開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡研究

張建鋒，王玉東，侯海偉，丁琦，郭冬冬，馬興華

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡研究

張建鋒1，王玉東2，侯海偉1，丁琦1，郭冬冬1，馬興華1

（1.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

安全、經(jīng)濟地確定航道邊坡坡度意義重大。依托連云港徐圩港區(qū)5萬~10萬噸級航道工程，在現(xiàn)場觀測分析的基礎(chǔ)上，從巖土整體穩(wěn)定角度和波浪動力角度，研究提出了開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡設(shè)計方法。結(jié)果表明，在連云港徐圩航道區(qū)域，航道邊坡坡比采用1∶7是基本穩(wěn)定的；選用無側(cè)限抗壓試驗指標(biāo)作為航道邊坡巖土穩(wěn)定分析計算參數(shù)，提升了巖土整體穩(wěn)定分析手段在航道邊坡設(shè)計的作用；首次采用波浪摩阻流速研究了不同浪級、波向、坡度、航道等級條件下波浪動力對航道穩(wěn)定性的影響。

航道邊坡；設(shè)計方法；開敞海域；深挖槽

穩(wěn)定邊坡與水深、地質(zhì)、開挖厚度、潮流、波浪、船行波等因素有關(guān)，而現(xiàn)行規(guī)范僅根據(jù)地質(zhì)資料采用查表法確定，因此有必要開展航道疏浚邊坡試驗觀測及研究。

本次研究在連云港徐圩港區(qū)5萬~10萬噸級航道疏浚邊坡連續(xù)觀測的基礎(chǔ)上，開展分析研究巖土整體穩(wěn)定計算和波浪動力影響計算，確定了設(shè)計邊坡，并形成了開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡設(shè)計方法，經(jīng)實踐驗證，可為同類工程航道疏浚邊坡的確定與評價所借鑒。研究成果已納入863成果《開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深水航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究》[1]。

1 依托工程概況及自然條件

1.1 依托工程概況

研究依托連云港徐圩港區(qū)5萬~10萬噸級航道疏浚工程。其中5萬噸級航道設(shè)計底標(biāo)高-11.5 m，10萬噸級航道設(shè)計底標(biāo)高-13.3 m。徐圩航道平面布置見圖1。

圖1 航道平面布置示意圖Fig.1 Layout of the channel

1.2 風(fēng)、潮流、波浪情況

工程區(qū)域常風(fēng)向為偏E向，ESE向出現(xiàn)頻率為11.4%，E向出現(xiàn)頻率次之，為10.3%。強風(fēng)向為偏N向，6級以上（含6級）大風(fēng)NNE向出現(xiàn)頻率為1.9%。6級以上大風(fēng)一般發(fā)生在7月中旬—9月上旬（臺風(fēng)）和11月—翌年3月（寒潮）[2]。

連云港海區(qū)潮流為不正規(guī)半日潮流，外海為逆時針旋轉(zhuǎn)流，近岸過渡為往復(fù)流，流向順岸，流速分布近岸小、外海大，垂線平均流速一般都在0.5 m/s以下，最大不到1 m/s。

波型主要為風(fēng)浪，占62.6%；以涌浪為主的混合浪次之，占27.9%，其它為混合浪。常浪向為偏NE向，出現(xiàn)頻率26.41%，E向次之，為18.40%。強浪向為偏N向，1.5 m以上的波高NNE向出現(xiàn)頻率為2.13%，NE向次之，為1.79%。大于2 m波高出現(xiàn)率為1.5%，波高大于0.5 m的出現(xiàn)率占44.2%。

