分汊河道匯流口下游碼頭樁基沖刷防護(hù)措施研究

張喜寶

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

港口的生產(chǎn)發(fā)展與碼頭泊位的建設(shè)密不可分。碼頭是港口供輪船或渡船停泊、乘客上下、貨物裝卸而修建的構(gòu)筑物[1]。碼頭的建設(shè)與安全運(yùn)行對(duì)于港口企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，其安全性與水流條件等密切相關(guān)[2]。長(zhǎng)江分汊河道眾多，分汊河道匯流區(qū)水流現(xiàn)象、泥沙特征及河床形態(tài)均具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)[3]。何偉、吳迪等[4-5]研究表明匯流口下游水流發(fā)生分離，分離區(qū)內(nèi)流速較低，但流動(dòng)紊亂，甚至有回流現(xiàn)象。當(dāng)碼頭位于分汊河道匯流口下游時(shí)，受分離區(qū)復(fù)雜水沙條件影響，碼頭前緣將受到強(qiáng)烈淘刷，形成局部沖刷坑，嚴(yán)重威脅碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給港口的生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[6-7]，因此開(kāi)展分汊河道匯流口下游碼頭沖刷防護(hù)工程措施的相關(guān)研究具有重要意義。

沖刷防護(hù)一般分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)指人為改變水流流態(tài)及流向，達(dá)到減弱水流沖刷的目的。被動(dòng)防護(hù)是在其沖刷區(qū)域布設(shè)具有抗沖、抗蝕的工程結(jié)構(gòu)物[8-9]，傳統(tǒng)的港口水工結(jié)構(gòu)防沖刷措施主要包括三種：一是塊石護(hù)底，二是鍍鋅鋼絲籠內(nèi)填裝塊石，三是軟體排柔性護(hù)底[10]。這類(lèi)被動(dòng)防護(hù)法在沖刷防護(hù)工程中已得到廣泛應(yīng)用。史青法和李富會(huì)[11]基于碼頭基床現(xiàn)狀提出兩點(diǎn)防護(hù)建議：在碼頭基床沖刷坑內(nèi)填充碎石，以粗糙的石塊減緩流速，降低水流挾沙能力，遏制碼頭基床的沖刷；也可以在沖刷坑拋擲粗砂袋，表層布設(shè)水泥連鎖排進(jìn)行防護(hù)。王麗和莫秋榮[12]在輻射沙洲海域碼頭建設(shè)中將級(jí)配碎石組成的回填料兼反濾層用于碼頭沖刷坑防護(hù)。邵榮順[13]提出在南通狼山港區(qū)碼頭防護(hù)中對(duì)于碼頭沖刷的防護(hù)要考慮到碼頭的使用要求，一般采用平行拋石護(hù)岸，在平拋?zhàn)o(hù)岸設(shè)計(jì)中，要加強(qiáng)護(hù)岸中坡腳和岸坡的層次。王多銀等[14]指出在三峽庫(kù)區(qū)港口碼頭建設(shè)中要遵循滑坡處治原則，合理地進(jìn)行港口平面布置，除滿(mǎn)足港口功能外，還應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合滑坡治理、沖刷防護(hù)工程的建設(shè)，選擇合理的碼頭型式。

對(duì)于位于分汊河道交匯口下游的碼頭，其水動(dòng)力特性較復(fù)雜，還需專(zhuān)門(mén)分析和研究。本文以孟家港碼頭為例，通過(guò)綜合考慮分汊河道匯流口下游碼頭附近水動(dòng)力特征、河床沖淤變化及邊坡情況，確定了碼頭沖刷防護(hù)范圍、防護(hù)措施及防護(hù)結(jié)構(gòu)，以保障港口碼頭的安全運(yùn)行，研究成果可為類(lèi)似工程案例提供參考。

1 基本情況

孟家港碼頭位于長(zhǎng)江下游鎮(zhèn)江河段大港水道北岸(圖1)，和暢洲左、右汊匯流口下游。大港水道上起和暢洲未，下訖五峰山，長(zhǎng)約9.5 km，平均河寬為1 500 m左右，為曲率適度的彎曲河道。河道南岸有五峰山等丘陵，北岸為沖積平原。

圖1 孟家港碼頭位置

大港水道地處長(zhǎng)江下游，徑流量大，江闊水深。據(jù)長(zhǎng)江下游大通水文站1950年—2017年水文資料統(tǒng)計(jì)，多年平均流量28 600 m3/s，最大流量92 600 m3/s，最枯流量4 620 m3/s，多年平均含沙量為0.464 kg/m3，多年平均輸沙量4.26億t。2003年6月三峽工程蓄水運(yùn)用后，長(zhǎng)江下游水沙條件出現(xiàn)變化，主要是來(lái)沙量大幅度減小，僅為三峽工程蓄水前的三分之一左右。

