長江口邊灘新型透空塊體促淤堤研究與應(yīng)用

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061)

長江口南匯邊灘是上海灘涂資源開發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域。一直以來，因外口攔門沙經(jīng)波浪掀沙、潮流輸沙而成為不斷淤漲的岸段。為落實(shí)長江口綜合整治規(guī)劃，在南匯東灘率先實(shí)施促淤工程，促淤固灘穩(wěn)定南槽河道南邊界，同時(shí)優(yōu)化灘涂濕地布局，減輕長江口工程生態(tài)影響，為后期整治工程創(chuàng)造有利條件。促淤工程平面如圖1所示。

南匯邊灘處于長江口與杭州灣交匯處，具有外海風(fēng)浪大、流場復(fù)雜、灘地高程低以及地基土軟弱等特點(diǎn)，且工程范圍大、堤線長，常規(guī)拋石堤結(jié)構(gòu)石料需求量大。施工過程中，在未安裝單重較大的護(hù)面預(yù)制塊體前，拋石堤的塊石易遭到風(fēng)浪破壞。本文研究新型促淤堤結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)拋石堤，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn),控制投資成本。

圖1 南匯東灘促淤工程平面圖

該工程區(qū)地基土軟弱、風(fēng)浪大、水深又難以滿足大型船舶長時(shí)間的作業(yè)條件，從耐久性、經(jīng)濟(jì)性、施工風(fēng)險(xiǎn)性和抗風(fēng)浪安全穩(wěn)定性，提出了新型透空塊體六面體促淤堤結(jié)構(gòu)。由于促淤堤從平均低潮位0.73m至100年一遇設(shè)計(jì)高潮位6.14m，正處于風(fēng)浪作用的強(qiáng)區(qū)間，因此需研究透空塊體六面體促淤堤的穩(wěn)定性和消浪效果，同時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性，提出最優(yōu)結(jié)構(gòu)斷面，并在促淤一期東順堤示范實(shí)施。

1 透空塊體促淤堤斷面試驗(yàn)

促淤工程采用丁壩、順壩結(jié)合布置，東側(cè)設(shè)置納潮口，增加高含沙量水體進(jìn)入庫區(qū)，通過促淤堤以降低波浪和潮流對(duì)庫區(qū)水體的影響，營造泥沙落淤的有利環(huán)境。N1區(qū)納潮口底坎高程取1.0m，接近平均低潮位。參考《海岸工程》推薦的促淤堤頂高程確定的經(jīng)驗(yàn)公式，堤頂高程取工程處平均高潮位3.51m加迎岸盛行風(fēng)速計(jì)算的半波高，確定透空塊體堤頂高程取3.7m。

先初擬透空塊體促淤堤斷面，進(jìn)行新型斷面穩(wěn)定性和孔隙率試驗(yàn)，對(duì)不同孔隙率的透空塊體斷面進(jìn)行消浪特性試驗(yàn)[2-3]。

1.1 促淤堤試驗(yàn)工況與斷面要素

試驗(yàn)工況包括100年一遇高潮位6.14m、20年一遇高潮位5.96m、不利潮位4.40m和多年平均高潮位3.51m遭遇100年一遇風(fēng)速33.5m/s。

試驗(yàn)斷面選取北區(qū)灘地高程最低、灘坡最陡的N1區(qū)東順堤。工程堤段計(jì)算滿足波浪作用穩(wěn)定的透空塊體單重為3～6t，選用鋼筋混凝土或素混凝土塊體邊長為1.5～2.0m。結(jié)合物模試驗(yàn)、理論計(jì)算和投資比較，堤頂安放三個(gè)塊體寬度4.2m，邊坡1∶1.25，底部鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖排護(hù)底，堤身內(nèi)外側(cè)設(shè)拋石護(hù)腳，頂高程以能支撐第二層塊體安裝穩(wěn)定且不高于平均低潮位設(shè)置，促淤堤斷面如圖2所示。單個(gè)透空塊體試驗(yàn)型號(hào)包括三種，見下表。

圖2 透空塊體促淤堤斷面 (單位：mm)

