大潮差粉砂底質(zhì)環(huán)境下海堤的防沖刷措施

李雅婷，王騁環(huán)

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

大潮差粉砂底質(zhì)環(huán)境下海堤的防沖刷措施

李雅婷，王騁環(huán)

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

輻射沙洲海岸水體含沙量高，水沙動(dòng)力條件復(fù)雜，灘槽邊界易發(fā)生變化。通州灣港區(qū)位于南通市腰沙、冷家沙區(qū)域，地處輻射沙洲南緣，低潮時(shí)灘面出露，潮差大。通州灣港區(qū)需通過(guò)大面積圍填高灘形成港區(qū)陸域，海堤建設(shè)是陸域回填的前提條件，防止堤前沖刷是保證海堤安全的關(guān)鍵問(wèn)題。結(jié)合波浪、潮流、地形變化情況等基礎(chǔ)資料，分析海堤堤前沖刷形態(tài)、影響范圍，研究確定海堤防沖刷措施。經(jīng)過(guò)比選，工程中采用了砂肋軟體排結(jié)合塊石壓載預(yù)防護(hù)方式，達(dá)到了預(yù)期的防護(hù)效果。

通州灣港區(qū)；大潮差；粉砂底質(zhì)；海堤；沖刷深度；措施

海堤工程是沿海地區(qū)或涉海工程防御潮（洪）水侵襲的重要工程設(shè)施，是港區(qū)陸域圍填的前提條件。為確保海堤工程在設(shè)計(jì)條件下安全使用，有效防御潮（洪）水危害，海堤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足穩(wěn)定、滲流、變形、抗沖刷等涉及工程安全的基本要求。

通州灣港區(qū)位于南通市腰沙、冷家沙區(qū)域，地處輻射沙洲南緣，為粉砂質(zhì)海岸，潮汐作用強(qiáng)烈、潮差大，泥沙運(yùn)動(dòng)與波浪、潮流、潮位等因素密切相關(guān)。規(guī)劃港區(qū)體量巨大，需在陸域吹填前形成約150 km的岸線。粉砂地質(zhì)環(huán)境下防止堤前沖刷是保證海堤安全的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以通州灣腰沙圍墾一期通道一階段工程為背景，結(jié)合波浪、潮流、地形變化情況、潮流數(shù)值模擬等基礎(chǔ)資料，分析海堤堤前沖刷形態(tài)、影響范圍，研究確定海堤防沖刷措施。

1 基礎(chǔ)資料分析

1）泥沙

腰沙西部近岸區(qū)的沙體底質(zhì)中值粒徑0.059耀0.120 mm，為典型的粉砂質(zhì)岸灘。粉砂質(zhì)泥沙易起動(dòng)、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，沉降速度大、易于沉降。水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)泥沙快速起動(dòng)、隨著波浪潮流作用移動(dòng)至其他海域；水動(dòng)力減弱時(shí)，泥沙又快速沉降。因此工程區(qū)域的泥沙動(dòng)態(tài)性表現(xiàn)為快沖快淤，在工程建設(shè)前后的地形變化中得到了驗(yàn)證。

工程區(qū)域原始灘面較高，水深相對(duì)稍淺，堤前波浪作用以破碎波為主，由于底沙較細(xì)，回落波將大量泥沙帶離堤腳，堤腳發(fā)生沖刷，距堤稍遠(yuǎn)處形成淤積，隨著時(shí)間推移，堤腳處沖刷坑加不斷加深[1]，形成順岸沿堤潮溝，成為漲落潮流的主要通道。在波浪往復(fù)流作用影響下堤前沖刷發(fā)展迅速，堤前水深加深后，堤前沖淤形態(tài)隨之發(fā)生變化，隨著建設(shè)后半年間進(jìn)行著地形-水流的自行反饋調(diào)整，潮溝寬度呈現(xiàn)縮窄、灘面回淤趨勢(shì)。