1.3 工程地質(zhì)情況

疏浚范圍基本為①層淤泥，灰色，飽和，流塑，土質(zhì)均勻，局部間夾粉砂薄層[2]。工程地質(zhì)性質(zhì)差。

2 航道疏浚邊坡現(xiàn)場觀測

2.1 航道邊坡

徐圩港區(qū)5萬噸級航道邊坡為1∶7，10萬噸級航道試驗邊坡為里段1∶7，外段1∶10[2-3]。

2.2 觀測成果

結(jié)合5萬~10萬噸級航道疏浚工程進(jìn)行的觀測，獲得的可適用的觀測數(shù)據(jù)見表1所示[2-3]。

表1 觀測成果情況一覽表Table 1 List of observation information

3 航道疏浚邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 疏浚邊坡成槽情況

對比設(shè)計斷面和浚挖斷面（固定斷面D6'）邊坡情況，浚挖后的邊坡坡度基本與設(shè)計一致，可以據(jù)此進(jìn)行邊坡研究的統(tǒng)計分析。斷面比較圖詳見圖2。

圖2 斷面比較圖Fig.2 Comparison of design section and dredged section

3.2 測量數(shù)據(jù)的邊坡概化處理

獲得的邊坡觀測數(shù)據(jù)，存在如下問題：

1）一般而言，疏浚施工浚挖邊坡，是采用分層臺階狀浚挖，導(dǎo)致浚挖后的邊坡與設(shè)計邊坡線存在一定的差異，局部區(qū)域存在一定的臺階形狀。

2）限于浚挖、測量等條件，邊坡數(shù)據(jù)存在一定的起伏，難以如設(shè)計邊線成一直線。

3）限于現(xiàn)場測量技術(shù)水平，邊坡數(shù)據(jù)在同一斷面位置，存在橫向或縱向上的偏差。

上述問題，為邊坡變化的定量分析帶來了困難，為解決上述問題，本次分析引進(jìn)概化的方法。

概化方法：根據(jù)邊坡觀測數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析的方法，確定一個概化邊坡，邊坡概化示意圖見圖3。

圖3 邊坡概化示意圖Fig.3 Slope generalization plot

概化的合理性：從統(tǒng)計分析來看，相關(guān)性在0.9~0.99，說明概化后的邊坡對實際邊坡的代表性較好，采用該種方法研究是合理的。

概化后邊坡研究的可行性：經(jīng)過概化后，任何測量的邊坡均變?yōu)橐恢本€，代表了一個坡值，從觀測時間上來看，可以較為簡單的直接進(jìn)行對比分析，其研究方法具有較好的可行性。

3.3 概化后的邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)對分組1~3邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析（圖4所示為分組2邊坡變化情況），有如下結(jié)論：

圖4 分組2概化邊坡變化圖Fig.4 Variations of generalized slope of group 2

1）總體上來看，邊坡基本穩(wěn)定，無論是1∶7或者1∶10的浚挖邊坡，未發(fā)現(xiàn)有坍塌的現(xiàn)象；

2）按照1∶7設(shè)計并進(jìn)行浚挖的邊坡，雖然浚挖后邊坡各不相同，但大都與之相近，基本上有一定幅度的變緩；

3）按照1∶10設(shè)計并進(jìn)行浚挖的邊坡，總體上比較穩(wěn)定；

4）有變化的邊坡，經(jīng)過一定時間，邊坡能夠趨于穩(wěn)定，從上述觀測資料來看，8個月后基本能夠穩(wěn)定；

5）穩(wěn)定的邊坡，與最初浚挖成型的邊坡，有一定的關(guān)系，原本浚挖的陡坡斷面，穩(wěn)定后的邊坡相對要陡，并非不同的邊坡穩(wěn)定后均趨向于同一個值。

4 航道疏浚邊坡巖土整體穩(wěn)定性分析

4.1 計算方法及計算公式

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗，考慮采用畢肖普條分法作為航道疏浚邊坡巖土穩(wěn)定分析方法。計算公式采用JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》規(guī)定公式。