大港水道屬于感潮河段，全年受長(zhǎng)江口潮汐影響，平均潮差0.96 m，最大潮差2.32 m，平均落潮時(shí)間9 h 10 min，平均漲潮時(shí)間3 h 15 min，全年除枯季大潮有上溯潮流外，基本上為單向下泄流，水文泥沙特性主要受長(zhǎng)江徑流控制。大港水道懸移質(zhì)平均中值粒徑為0.006～0.009 mm，床沙平均中值粒徑為0.064～0.204 mm，河床極易產(chǎn)生沖淤變形。

孟家港碼頭共建有3個(gè)50 000 DWT散貨泊位，靠船裝卸平臺(tái)長(zhǎng)度為790 m，寬度為32 m，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距為7 m，樁基采用Φ1 000 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼(PHC)管樁(深槽處采用Φ1 000 mm鋼管樁)，平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱向梁系、迭合面板和靠船構(gòu)件組成(圖2)。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)剖面示意圖(單位：mm)

2 碼頭附近水動(dòng)力與河床沖淤特征

2.1 碼頭附近水動(dòng)力特征

長(zhǎng)江下游鎮(zhèn)江河段水流彎曲分汊，主流出六圩彎道后，分為左右兩股分別進(jìn)入和暢洲左、右汊，其中左汊水流沿和暢洲北緣至和暢洲東北角又從右過(guò)渡至左岸孟家港下行，右汊水流折向南至諫壁再向東貼南岸下行，在大港附近兩汊道水流匯合，沿南岸再折向北五峰山下泄進(jìn)入揚(yáng)中河段。

孟家港碼頭位于和暢洲左、右汊匯流口下游的左岸(北岸)，以往研究結(jié)果表明，該處水流條件十分復(fù)雜。目前其上游和暢洲左汊為主汊、右汊為支汊，近期左汊分流比在65%～70%，相應(yīng)右汊分流比在30%～35%。

孟家港碼頭附近典型流場(chǎng)分布見(jiàn)圖3，從圖中可看出，左、右汊匯流后，主流逐漸從左側(cè)過(guò)渡到大港水道的右側(cè)深槽，在孟家港碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對(duì)碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢(shì)，且流速相對(duì)較大，有時(shí)可超過(guò)2.0 m/s，尤其是在落急時(shí)刻，局部最大流速甚至可達(dá)2.5 m/s左右。

2.2 碼頭附近河床近期沖淤變化

碼頭所在大港水道多年來(lái)河勢(shì)總體較為穩(wěn)定，兩岸岸線(xiàn)基本變化不大，雖河床沖淤交替，但深泓點(diǎn)的縱向與橫向變化都不太。多年來(lái)盡管上游和暢洲汊道左右汊分流比變化明顯，但和暢洲匯流點(diǎn)上提下挫幅度不大，基本上穩(wěn)定在黃港附近，匯流點(diǎn)附近的深泓略有左擺，但匯流點(diǎn)以下大港水道的深泓線(xiàn)基本穩(wěn)定在南岸，左擺右移幅度也不大，多年的擺動(dòng)幅度不足100 m。

然而，孟家港碼頭因處于和暢洲左、右汊交匯口下端，由于水流條件十分復(fù)雜，碼頭附近局部河床則存在明顯的沖淤變化，表現(xiàn)為碼頭局部水深條件變化較為劇烈，沖淤交替，且局部變幅較大。從該河段以往研究中的總體沖淤變化來(lái)看，2010年—2014年碼頭工程附近河床存在明顯的沖淤變化，局部最大沖刷甚至可達(dá)10 m以上，局部最大淤積同樣亦較大。2015年11月—2017年11月，沖淤幅度略小些，碼頭附近河床總體以沖刷為主，沖刷幅度在2.0 m左右。2017年11月—2019年4月碼頭附近沖淤平面分布見(jiàn)圖4所示，如圖可見(jiàn)：碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在較明顯的沖刷，最大沖刷深度可達(dá)6 m以上，其余區(qū)域有沖有淤，最大沖淤幅度一般在3 m左右。

依據(jù)近期碼頭附近局部地形測(cè)量結(jié)果，對(duì)碼頭附近的-16 m等高線(xiàn)進(jìn)行了套繪，如圖5所示。從碼頭建成以來(lái)(2016年—2019年)多個(gè)測(cè)次地形測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，受主流逐漸從左側(cè)過(guò)渡到大港水道的右側(cè)深槽的影響，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對(duì)碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢(shì)，且流速相對(duì)較大，-16 m等高線(xiàn)出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長(zhǎng)約790 m)。因此從防護(hù)的角度來(lái)看，這一沖刷范圍亦是防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，即碼頭的西南側(cè)區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