型 號(hào)尺 寸 /mm實(shí)體體積/m3總體積/m3單體空隙率單重/t備 注1邊長2000(桿350×350)2.358.000.7063 5.88 鋼筋混凝土2邊長1500(桿300×300)1.243.3750.63263.10 鋼筋混凝土3邊長1500(桿400×400)1.8563.3750.454.45素混凝土

1.2 斷面穩(wěn)定性、孔隙率試驗(yàn)成果

試驗(yàn)在航道實(shí)驗(yàn)室80m長的不規(guī)則波浪水槽中進(jìn)行。水槽寬0.8m，高1.6m，有效試驗(yàn)斷面寬0.5m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝婢嗌ò鍨?5m。模型比尺為1∶26。

試驗(yàn)斷面選取塊體分兩種：單一型號(hào)和組合型號(hào)；塊體安放方式分三種：全部規(guī)則整齊擺放、隨機(jī)安放和底部平擺上部內(nèi)插姿態(tài)隨機(jī)。試驗(yàn)分別采用規(guī)則波和不規(guī)則波進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)3～5次。

試驗(yàn)結(jié)果表明：?全部規(guī)則整齊擺放和隨機(jī)安放時(shí)頂部透空塊體有滾落趨勢，斷面不穩(wěn)定；?選用型號(hào)2組成的斷面因單體重量不夠，三種安放方式頂層及坡面透空塊體均不夠穩(wěn)定；?型號(hào)1和型號(hào)3無論是組合還是單一型號(hào)組成的斷面在底部平擺上部內(nèi)插時(shí)更穩(wěn)定。

其中整個(gè)斷面全部由型號(hào)3塊體組成，空隙率約67%～70%，各試驗(yàn)工況下斷面穩(wěn)定性如下：?多年平均3.51m潮位時(shí)，規(guī)則波H5%作用下，前坡及頂部表層有輕微晃動(dòng)；規(guī)則波H1%作用下，前坡及頂部極個(gè)別(1～3個(gè))有晃動(dòng)，原型最大幅度約10cm。不規(guī)則波作用下，表層有個(gè)別(3～5個(gè))塊體有晃動(dòng)，原型最大幅度約15cm，無滾落趨勢。一個(gè)風(fēng)暴周期后整體斷面穩(wěn)定。?不利潮位4.40m時(shí)，斜坡和頂部僅有個(gè)別晃動(dòng)，原型最大幅度約10cm。斷面穩(wěn)定。?5.64m潮位時(shí)，規(guī)則波作用下，前坡及頂部表層塊體有極個(gè)別(1～3個(gè))晃動(dòng)，原型最大幅度約15cm。不規(guī)則波作用下，頂部表層有個(gè)別(3～5個(gè))晃動(dòng)，原型最大幅度約15cm，無滾落趨勢。一個(gè)風(fēng)暴周期后整體斷面穩(wěn)定。?6.14m潮位時(shí)，規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，頂部塊體極個(gè)別(1～3個(gè))有晃動(dòng)，原型最大幅度約5cm。一個(gè)風(fēng)暴周期后整體斷面穩(wěn)定。

整個(gè)斷面由型號(hào)1和型號(hào)3兩種塊體組合時(shí)，空隙率約69%～76%，斷面穩(wěn)定性與全部由型號(hào)3塊體構(gòu)成斷面的穩(wěn)定性大致相同，僅在斜坡和頂部塊體有個(gè)別晃動(dòng)，原型最大幅度5～10cm，總體比全部由型號(hào)3塊體組成的斷面更穩(wěn)定些。

綜上分析，透空塊體斷面的穩(wěn)定與塊體的單重、塊體的安放方式密切相關(guān)，選用單重4.5～6t塊體，按底部平擺上部內(nèi)插安放能滿足各工況下穩(wěn)定要求。

1.3 促淤堤消浪特性試驗(yàn)成果

通過采用型號(hào)1、型號(hào)3分別組成的2種不同孔隙率透空塊體促淤堤和實(shí)心堤進(jìn)行比較，試驗(yàn)了波浪在不同波高、不同水深下各促淤堤上的傳播效果。