4.2 抗剪強度指標(biāo)的確定

開挖后航道邊坡屬于卸荷邊坡，在選用驗算邊坡穩(wěn)定指標(biāo)時，三軸不固結(jié)不排水剪和三軸固結(jié)不排水剪指標(biāo)均不符合實際情況，而無側(cè)限抗壓強度是圍壓為零的總強度，與邊坡開挖的情況較為接近。因此，航道邊坡巖土穩(wěn)定分析可采用無側(cè)限抗壓強度指標(biāo)，其他作為對比。

4.3 徐圩航道疏浚邊坡整體穩(wěn)定性分析

4.3.1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical indexes of soil

4.3.2 計算結(jié)果

計算工況及計算成果見表3。

表3 計算工況及計算結(jié)果Table 3 Calculation conditions and reckoned results

4.3.3 物理力學(xué)指標(biāo)及計算結(jié)果選用

綜上所述，本文推薦采用無側(cè)限抗壓強度指標(biāo)計算γR：

當(dāng)m=1∶5時，γR基本在1.2~1.35；

當(dāng)m=1∶7時，γR基本在1.5~1.6；

當(dāng)m=1∶10時，γR基本在2.0~2.1。

考慮到航道的情況比較復(fù)雜，受風(fēng)浪、水流等的作用，條件非常惡劣，因此綜合考慮γR抗力分項系數(shù)取JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》規(guī)定的上限，即取1.5較為合適。根據(jù)整體穩(wěn)定分析計算結(jié)果及抗力分項系數(shù)取值，航道穩(wěn)定邊坡宜取1∶7。

5 航道疏浚邊坡波浪動力影響分析

5.1 研究方法及內(nèi)容

波浪動力影響分析采用南京水利科學(xué)研究院波浪模型所推算的連云港海域的波要素[4]，根據(jù)公式計算大、中風(fēng)天波浪條件下，灘面、航道邊坡及航道底部的波浪底摩阻流速，分析航道典型橫斷面上的波浪底摩阻流速分布特征，并結(jié)合連云港、徐圩海域泥沙水動力特性試驗中泥沙起動的研究成果，分析各種波浪條件對航道疏浚邊坡上泥沙起動的影響程度，從而判別其對開挖邊坡穩(wěn)定的影響[3]。

5.2 航道橫斷面波浪底摩阻流速分布特征

波浪作用下的底摩阻流速

式中：fw為波浪底摩阻系數(shù)，取0.01；H為波高，采用波浪模型推算的H1/10；T為波浪周期；k為波數(shù)；h為水深。

1）不同浪級、波向影響

波浪底摩阻流速受水深和波高的直接影響，反映出灘面大于航槽、低水位大于高水位、10級風(fēng)浪大于7級風(fēng)浪的規(guī)律，不同波向下橫斷面的分布規(guī)律很接近。

在邊坡附近，波浪底摩阻流速由灘面向航槽有較為明顯的減小，其分布線的形態(tài)與航道設(shè)計斷面的形態(tài)十分接近。

總體而言，迎波面邊坡附近的波浪底摩阻流速要略大于背波面，高水位時此現(xiàn)象更明顯。

徐圩10萬噸級航道4 m水深斷面波浪底摩阻流速分布（N向風(fēng)，邊坡1∶5）見圖5。

圖5 波浪底摩阻流速分布示意圖Fig.5 Wave friction velocity distribution

2）不同邊坡坡度影響

邊坡的差異僅影響坡面附近的波浪底摩阻流速，兩種邊坡坡度下，波浪底摩阻流速的分布均在邊坡處有較為明顯的突變，且基本隨水深的變化而線性變化，分布線的形態(tài)與航道設(shè)計斷面的形態(tài)也十分接近。

3）不同航道等級影響

航道等級的差異對兩側(cè)灘面波浪底摩阻流速的影響很小，而對坡肩線以內(nèi)的波浪底摩阻流速的分布影響很大，其分布線形態(tài)與航道設(shè)計斷面基本保持一致。

