞主要發(fā)生在粉砂中，而流土則主要發(fā)生在輕粉質(zhì)砂壤土中[7]。

1.2.2 滲透破壞發(fā)生階段

滲透破壞一般易發(fā)生于兩個階段：

1）合龍過程中：合龍過程中，圍堤尚未實現(xiàn)設(shè)計斷面前，此時堤身來不及加固，斷面最小，滲透路徑最小。一旦水位差增至臨界時，堤基變形破壞將立即發(fā)生（圖5）。需注意的是：在合龍過程中，龍口中用于封堵施工的拋石壩發(fā)生破壞的可能性也將顯著增加。

圖5 受滲透破壞后堤身塌陷Fig.5 The collapse of the embankment after infiltration damage

2）圍區(qū)輪廓初成，堤身未加固前：合龍封堵完成初期，堤身加固未完成前，局部薄弱區(qū)段的堤身斷面無法抵御過大水位差的影響，見圖6。

相關(guān)工程實例表明，這兩個階段的堤基最容易突發(fā)滲透破壞現(xiàn)象。滲透破壞一般發(fā)生較為突然迅速，令人防不勝防。

圖6 堤身滲透破壞擴大后生成新龍口Fig.6 Damage to the expansion of the infiltration of the body to generate new closure gap

2 灘涂變形破壞主要影響因素及破壞原因分析

2.1 表層低灘水沖刷破壞原因分析

由于落水歸槽的影響，沖刷具有漸變性破壞特點?？飮こ痰躺硖?，施工擾動致使流場改變，原有灘地動態(tài)平衡被打破后，導(dǎo)致地形變化，形成小竄溝，小竄溝匯聚灘涂低灘水流，進一步?jīng)_刷灘地，破壞范圍增大，匯聚更多水流，能量加大，再沖刷灘涂，滾動發(fā)展，最終形成一定規(guī)模，影響較大的沖溝[8]。

落水歸槽是高灘灘涂破壞的本質(zhì)內(nèi)因，擾動導(dǎo)致的流場改變是外因。外因破壞原有平衡，平衡調(diào)整過程中，灘涂原有平靜被打破，破壞發(fā)生，進一步加劇外因變化，流場、灘涂地形、擾動三者處于一種動態(tài)相互影響中。

2.2 堤身翻水破壞原因分析

翻水過程中，流速急劇增加，沖刷圍區(qū)棱體內(nèi)側(cè)袋體，造成翻水沖刷破壞現(xiàn)象。由于水流能量集中于短時間內(nèi)釋放，巨大的沖能使棱體內(nèi)側(cè)袋體從拼縫處撕裂，使灘涂突然沖刷形成深坑。具體變化情況及相關(guān)分析見圖7。

圖7 圍堤棱體未出水前，漲潮過程中流速變化示意圖Fig.7 The flow velocity change during the flood tide before the embankment prism is not out of water

翻堤身跌水破壞尤其對棱體內(nèi)側(cè)堤腳袋體及內(nèi)側(cè)灘涂，破壞最為明顯。下層袋體破壞或內(nèi)側(cè)灘涂變形破壞后，導(dǎo)致棱體內(nèi)側(cè)堤腳大范圍破損，繼而影響整個堤身袋體安全。同時，流速的急劇增加，水流沖刷頂層尚未固結(jié)的袋體，造成扯撕現(xiàn)象。過程迅速，破壞劇烈。

2.3 滲透破壞原因分析

研究堤基土體的滲透破壞特征，其目的是為控制堤壩的滲透破壞、制定防滲措施提供科學(xué)依據(jù)。對于沿海灘涂圍墾工程中的堤防堤基滲透破壞的研究目前極少。尚不能從機理上對滲透破壞的成因進行分析，更無法采用通用的簡單化公式判別堤基滲透變形的類型及發(fā)生滲透變形的動力條件[10]。

顆粒級配分布特征決定了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡降，蘇北沿海土體顆粒粒徑為0.005~0.075 mm的含量高，幾乎達到50%以上，土的滲透系數(shù)在10-5~10-4之間，滲透性中等。因此，土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡降較大[11]。滲透破壞主要影響分析具體見圖8[9]。

圖8 滲透破壞分析魚刺圖Fig.8 Fishbone diagram of penetration damage analysis

3 江蘇沿海灘涂匡圍工程變形破壞的應(yīng)對措施

3.1 灘地沖刷破壞

施工擾動發(fā)生后，灘涂表層地基土的沖刷破壞幾乎不可避免，只能通過采取相關(guān)措施降低破壞影響，減少相應(yīng)損失。應(yīng)對的主要措施包括：