試驗(yàn)結(jié)果表明：?規(guī)則波作用下，同一水深時(shí)，入射波高越大，不同堤后的沿程波高越接近，說明透空塊體促淤堤對(duì)于波高比較大的海域消浪效果相對(duì)更好，更具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，不規(guī)則波作用下，不同堤后的消浪效果差異更小；?空隙率和透浪系數(shù)越大，說明消浪效果越差，但這規(guī)律并不呈線性遞增，型號(hào)3組成的斷面因空隙率不是很大，其消浪效果與實(shí)心堤相差不大。?規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，水深越淺，透浪系數(shù)越小。

2 透空塊體促淤堤斷面優(yōu)化

2.1 塊體結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

透空塊體促淤堤要發(fā)揮好的消浪效果，宜選取合適的空隙率。型號(hào)1和型號(hào)3塊體結(jié)構(gòu)和單重不同，組成的促淤堤斷面空隙率前者大于后者，選用空隙率小的消浪效果更好，為此，結(jié)合斷面波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)成果中有個(gè)別塊體晃動(dòng)的情況，優(yōu)化透空塊體單體結(jié)構(gòu)，將型號(hào)3的素混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過加大桿件截面尺寸，增加單體重量，以降低透空塊體促淤堤的孔隙率。

選取透空塊體為C30素混凝土結(jié)構(gòu)，邊長1500mm，桿截面加大至500mm×500mm，實(shí)體體積2.5m3，單體重6t，自身空隙率26%。與型號(hào)1的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(單體重5.88t)相比，促淤堤斷面的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)，但減少了預(yù)制塊體時(shí)鋼筋加工綁扎工序，方便了施工。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

a.波浪作用的確定。根據(jù)波浪模型試驗(yàn)，構(gòu)件波浪壓力選取20年一遇潮位與100年一遇風(fēng)速組合計(jì)算。根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，作用在整體或裝配式平板上的護(hù)面上最大波壓力計(jì)算方法，得出該組合下最大波壓力為89.73kPa。

b.計(jì)算模型的確定。

工況1：透空塊體的上部承受豎向波浪壓力，在底面兩側(cè)假定為簡支約束；

工況2：透空塊體的上部桿件外側(cè)承受水平波浪壓力，底面兩側(cè)有約束；

工況3：透空塊體的兩側(cè)上下部分分別承受方向相反的水平波浪壓力。

以上3種工況線荷載標(biāo)準(zhǔn)值q=44.85kN/m。

c.透空塊體內(nèi)力計(jì)算。根據(jù)上述計(jì)算模型，波浪壓力分項(xiàng)系數(shù)取1.2，安全系數(shù)取2.0，線荷載設(shè)計(jì)值為107.64kN/m。假定單個(gè)透空塊體是由12根桿件構(gòu)成的空間框架結(jié)構(gòu)，采用三維剛桁架軟件計(jì)算各工況桿件的內(nèi)力。結(jié)果顯示，工況3下透空塊體桿件最大彎矩設(shè)計(jì)值為24.559kN·m，桿件允許承載彎矩為46.17kN·m，承載力滿足要求。

3 透空塊體促淤堤安放控制

根據(jù)穩(wěn)定性試驗(yàn)要求，透空塊體采用“底層全部平放、上部分層內(nèi)插”的安放原則，避免規(guī)則整齊安放。底層塊體水平放置時(shí)，各塊體中心位置根據(jù)每標(biāo)準(zhǔn)段的灘地高程計(jì)算確定，通過調(diào)整底層塊體的縱、橫向間距，使上部相鄰層塊體間的插入深度有所變化，以此調(diào)節(jié)堤身空隙率和總高度，確保堤頂高程和頂面每個(gè)斷面有3個(gè)透空塊體。

以20m為一單元進(jìn)行三維模擬塊體安放，控制要素包括4點(diǎn)：?底層四個(gè)相鄰塊體在實(shí)際施工時(shí)受潮流和風(fēng)浪等影響可能出現(xiàn)的偏差，本區(qū)域最大偏差約20cm；?減小底層塊體之間水體流動(dòng)的通道，定點(diǎn)安放時(shí)隨機(jī)轉(zhuǎn)向；?第二層塊體嚴(yán)禁棱角直插接觸底部混凝土聯(lián)鎖排體，避免破壞護(hù)底結(jié)構(gòu)；?上下層透空塊體呈梅花形布置，即上一層每個(gè)塊體的棱角均插放在下層4個(gè)塊體之間。