碼頭附近河床沖淤的影響因素主要包括河道邊界條件及來(lái)水來(lái)沙條件兩大方面。具體而言，孟家港碼頭因處于和暢洲左、右汊交匯口下端，由于水流條件十分復(fù)雜，碼頭附近局部河床存在明顯沖淤變化；受主流逐漸從左側(cè)過(guò)渡到大港水道的右側(cè)深槽的影響，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對(duì)碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢(shì)，易出現(xiàn)沖刷；另一方面，因上游梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)，使得下游河道來(lái)沙量減少，也會(huì)造成河床的進(jìn)一步?jīng)_刷；此外，隨著和暢洲河段水利工程和航道整治工程的實(shí)施，也會(huì)帶來(lái)新的河床沖淤調(diào)整，引起局部河床的沖淤變化。因此，受這些因素的影響，在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)，和暢洲水道、大港水道仍會(huì)出現(xiàn)一定的沖淤變化。

綜上所述，結(jié)合歷史及最新測(cè)量資料來(lái)看，碼頭附近局部河床沖淤存在較大(>6 m)的變化?？紤]后期碼頭投入運(yùn)營(yíng)后，該地形變化可能會(huì)對(duì)碼頭安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。此外，隨著流域來(lái)沙持續(xù)減少以及人類(lèi)活動(dòng)影響，將來(lái)有可能會(huì)引發(fā)局部河床的進(jìn)一步大幅度沖刷。因此，非常有必要及時(shí)實(shí)施河床沖刷的防護(hù)措施，以確保碼頭工程的安全運(yùn)營(yíng)，其中碼頭上游側(cè)(西南側(cè))區(qū)域是防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

3 沖刷防護(hù)措施研究

3.1 平面防護(hù)范圍

依據(jù)前文碼頭工程附近多個(gè)測(cè)次的地形測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，碼頭上游段(尤其是西南側(cè))沖刷嚴(yán)重，比如2019年4月測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示局部已沖刷至-24～-25 m，危及碼頭結(jié)構(gòu)安全。從前述水動(dòng)力特性和沖刷范圍分析來(lái)看，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對(duì)碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢(shì)，且流速相對(duì)較大，根據(jù)碼頭建成以來(lái)(2016年—2019年)多個(gè)測(cè)次地形測(cè)量數(shù)據(jù)，-16 m等高線(xiàn)出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長(zhǎng)約790 m)。因此，碼頭的中上段為防護(hù)的重點(diǎn)部位，其中碼頭上段則是重中之重，應(yīng)優(yōu)先對(duì)碼頭上段(200 m)加強(qiáng)沖刷防護(hù)，其他部位則需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

碼頭樁基防護(hù)平臺(tái)高程以達(dá)到碼頭穩(wěn)定需達(dá)到的高程為準(zhǔn)，對(duì)于目前沖刷深度較大的部位，可考慮先采用充沙后的沙袋回填到一定高程，再在沙袋上進(jìn)行沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。除了做好上述碼頭樁基防護(hù)平臺(tái)外，還應(yīng)做好防護(hù)平臺(tái)與周邊河床的平順銜接，尤其是要做好與碼頭上游側(cè)及外側(cè)(深槽側(cè))河床的平順銜接。最新實(shí)測(cè)地形資料表明，碼頭前沿河床斷面橫向水下平均坡度為1:12～1:13，西南角強(qiáng)沖區(qū)域最大坡度則約為1:4，因此平順?lè)雷o(hù)區(qū)與河床銜接處的坡度設(shè)置為1:4～1:5。碼頭平臺(tái)以外的防護(hù)范圍(平順?lè)雷o(hù))寬度不宜小于80 m，西南角強(qiáng)沖區(qū)域則應(yīng)適當(dāng)加寬至100 m。碼頭沖刷防護(hù)方案布置如圖6所示。

6-a 平面布置 6-b 斷面布置

3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)一般由反濾層和護(hù)面層組成；反濾層可采用級(jí)配碎石，也可采用軟體排或沙袋等材料；護(hù)面層可采用塊石、鋼筋籠裝塊石、砼聯(lián)鎖塊等材料。反濾層的主要功能是保土和排水，即反濾層實(shí)施后可保護(hù)河床基土減少?zèng)_蝕。護(hù)面層壓載材料則可抵抗水流沖刷。