2）水動(dòng)力

淤波浪

工程位于輻射沙洲南翼，水下地形較為復(fù)雜。外海偏北向及偏東向的波浪進(jìn)入該地區(qū)后，一方面在受到地形、底部摩阻等多種因素的作用，波浪發(fā)生較大的變形，波高衰減較快；另一方面波浪在傳播過(guò)程中沿程繼續(xù)受到風(fēng)的作用，相當(dāng)一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為波能，使波高又有所增加。

工程區(qū)域冬季以偏北方向波浪為主，夏季以偏東南向浪為主，外海NE、E和SE向的涌浪亦可傳入該水域。一期通道一階段工程堤線為“L”形布置，由西向東筑堤5 km后向南筑堤2.5 km至腰沙砂脊線，堤身兩側(cè)受到各向波浪的影響，其中最大波浪為NE向3.18 m（25 a一遇）。在多個(gè)方向的波浪同時(shí)作用下，堤頭或堤前水流紊亂，易形成回漩水流，形成復(fù)雜的沖刷過(guò)程[2]。

于潮流

工程區(qū)域主要受東海前進(jìn)波控制，外海潮波進(jìn)入淺水區(qū)后，在近岸地形影響下形成駐波，表現(xiàn)出中潮位附近流速最大；潮汐調(diào)和常數(shù)比值小于0.5，潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮。潮汐作用強(qiáng)烈，淺灘區(qū)潮流主要表現(xiàn)為漲潮漫灘和落潮歸槽的運(yùn)動(dòng)形式，平均潮差3.53 m，最大潮差可達(dá)7.31 m。

采用張瑞瑾公式[3]計(jì)算工程區(qū)域泥沙啟動(dòng)流速為0.35~0.40 cm/s。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，表層海水大潮期間漲潮最大流速1.14 m/s、落潮最大流速0.93 m/s，小潮期間漲潮最大流速0.42 m/s、落潮流速0.48 m/s；底層海水大潮期間漲潮最大流速0.69 m/s、落潮最大0.55 m/s，小潮期間漲潮最大0.35 m/s、落潮最大0.39 m/s。實(shí)測(cè)流速大部分時(shí)間均高于泥沙的啟動(dòng)流速，工程區(qū)域的潮流水流動(dòng)力和挾沙能力強(qiáng)，對(duì)底沙的影響程度較大。

3）工程建設(shè)影響

通州灣港區(qū)位于開(kāi)敞海域，工程建設(shè)過(guò)程中海堤與潮流、波浪形成一定的角度。根據(jù)地形和潮流特征，在高潮轉(zhuǎn)低潮或低潮轉(zhuǎn)高潮過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生漫灘水流，當(dāng)工程逐步推進(jìn)時(shí)會(huì)改變漫灘水流的流向，海堤施工后將產(chǎn)生一定的堤頭繞流和沿堤流，對(duì)堤外灘地產(chǎn)生沖刷作用，同時(shí)海堤轉(zhuǎn)角及堤頭附近因局部挑流流速增大。因此無(wú)論是施工過(guò)程中還是建成后，同樣會(huì)面臨堤身坡腳灘面沖刷問(wèn)題。

2 確定沖刷影響范圍

目前國(guó)內(nèi)外研究提出的計(jì)算堤岸防護(hù)工程沖刷深度的公式繁多，主要有經(jīng)驗(yàn)公式、半理論半經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范公式。經(jīng)驗(yàn)公式一般是根據(jù)一定的野外和室內(nèi)實(shí)測(cè)或調(diào)查資料、利用量綱和諧和多變量回歸的方式得出，如前蘇聯(lián)馬卡維也夫、南科院應(yīng)強(qiáng)等推導(dǎo)出的公式[4]。半理論半經(jīng)驗(yàn)公式多以泥沙起動(dòng)平衡理論為基礎(chǔ)、假定后推導(dǎo)出的公式，并根據(jù)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)資料或調(diào)查資料確定有關(guān)參數(shù)，如前蘇聯(lián)阿爾圖寧、方達(dá)憲、張紅武等推導(dǎo)出的公式[4]。規(guī)范公式要求根據(jù)水流條件、邊界條件以及觀測(cè)資料分析、驗(yàn)證選用。各類公式的側(cè)重點(diǎn)不同，計(jì)算結(jié)果差值較大，因此考慮結(jié)合工程區(qū)域的實(shí)際情況采用規(guī)范公式推算沖刷深度、并根據(jù)一期通道一階段工程工前工后實(shí)測(cè)地形對(duì)比驗(yàn)證推算結(jié)果。

