挑流丁壩在海港工程中的應(yīng)用

米劉芳

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

0 引言

挑流丁壩是一種應(yīng)用廣泛的整治建筑物，在航道整治、防洪護岸、橋渡和促淤保灘等工程中發(fā)揮著重要的作用。丁壩沖刷的研究是一個非常復(fù)雜的課題，自20世紀(jì)20年代初著名的水工專家H．Engels對此進行過試驗以來，圍繞丁壩沖刷已經(jīng)開展了不少試驗研究。由于研究方法和試驗條件的差異，雖然目前已經(jīng)取得了一定的研究成果，但各研究者的觀點與所得到的結(jié)果都存在著很大的差異[1-2]。在如東縣小洋口（洋口鎮(zhèn)）重裝設(shè)備成套基地項目工程中，考慮布設(shè)挑流丁壩，防止潮溝內(nèi)高流速落潮流對引堤、護岸及圍埝進行直接沖刷與掏蝕，保證工程安全穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 工程簡介

如東縣小洋口（洋口鎮(zhèn)）重裝設(shè)備成套基地工程位于南通市如東縣海濱輻射沙洲中的黃沙洋水道西部，見圖1。

圖1 工程位置Fig.1 Project position

工程區(qū)西距小洋口港約3 km，東南距呂四港約70 km，西南距如東縣約32 km，在小洋口化工園區(qū)北側(cè)，與一期實施的如東縣小洋口（洋口鎮(zhèn)）綜合下海通道、棧橋及配套設(shè)施建設(shè)工程（引堤與作業(yè)場地）相距約2 km。

1.2 工程特點

建設(shè)工程區(qū)為粉砂淤泥質(zhì)潮灘，潮溝系統(tǒng)發(fā)育。如圖1所示，本工程范圍內(nèi)分布有數(shù)條潮溝，潮溝深度為0.2～1.0 m，寬度3～150 m，其中潮溝與引堤相交夾角為15°～35°，潮溝與護岸圍埝相交夾角為50°～90°，且護岸圍埝周邊分布有多條與之平行潮溝，潮溝流速為0～2.2 m/s。

潮溝的橫向運動和溯源侵蝕可能會威脅到本工程的安全。研究發(fā)現(xiàn)江蘇中部海堤大規(guī)模外遷前后潮溝兩側(cè)原有的平衡被打破，激活了部分潮溝的發(fā)育，特別當(dāng)海堤建設(shè)在潮溝凸岸一側(cè)，則會加快潮溝向圍堤一側(cè)彎曲，對工程安全危害極大。潮溝存在明顯的溝渠效應(yīng)，在原始起伏的灘面上，落潮時初始薄層水向低洼處流動，匯合成線流，受線流沖刷，灘面溝槽加深，從而越來越有利于灘面薄層水的匯流。在匯流中水流梢部向周圍灘面呈掌狀或扇面狀溯源侵蝕，擴大匯流面積，形成樹枝狀分叉，塑造出潮溝系統(tǒng)，同時產(chǎn)生了溝渠水流，對潮溝邊界的不均勻作用使潮溝本身也開始遷移運動，造成了灘面的不穩(wěn)定性。同時，本工程的形成會改變漲落潮流的流向，在堤身特定部位形成強勁的沿堤流。從維護堤身穩(wěn)定與安全的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施，減緩或消除沿堤流對堤身的不利影響[3-4]。

2 挑流丁壩防護設(shè)計

2.1 平面位置

本工程考慮布設(shè)挑流丁壩，見圖2，改變沿堤流流向并使其與堤身（埝體）保持安全距離，保證護底工程施工前，筑堤施工過程的安全。丁壩設(shè)計根據(jù)GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，丁壩設(shè)計的平面布置應(yīng)根據(jù)河道整治規(guī)劃、水流流勢、河岸沖刷情況和已建同類工程經(jīng)驗確定。

本工程處在潮灘區(qū)域，不同于河道工程治理，丁壩垂直水流方向長度河道工程治理經(jīng)驗并不適用本工程，因此在本工程中，丁壩垂直水流方向長度按照以能夠有效覆蓋潮溝沖刷重點區(qū)域程，阻斷潮流對圍堤及引堤的沖刷侵蝕為原則進行設(shè)計。各丁壩長度及夾角設(shè)計如下：