根據(jù)本項(xiàng)工程的實(shí)際情況，考慮到防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工快的特點(diǎn)，且較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并利于今后對(duì)沖刷防護(hù)工程的維護(hù)。因而，采用灌裝沙袋或級(jí)配碎石作反濾層，采用塊石作為護(hù)面層壓載材料。這兩種材料結(jié)構(gòu)均具有施工快捷、造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的選擇，但隨著河床的沖刷和變形，也存在拋石流失的問(wèn)題，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)拋和維護(hù)。另一種方案則是建議采用軟體排作為反濾層材料，具有整體性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但施工難度大、費(fèi)用偏高。

碼頭沖刷防護(hù)結(jié)構(gòu)斷面布置如圖6-b所示，具體為：碼頭平臺(tái)處-18 m高程以下拋投沙袋，沙袋頂部拋投2.0 m厚的塊石，并與河床平順銜接，平順?lè)雷o(hù)區(qū)底部采用級(jí)配碎石作為反濾層，上部護(hù)面層則同樣采用塊石，平順拋石水下末端外側(cè)設(shè)置防崩層，采用拋投四面六邊體框架結(jié)構(gòu)，碼頭西南角強(qiáng)沖區(qū)域?qū)挾?～10 m，其余區(qū)域3～5 m，密度應(yīng)大于2架/m2。

3.3 防護(hù)塊石大小與穩(wěn)定

護(hù)面層拋石能起到減小工程附近河床沖刷的作用，本次研究中從塊石穩(wěn)定角度對(duì)其粒徑和重量進(jìn)行計(jì)算。塊體失穩(wěn)的研究由來(lái)已久，雖然不同研究對(duì)塊體的受力情況和失穩(wěn)情況有不同的假定，但所得出的失穩(wěn)公式的結(jié)構(gòu)型式基本相似，主要可分為二類(lèi)：以起動(dòng)流速為變量的塊石穩(wěn)定性計(jì)算公式；以單寬流量為變量的塊石穩(wěn)定性計(jì)算公式。本研究選擇以塊石起動(dòng)流速為變量的Gerritsen公式來(lái)計(jì)算

(1)

式中：γs為床沙顆粒容重，kg/m3；γ為水的容重，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為塊石粒徑，m；K為待定系數(shù)，對(duì)于塊石滑動(dòng)時(shí)取1.22。

以上為采用具體流速與公式計(jì)算的塊石穩(wěn)定最小值，在具體防護(hù)時(shí)，還應(yīng)考慮其他因素的影響進(jìn)行確定，如地形坡度的影響，邊坡上的塊石起動(dòng)存在重力在斜坡上的分力，起動(dòng)更容易，塊石起動(dòng)流速隨坡度的增大而減少。本工程考慮斜坡影響系數(shù)1.3，亦即最小穩(wěn)定粒徑不宜小于0.38 m(或0.26 m)的1.3倍，即最小穩(wěn)定粒徑應(yīng)大于0.50 m(或0.34 m)。換算成重量，則塊石最小重量應(yīng)大于173 kg(或55 kg)。因此，護(hù)面層拋石重量應(yīng)控制在60～200 kg，且要求為非均勻級(jí)配(即60～200 kg的各種塊石大小都有)。石料不允許使用風(fēng)化石、泥巖以及薄片、條狀、尖角等形狀的塊石。

基于上述分析確定的防護(hù)措施實(shí)施后，通過(guò)初步試驗(yàn)結(jié)果表明，碼頭附近河床沖刷可得到較好的抑制，可起到保障碼頭樁基安全的作用。

4 結(jié)論

(1)孟家港碼頭位于和暢洲左、右汊匯流口的下游端左岸，左、右汊匯流后，主流逐漸從左側(cè)過(guò)渡到大港水道的右側(cè)深槽，在孟家港碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對(duì)碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢(shì)，且流速相對(duì)較大，因此，碼頭西南側(cè)易出現(xiàn)明顯沖刷。

(2)依據(jù)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長(zhǎng)約790 m)。因此，建議碼頭的中上段為防護(hù)的重點(diǎn)部位，其中碼頭上段則是重中之重，應(yīng)優(yōu)先對(duì)碼頭上段(200 m)加強(qiáng)沖刷防護(hù)。

(3)防護(hù)結(jié)構(gòu)由反濾層和護(hù)面層組成；反濾層采用級(jí)配碎石，也可采用軟體排或沙袋等材料；護(hù)面層采用塊石等材料。反濾層實(shí)施后可保護(hù)河床基土減少?zèng)_蝕；護(hù)面層壓載材料可抵抗水流沖刷。防護(hù)措施的實(shí)施，可較好地抑制河床沖刷，起到保障碼頭樁基安全的作用。