4）航道沿程變化

灘面處的波浪底摩阻流速隨灘面水深的增加而變?。黄录缫詢?nèi)的波浪底摩阻流速隨水深增大而減??；而坡底線以內(nèi)，波浪底摩阻流速的沿程變化不大。波浪底摩阻流速的分布形態(tài)總體上依然與航道設(shè)計斷面基本保持一致。

5.3 波浪動力作用邊坡深度的確定

泥沙的臨界起動摩阻流速參考了中科院力學(xué)研究所連云港主航道淤泥臨界起動試驗成果[5]、天科所連云港主航道及徐圩航道泥樣的泥沙水動力特性試驗成果[6-7]以及其它與連云港相關(guān)的泥沙研究成果[8]。本次研究中取5 cm/s和3 cm/s兩組起動摩阻流速進(jìn)行分析。

表4列出了徐圩10萬噸級航道在NE向波浪作用下，5 cm/s的臨界起動摩阻流速對應(yīng)的臨界起動水深。“>”或“<”代表該斷面上的波浪底摩阻流速均大于或小于臨界起動摩阻流速；灰色格代表臨界起動水深位于灘面上。

表4 航道邊坡泥沙臨界起動水深 mTable 4 Critical depth where sediment incipient motion happens on the slope of channel

7級風(fēng)作用下，波浪底摩阻流速能達(dá)到5 cm/s的水深范圍較小，且基本發(fā)生在低水位時刻，出現(xiàn)位置大致在8 m等深線以內(nèi)。10級風(fēng)的影響深度要顯著大于7級風(fēng)，高水位下泥沙能起動的范圍為11~13 m等深線，而低水位下15 m等深線以內(nèi)的均能出現(xiàn)泥沙起動。7級風(fēng)和10級風(fēng)作用下，隨著灘面水深的變小，對應(yīng)邊坡上的臨界起動水深均會減小。迎波側(cè)邊坡上的臨界起動水深總體上要大于背波側(cè)邊坡上的臨界起動水深。航道浚深后，邊坡上的臨界起動水深總體上略有減??；1∶5與1∶10的坡度相比，邊坡上的臨界起動水深相差不大。

3 cm/s臨界起動摩阻流速對應(yīng)起動水深的規(guī)律與5 cm/s臨界起動摩阻流速類似，由于臨界起動摩阻流速較小，各種工況、波浪條件作用下的臨界深度均有所增大。

6 結(jié)語

開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道疏浚邊坡坡度關(guān)乎開挖后的航道穩(wěn)定性和航道的正常營運，也與基建及維護(hù)費用息息相關(guān)，因此，安全、經(jīng)濟地確定航道邊坡坡度意義重大。本文依托連云港徐圩5萬~10萬噸級航道工程開展了航道疏浚邊坡研究。

1）改進(jìn)了觀測方法和分析方法，采用巖土整體穩(wěn)定分析方法研究了航道邊坡穩(wěn)定坡度，采用波浪摩阻流速研究了波浪動力對航道穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了疏浚邊坡設(shè)計流程，形成了開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡設(shè)計方法，為合理確定開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道邊坡提供技術(shù)依據(jù)。

2）本次航道疏浚邊坡現(xiàn)場觀測及穩(wěn)定性分析表明，在連云港徐圩航道區(qū)域，航道邊坡坡比采用1∶7是基本穩(wěn)定的。

3）本次研究開展了航道疏浚邊坡巖土整體穩(wěn)定性分析。通過全面分析比較工程中常用物理力學(xué)指標(biāo)的試驗方法及特點，結(jié)合航道疏浚開挖特點，研究明確提出選用無側(cè)限抗壓試驗指標(biāo)作為航道邊坡巖土穩(wěn)定分析計算參數(shù)，提升了巖土整體穩(wěn)定分析手段在航道邊坡設(shè)計中的作用。

4）本次研究開展了航道疏浚邊坡波浪動力影響分析。從對本海域地形塑造起主要作用的波浪這一動力因素上著手，首次采用波浪摩阻流速研究了不同浪級、波向、坡度、航道等級條件下波浪動力對航道穩(wěn)定性的影響，有效地填補了這一研究領(lǐng)域的空白。

[1] 中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.開敞海域淤泥質(zhì)淺灘深挖槽航道總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[R].上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.A study on key technologies for the master design of a deepcutchannelintheexposedshallow shoal[R].Shanghai:CCCCShanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2014.