1）規(guī)范公式推算沖刷深度

淤JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》

本工程堤前沙質(zhì)海底沖刷形態(tài)為相對(duì)細(xì)沙型（見(jiàn)圖1）。根據(jù)規(guī)范公式[5]，推算堤前沖刷范圍為5~19 m，沖刷谷最大深度為0.5~1.4 m。

圖1 堤前沙質(zhì)海底沖刷形態(tài)Fig.1 The scouring form of sandy bed in front of sea dike

于GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

工程區(qū)位于腰沙根部，50%~70%時(shí)間處于露灘狀態(tài)，工程建設(shè)對(duì)周邊區(qū)域的水動(dòng)力環(huán)境影響較大，由于一期通道實(shí)施過(guò)程中未形成封閉圍區(qū)，因此施工推進(jìn)過(guò)程中的堤身兩側(cè)及堤頭沖刷按非淹沒(méi)式丁壩沖刷形態(tài)考慮。

根據(jù)規(guī)范公式[6]，推算東西向通道堤頭沖刷深度8.2~9.8 m，南北向堤頭沖刷深度10 m；堤身順岸方向沖刷深度1.7~2.5 m。

2）工程建設(shè)過(guò)程中的地形變化情況

一階段工程施工過(guò)程中，通道兩側(cè)形成了沿堤潮溝，并在東西向堤頭、南北向堤頭形成了較大的沖刷坑。

根據(jù)2014年8月實(shí)測(cè)地形圖，通道兩側(cè)沿堤潮溝沖刷深度2~3 m，潮溝至堤腳距離6~15 m。東西向堤頭灘面（見(jiàn)圖2）最大沖刷深度8.3 m，沖刷坑至堤頭距離20~105 m、沖刷影響范圍>200 m；堤頭受N、NE、E、SE方向波浪影響，其中N、NE為強(qiáng)浪向，由于預(yù)留了向東延伸的銜接段，在漲落潮流作用下沖刷坑位于堤頭的東側(cè)、南側(cè)。南北向堤頭灘面（見(jiàn)圖3）最大沖刷深度7.9 m，沖刷坑至堤頭距離27~65 m、沖刷影響范圍>160 m；堤頭受NE、E、SE、SW等方向波浪影響，其中NE、E為強(qiáng)浪向，在漲落潮流作用下沖刷坑位于堤頭的東南側(cè)。

圖2 東西向堤頭實(shí)測(cè)地形圖Fig.2 The measured topographic map of the east-west dike head

圖3 南北向堤頭實(shí)測(cè)地形圖Fig.3 The measured topographic map of the south-north dike head

3）規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》公式計(jì)算的堤前沖刷范圍與堤身兩側(cè)的實(shí)測(cè)資料較為接近，但沖刷谷最大深度偏差較大。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算的堤頭沖刷深度比實(shí)測(cè)資料略大、順岸沖刷深度略小。

根據(jù)對(duì)比結(jié)果，工程區(qū)域堤身兩側(cè)沖刷影響范圍采用《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》公式的計(jì)算結(jié)果是可行的，堤頭及順岸的沖刷深度采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式的計(jì)算結(jié)果更為合理。