圖2 挑流丁壩平面布置Fig.2 Plane layout of spur dike

1） 1號挑流丁壩：長260 m，布置于二期引堤西側(cè)，東起二期引堤1 800 m處，與引堤軸線呈93°角向西延伸。

2） 2號挑流丁壩：總長350 m，布置于二期引堤西側(cè)，東起二期引堤2 250 m處，與引堤軸線呈90°角向WNW向延伸320 m后，轉(zhuǎn)23°角至W向，并向W向延伸30 m。

3） 3號挑流丁壩：總長590 m，布置于二期引堤西側(cè)，東起十工區(qū)南圍堤距引堤440 m處，與南圍堤軸線呈49°角向WSW延伸120 m后，轉(zhuǎn)133°角至NW向，并向NW向延伸470 m。

4） 4號挑流丁壩：長220 m，布置于二期引堤西側(cè)，東起距直立式護岸北端99 m處，與直立式護岸軸線呈92°角。

5） 5號挑流丁壩：長200 m，布置于二期引堤北側(cè)，南起引堤堤頭護坡處，與引堤軸線呈145°角向N延伸。

6） 6號挑流丁壩：長150 m，布置于二期引堤東側(cè)，西起北護岸、東護岸相交處，與東護岸軸線呈115°角向W延伸。

挑流丁壩間距設(shè)計：丁壩間距取為170～360 m。

2.2 斷面設(shè)計

本工程挑流丁壩為工程建設(shè)期臨時使用結(jié)構(gòu)，考慮構(gòu)造、設(shè)施的臨時性，按臨時結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，因此本丁壩材料選用相對便宜且來源豐富的袋裝砂作為筑壩材料。

挑流丁壩壩頂高程設(shè)計：丁壩分淹沒丁壩和非淹沒丁壩，本工程按照淹沒丁壩設(shè)計。本工程設(shè)計高水位為3.77 m，設(shè)計低水位-3.85 m，丁壩壩頂高程通常等于或略高于常水位（中、低水位），本工程丁壩壩頂高程取2.0 m。

挑流丁壩寬度設(shè)計：丁壩頂寬通常為1～3 m，考慮到袋裝砂受損后填料易于流失，在本工程中丁壩寬度增大為15 m。

綜上，結(jié)合各位置處丁壩泥面高程情況，各挑流丁壩高度及壩頂寬度設(shè)計如下，典型斷面見圖3。

圖3 挑流丁壩典型橫斷面（m）Fig.3 Typical cross section of spur dike(m)

1號挑流丁壩泥面高程約1.0 m，設(shè)計壩頂高程2.0 m，壩頂高于原泥面1 m，壩頂寬度15 m。

2號挑流丁壩泥面高程約1.0 m，設(shè)計壩頂高程2.0 m，壩頂高于原泥面1 m，壩頂寬度15 m。

3號挑流丁壩壩頂寬度15 m，其中距堤頭127～272 m段為港汊加寬段泥面高程約0.0 m，設(shè)計壩頂高程2.0 m，壩頂高于原泥面2 m，其余段泥面高程約1.0 m，壩頂高于原泥面1 m。

4號挑流丁壩壩頂寬度15 m，其中距由堤根起105 m長為港汊加寬段泥面高程約0.0 m，設(shè)計壩頂高程2.0 m，壩頂高于原泥面2 m，其余段泥面高程約1.0 m，壩頂高于原泥面1 m。

5號挑流丁壩壩頂高于原泥面1 m，壩頂寬度15 m。

6號挑流丁壩壩頂高于原泥面1 m，壩頂寬度15 m。

2.3 局部沖刷深度計算

關(guān)于淹沒丁壩的局部沖刷研究多適用于河道，對于海域中建筑結(jié)構(gòu)丁壩掩護局部沖刷研究尚沒有參考依據(jù)，本文以雅羅斯拉夫采夫局部沖刷深度計算公式為參考，對本工程中6條丁壩局部沖刷深度分別予以計算，以供工程實踐參考[5-8]。

式中：hpj為丁壩迎水面局部沖刷坑深度，m；v為丁壩迎水面附近水流的局部流速，m/s；g為自由落體加速度，9.81 m/s2；α為水流方向與丁壩迎面切線夾角；m為丁壩邊坡坡率，等于建筑物邊坡坡角余切；d為沖刷過程中裸露出來的鋪在沖刷坑底的土顆粒粒徑，用土中占有15%以上重量的最大粒徑的直徑，mm。