以N1區(qū)納潮口北側(cè)平均灘地高程-2.6m為例，經(jīng)模擬擺放，底層塊體橫向中心間距2.6m，縱向中心間距2.4m，不包括沉降時(shí)安放塊體五層，約260塊，計(jì)入沉降量時(shí)安放塊體六層，約292塊，促淤堤斷面空隙率約56%(底層透空塊體和堤身斷面安放效果見圖3～4)。

圖3 底層透空塊體安放立面、俯視圖 (單位：m)

圖4 透空塊體堤身斷面安放效果圖

4 促淤堤實(shí)施效果分析

N1區(qū)東順堤除納潮口2.2km和丁順壩的交接段外，其余2.88km示范實(shí)施了透空塊體促淤堤，在納潮口以北和以南實(shí)施的長度分別為1.88km、0.8km,平面布置見圖5。

圖5 N1區(qū)透空塊體促淤堤示范段布置圖

從N1區(qū)促淤東堤工程實(shí)施前后的固定斷面測量資料和工程經(jīng)歷了2個(gè)汛期考驗(yàn)來看，透空塊體促淤堤及護(hù)灘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。N1區(qū)外側(cè)臨近南槽航道，-5.00m線受南槽上中段河勢沖刷影響，促淤工程實(shí)施后明顯有內(nèi)移沖刷。促淤東堤堤前50m范圍受排體護(hù)底結(jié)構(gòu)保護(hù)和局部流場改變，總體呈淤積狀，淤積厚度0.5～1.0m，北端2.5km范圍自轉(zhuǎn)彎段開始，堤前100m以外灘地持續(xù)沖刷，與臨近的浦東機(jī)場外側(cè)3號(hào)圍區(qū)圈圍工程外側(cè)沖刷一致，沖刷幅度由上游向下游逐漸變小。

圖6顯示N1促淤區(qū)內(nèi)淤積形態(tài)和規(guī)律與相鄰區(qū)N2、N3區(qū)采用傳統(tǒng)拋石堤基本一致，即前期低灘淤積強(qiáng)度大，后期隨著灘地高程的抬高，淤積強(qiáng)度逐漸減弱。N1區(qū)因透空塊體促淤堤空隙率大于常規(guī)拋石堤，納潮口內(nèi)側(cè)未出現(xiàn)沖刷區(qū)域，而相鄰的N2區(qū)、N3區(qū)納潮口內(nèi)側(cè)均出現(xiàn)了1～2m的沖刷坑，這將增加后續(xù)整治堤防的投資。

圖6 促淤一期工程實(shí)施2年后促淤區(qū)內(nèi)地形分布 (單位:m)

5 結(jié) 語

a.透空塊體促淤堤在低灘、軟基、風(fēng)浪較大的區(qū)域替代傳統(tǒng)拋石堤，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，且有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

b.透空塊體促淤堤空隙率越大，透浪系數(shù)越大，但總體并非呈線性變化，選取合適的透空塊體結(jié)構(gòu)，既能滿足穩(wěn)定要求，又可優(yōu)化促淤堤空隙率，使其發(fā)揮更好的消浪促淤效果。

c.采用“底層平放、上層內(nèi)插”的安放方式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利，控制底層塊體的縱橫向間距尤為重要，同時(shí)考慮現(xiàn)場安放時(shí)波浪潮流的不利影響。

d.南匯東灘促淤一期N1區(qū)東順堤示范實(shí)施了長2.88km的透空塊體促淤堤，堤身空隙率約56%，從實(shí)測斷面及促淤區(qū)灘面變化來看，取得了較好的促淤保灘效果。這表明透空塊體促淤堤雖然具有較大的空隙率，但仍具有明顯的阻水和消浪效果，能夠促進(jìn)內(nèi)側(cè)泥沙淤積。

目前，該新型透空塊體促淤堤的設(shè)計(jì)和施工已在南匯東灘促淤二期的促淤東堤推廣和應(yīng)用?？晒┢渌愃乒こ探梃b。

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