[2]中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.連云港港30萬噸級航道一期工程初步設(shè)計[R].上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，2010. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.Engineering design for Phase I of the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2010.

[3]中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司.連云港港30萬噸級航道工程科研項目航道疏浚邊坡觀測研究[R].上海：中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.An observational study for the dredged slope in the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2014.

[4] 南京水利科學(xué)研究院.水動力條件下深挖槽穩(wěn)定邊坡研究波浪場推算[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2015. Nanjing Hydraulic Research Institute.Wave field projections for slope stability study of deep-cut channel under the hydrodynamic conditions[R].Nanjing:NanjingHydraulicResearchInstitute,2015.

[5] 中國科學(xué)院力學(xué)研究所.連云港航道底泥及浮泥的臨界起動條件試驗研究[R].北京：中國科學(xué)院力學(xué)研究所，2010. Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences.An experimental study on the incipient motion condition of sediment and floating sludge in Lianyungang channel[R].Beijing:Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2010.

[6]交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所.連云港主港區(qū)航道淤積泥沙水力特性試驗研究報告[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2008. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O. T.Anexperimental study on hydraulic characteristics of silt deposits in Lianyungang main port channel[R].Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,2008.

[7]交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所.連云港徐圩港航道泥沙水力特性試驗研究報告[R].天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2009. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T. An experimental study on hydraulic characteristics of sediments in the approach channel to Xuwei Terminal of Lianyungang Port[R]. Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,2009.

[8] 虞志英，陳昌德，張勇，等.連云港淤泥質(zhì)岸灘水動力特征及人工吹泥條件下的岸灘演變[C]//連云港回淤研究論文集.南京：河海大學(xué)出版社，1990：56-68. YU Zhi-ying,CHEN Chang-de,ZHANG Yong,et al.The hydrodynamic characteristics of the muddy coast in Lianyungang and the coastal evolution under artificial mud blowing[C]//Pro-ceedings of siltation study for Lianyungang Port.Nanjing:Hohai University Press,1990:56-68.

Study on slope for deep-cut channel in exposed muddy shallows

ZHANG Jian-feng1,WANG Yu-dong2,HOU Hai-wei1,DING Qi1,GUO Dong-dong1,MA Xing-hua1
（1.CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China; 2.CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200002,China）

It is of great significance to determine the gradient of channel slope on a stable and cost-effective basis.Based on the 50 000~100 000 DWT channel project in Xuwei Terminal of Lianyungang Port as well as the analysis of site findings and measurements,we proposed the methods for the design of slope gradient of the deep-cut channel in the exposed muddy shallows from the view of overall soil stability and wave dynamics.The results show that it is stable to set the channel slope at 1∶7 in the area of Xuwei Terminal of Lianyungang Port;choosing the unconfined compressive test index as the calculation parameter of stability analysis of rock slope enhances the role of geotechnical stability analysis in the design of channel slope; the influence of wave motions on channel stability under different waves,wave directions,gradients and channel gradients was studied for the first time.

channel slope;design methods;open sea;deep-cut channel

U612.32

A

2095-7874（2016）12-0008-06

10.7640/zggwjs201612002

2016-07-22

2016-08-26

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2012AA112509）

張建鋒（1979— ），男，浙江桐鄉(xiāng)人，高級工程師，研究方向為航道和疏浚工程。E-mail：1042173535@qq.com