1）重視護底，增強堤基抵抗沖刷破壞能力。

護堤先護腳，護底措施是隔絕水流對地基的影響，維護土體的穩(wěn)定，確保堤身穩(wěn)定的關(guān)鍵手段。一般采用鋪設(shè)軟體進行護底防護。從施工圖設(shè)計階段開始，就必須重視護底方案的設(shè)計：設(shè)計護底材料、驗算壓載方式，重點關(guān)注護腳平臺及護灘余排的設(shè)計方案，充分留有余量。

施工過程中，對于低灘區(qū)域及破壞嚴重的堤基位置尤其需要重視軟體排的實施，防止灘面條件的進一步惡化。

2）保灘施工措施

高灘匡圍過程中，新構(gòu)筑的棱體附近灘涂極易生發(fā)形成沿堤軸方向的沿堤流溝槽，并且溝槽不斷擺動導(dǎo)致圍堤下蝕，最終造成堤身失穩(wěn)而潰堤[12]。防范圍堤實施過程中新生溝槽對堤身棱體的沖刷破壞影響相當(dāng)關(guān)鍵。在工程實施過程中，需嚴密注意。

常見的保灘措施主要有以下幾方面。

淤構(gòu)筑丁壩。構(gòu)筑丁壩的目的：對堤腳處沿堤流進行挑流作用，使沿堤流遠離堤身，減小水流對堤腳的沖刷，以起到保護堤身結(jié)構(gòu)的作用。丁壩最好在灘涂變形前構(gòu)筑，實施難度小，效果好。丁壩數(shù)量，位置間距，結(jié)構(gòu)形式以及具體尺寸需通過專業(yè)數(shù)模軟件模擬后制定實施方案，見圖9。

圖9 構(gòu)筑丁壩防護措施Fig.9 Protection measures of spur dike construction

于護底保灘。對于堤基范圍外，變形破壞對堤身安全影響較大的灘涂區(qū)域，同樣可通過護底方式護灘，見圖10。

盂避免人為形成沿堤流溝槽。采取就地取砂施工的項目，在項目實施前，須選取適用的設(shè)備類型，嚴密規(guī)劃設(shè)備布置位置，通過合理安排取砂方式、保持安全取砂距離和合理分布沙坑間距等措施防護灘面，避免人為形成貫通性溝槽。

圖10 采取鋪設(shè)排體護灘防護Fig.10 Take the laying row of beach protection

榆主動引導(dǎo)水流。在被動防護的同時，有條件的項目可在項目實施前，預(yù)先規(guī)劃主動防護方案。如提前有預(yù)見性地開挖引流溝槽，使水流從預(yù)設(shè)溝槽匯集運動，有序引導(dǎo)限制水流走向，避免或降低沿堤流對灘涂和堤身安全的影響。

3）優(yōu)化現(xiàn)場施工平面布局

當(dāng)貫通過堤身的溝槽較大時，在堤身推進過程中，溝槽隨堤身的推進而前移變化。因此在進行施工總平面安排時，須跳開溝槽，在未變化段進行施工。具體布局優(yōu)化示意圖見圖11。

圖11 現(xiàn)場施工平面布局優(yōu)化示意圖Fig.11 Optimized plan layout of on-site construction

強行封堵溝槽，不僅施工難度大，而且會造成推進后堤頭的繞堤流繼續(xù)前移，沖刷原始灘面，形成新溝槽，最終造成推進方向的灘地地形均遭破壞。因此可將溝槽作為過程中暫時預(yù)留口門，待溝槽前方灘涂完成防護或匡圍堤身整體形成后再進行處理。

3.2 堤身翻水沖刷破壞

堤身翻水沖刷破壞只在圍堤實施中間過程階段發(fā)生，是可以避免消除的。主要措施包括：

1）采取措施加大口門進水量，盡可能使圍區(qū)內(nèi)外水位差保持在較低程度是關(guān)鍵。圍區(qū)兩側(cè)水位同步上漲，在庫區(qū)內(nèi)外水位差較小時不會造成破壞；

2）時刻關(guān)注施工效率與現(xiàn)場進度的匹配性，加強進度管理核算，提前安排，關(guān)鍵階段須增加施工力量，快速、安全、合理抬升堤身高程，規(guī)避因投入不足而導(dǎo)致的不應(yīng)有的破壞；