3 沖刷防護(hù)措施

海堤堤前沖刷防護(hù)可采用拋石、砂肋軟體排、混凝土鉸鏈聯(lián)鎖板等主動(dòng)防護(hù)形式，或者采取在海堤外側(cè)修建與堤身成一定夾角的丁壩群的間接防護(hù)方式。工程區(qū)域?yàn)楦邽﹨^(qū)域，各種防護(hù)方式各有利弊（見(jiàn)表1），綜合考慮防護(hù)效果、施工難度、工程造價(jià)等多方面因素，最終選用砂肋軟體排結(jié)合塊石壓載的預(yù)防護(hù)方式（見(jiàn)圖4）。通過(guò)堤身底部及兩側(cè)堤前灘面防護(hù)范圍鋪設(shè)砂肋軟體排，堤前防護(hù)范圍內(nèi)的軟體排上拋填塊石壓載層。防護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度較薄，不會(huì)加劇水流的紊動(dòng)，可適應(yīng)灘面沖刷變形，防止灘面粉砂層進(jìn)一步流失，減弱沿堤流對(duì)堤身結(jié)構(gòu)安全的影響；堤身底部的砂肋軟體排既提高了海堤整體穩(wěn)定性，又可作為施工過(guò)程中的堤頭超前防護(hù)、減弱堤頭繞流對(duì)灘面的沖刷。砂肋軟體排結(jié)合塊石壓載的預(yù)防護(hù)方式在一期通道二階段工程、二期通道工程、匡圍工程等工程中均有運(yùn)用，達(dá)到了預(yù)期的防護(hù)效果。

表1 沖刷防護(hù)措施比較表Table 1 Comparison of scour defense measures

圖4 堤頭防護(hù)示意圖Fig.4 The sketch map of scour defense on the dike head

4 結(jié)語(yǔ)

潮流是影響大潮差粉砂底質(zhì)海區(qū)的主要?jiǎng)恿?，隨著通州灣港區(qū)大范圍工程建設(shè)的開(kāi)展，流場(chǎng)將持續(xù)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，工程水域也將不斷進(jìn)行地形-水流的自行反饋調(diào)整。因此堤前灘面沖刷始終是影響海堤安全的重要因素，在工程建設(shè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)工程區(qū)域流場(chǎng)、泥沙特性、海堤布置形態(tài)，選擇有效防護(hù)、經(jīng)濟(jì)合理的沖刷防護(hù)措施。

[1]高學(xué)平，張亞.波浪作用下堤前沙質(zhì)海床沖淤形態(tài)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37（5）：459-465.

GAO Xue-ping,ZHANG Ya.Scouring patterns in front of break原waters under the action of different waves[J].Journal of Tianjin University,2004,37(5)：459-465.

[2]毛昶熙，段祥寶，毛佩郁，等.堤防滲流與防沖[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：419-450.

MAO Chang-xi,DUAN Xiang-bao,MAO Pei-yu,et al.Seepage of dikes&scour defence[M].Beijing:China Water&Power Press, 2003：419-450.

[3]GB/T 51015—2014，海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB/T 51015—2014,Code for design of sea dike project[S].

[4] 萬(wàn)艷春，黃本勝.丁壩壩頭局部沖深計(jì)算方法綜述[J].廣東水利水電，2003（2）：52-54.

WAN Yan-chun,HUANG Ben-sheng.Review to calculation methods for the local scour depth of spur dike[J].Guangdong Water Resources and Hydropower,2003(2):52-54.

[5]JTS 154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters [S].

[6]GB 50286—2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50286—2013,Code for design of levee project[S].

Dike scour defense measures under large tidal range and silty-sand foundation

LI Ya-ting，WANG Cheng-huan
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The radial sandbar coast has the following hydraulic features:high sediment concentration,complex hydrosediment dynamic activities and changeable swale boundary.Tongzhou Bay port area is located in Yaosha and Lengjiasha area of Nantong city,stands on the southern margin of the radial sandbar with large beach surface exposure at low tide and large tidal range.It requires massive land reclamation to form the land area in the port,sea dike construction is the prerequisite of land reclamation,and to prevent scouring the dike front is the key to ensure the safety of sea dike.Combined with the basic data of wave,tidal current,topographical change and etc.,we analyzed the scouring pattern and influence scope of the sea dike front and determined anti-scour measures for the sea dike.After the selection,the sand rib soft mattress combined with stone ballast prevention and protection method is adopted in the project,and achieved the desired protective effect.

Tongzhou Bay port area;large tidal range;silty-sand foundation;sea dike;scouring depth;measure

U652；TV148

A

2095-7874（2017）04-0059-04

10.7640/zggwjs201704014

2017-02-27

2017-03-18

李雅婷（1974— ），女，福建漳州人，高級(jí)工程師，交通土建專業(yè)。E-mail：liyt@theidi.com