根據(jù)室內(nèi)試驗顆粒分析試驗結(jié)果及水流觀測記錄，丁壩表層土質(zhì)中占有15%以上重量的最大粒徑的直徑d=0.015 mm，測流流速0～2.2 m/s，暫取丁壩迎水面附近水流的平均流速v=1.0 m/s。根據(jù)丁壩軸線與周圍潮溝水流方向夾角α，分別可得各丁壩位置處局部沖刷深度，見表1。

表1 丁壩局部沖刷深度計算Table 1 Calculation of local scour depth of spur dike

1—6號丁壩迎水面局部沖刷深度為0.1～0.7 m，水流流向與丁壩軸線夾角越大，局部沖刷深度也越大。

2.4 沉降估算

1—6號丁壩長寬比均≥10，挑流丁壩沉降采用分層總和法按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》條形基礎(chǔ)進行估算。由于丁壩沿軸線方向橫斷面主要為1 m厚底寬15 m充填袋，局部橫斷面為2 m厚底寬25 m充填袋，該處按照1 m厚充填袋取b=15 m，按照下式確定沉降變形計算深度：

沉降變形計算深度18 m范圍內(nèi)土質(zhì)主要為：2 m厚②1粉土（標(biāo)貫3擊）、6 m厚②2粉土（標(biāo)貫7擊）、10 m厚②4粉土（標(biāo)貫13擊），粉土壓縮模量按照下式進行估算：

丁壩沉降按照下式進行計算：

因興建挑流丁壩而產(chǎn)生的地基沉降變形為8.6 mm。

3 丁壩建設(shè)防護效果監(jiān)測

3.1 丁壩建成前后地形觀測

丁壩建成前后對地形進行了觀測，除5號丁壩以外，其余丁壩壩前壩后均存在不同程度的積淤，積淤深度為11～62 cm，挑流丁壩的建設(shè)對二期圍堤工程起到了較好的促淤保灘作用。6號丁壩壩頭實測沖刷深度為12～26 cm，與預(yù)計15 cm沖刷深度基本相符。5號丁壩距離二期圍堤212 m，在布置時基本平行于既有潮溝，因此5號丁壩其布置不符合丁壩布置原則，其兩側(cè)出現(xiàn)沖刷是可以理解的。

3.2 丁壩建成前后潮溝流速觀測

分別在丁壩建成前后，對圖2潮溝1、2位置處水流流速進行觀測，觀測時間均選擇在上午11時潮位120 cm，對比分析丁壩建成前后潮流流速變化，評估丁壩對二期圍堤的防護效果。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，測點1處水流流速因丁壩阻流作用，使得水流流速由1.75 m/s減少為1.225 m/s，降幅為30%，測點2處水流流速因丁壩阻流作用，使得水流流速由1.24 m/s減少為0.555 m/s，降幅為39%。通過對水流流速的觀測記錄，可以看出丁壩對削減水流流速作用明顯。

3.3 丁壩防護效果評價

在丁壩修建前，圍堤施工土工布鋪設(shè)因受沿堤流作用幾乎難以平整鋪展，現(xiàn)場施工極為困難，在丁壩建成后，由于水流流速的削弱，土工布得以順利施工鋪展。

通過對丁壩建成前后泥面高程觀測，可以看出本工程中丁壩兩側(cè)泥面均實現(xiàn)不同程度淤積，丁壩對于本工程促淤保灘發(fā)揮了較好作用。

通過對丁壩建成前后水流流速觀測，可以看出本工程中丁壩對于削減水流流速，減少水流對二期圍堤堤身的沖刷侵蝕發(fā)揮了較好作用。

4 結(jié)語

本工程位于江蘇岸外輻射沙洲區(qū)的岸邊淺灘上。該區(qū)潮差大，潮流動力強；底質(zhì)為細(xì)砂和粉砂，起動流速小，在人工建筑物迎水側(cè)堤跟附近極易產(chǎn)生淘刷，處理不當(dāng)甚至?xí){到建筑物的安全。通過合理布設(shè)挑流丁壩來對主體工程形成防護，較好的實現(xiàn)了促淤保灘、減少水流沖刷和侵蝕作用的目的，對該地區(qū)同類工程設(shè)計和施工具有一定的借鑒意義。