3）進行施工總體安排時，合理分段和布置船機設(shè)備，控制單工作面的推進速度以及堤身抬升速度，以確保圍堤層層抬高，整體平行抬升，從而避免施工速度不均勻而造成局部形成人為缺口，匯集水流導(dǎo)致過水沖刷破壞現(xiàn)象發(fā)生；

4）選擇合理科學(xué)的時間段，利用自然條件降低堤身翻水沖刷現(xiàn)象的發(fā)生。如利用小汛或冬季等潮位較低的時段進行施工，降低外界水位因素的影響；

5）施工過程中，通過優(yōu)化施工方式，降低風(fēng)險。如堤身袋裝砂填筑采用拼袋施工工藝：底部幾層袋體可以將單個分割為小袋體，即使一個袋體損壞，也只是一側(cè)損壞，不是一層損壞，不會形成相對缺口，不影響堤身安全。

3.3 滲透破壞

應(yīng)對滲透破壞主要措施有：減少水位差或是延長滲徑、加強土體抗比變形能力，降低土體發(fā)生滲透破壞的可能性[13-15]。

針對特殊地質(zhì)條件，可采取合理的防范滲透破壞[16-18]，具體措施包括：

1）進行堤身設(shè)計斷面的防滲驗算，重視施工過程中的臨時斷面的防滲能力；

2）盡可能降低圍區(qū)內(nèi)外水位差，在圍區(qū)合龍階段，尤其需注意；

3）吸取深層砂作為袋裝砂充灌砂源：深層砂顆粒粗，各項物理力學(xué)指標更好，有利于提高堤身密實度、消除堤身堤基隱患，避免土顆粒粒徑與袋體袋布規(guī)格不匹配，提高堤身防滲能力；

4）選取合適的設(shè)備進行取砂作業(yè)：采用高效的設(shè)備進行堤身填筑及合龍土方作業(yè)，作業(yè)不受潮水漲落影響，吸砂質(zhì)量好，同時避免了灘地表層發(fā)生沖刷破壞，工程效果好，在一定程度起到了快速加固堤身，提高防滲能力的作用；

5）堤身棱體施工過程中，嚴格控制推進速度，確保堤身在平面推進方向以及垂直高程方向進度實施的平衡性，形成良性的流水步距；快速加寬、加固特殊段堤身斷面，延長滲徑，減少或杜絕薄弱堤段；

6）合龍過程中，選用合適的合龍前堤身斷面形狀，避免特殊時段滲透破壞造成的二次影響。嚴格按既定計劃實施，穩(wěn)扎穩(wěn)打，不冒進，降低滲透破壞風(fēng)險。

4 結(jié)語

通過總結(jié)江蘇條子泥匡圍工程以及南通通州灣二港池匡圍工程等相關(guān)工程實例，概括來講江蘇沿海灘涂的獨特工況特點是：砂厚泥少，潮差大流速快，灘高水淺，易沖刷變形，滲透破壞大。破壞過程幾乎伴隨筑堤施工全過程，破壞影響力極大。粉砂淤泥層灘涂發(fā)生沖刷、滲透等破壞的內(nèi)因是土層土質(zhì)特點，深入研究破壞成因和破壞機理是解決地形演變的重要著手點，也是最終制定針對性解決措施的依據(jù)。

如何在總體平面規(guī)劃中對各工序進行有機的組織安排，使之做到方案可行、銜接有序、工藝和施工計劃合理以及滿足工期的總體要求，是影響項目實施關(guān)鍵性技術(shù)問題。在江蘇沿海灘涂匡圍工程項目，一切施工工藝的選用，方案的編制，實施必須圍繞“減少沖刷損失，預(yù)防滲透破壞”為核心。施工中結(jié)合施工期潮流數(shù)模分析，采取有效措施減弱施工過程中相關(guān)破壞作用對堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

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Deformation features of silt-muddy beach in inning project and relevant solutions

CAI Li-zhong,HU Zheng
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Silt-muddy beach in Jiangsu coastal areas is sensitive to water flow variation due to the special conditions of beach and soil.With the beach interfered,it is prone to deformation and destruction.Through summarizing the types of destruction and the solutions,analyzing the impact factors of destruction,we hope that the relevant companies should pay attention to the theoretical research on the internal mechanism of deformation failure on the beach,and accumulate some experience for the implementation of the follow-up projects.

silt-muddy beach;deformation and destruction;theoretical research

U655.4

B

2095-7874（2017）04-0068-07

10.7640/zggwjs201704016

2017-02-27

蔡麗忠（1976— ），男，江蘇海門人，高級工程師，港航專業(yè)。E-mail：2450764417@qq.com