長江口深水航道南導(dǎo)堤上段整治建筑物損壞原因及對(duì)策*

唐曉峰

(交通運(yùn)輸部長江口航道管理局，上海 200003)

從長江口深水航道治理一期工程算起，長江口深水航道最早建設(shè)并發(fā)揮作用的整治建筑物已建成18年(2001—2019年)。期間，不可避免地出現(xiàn)了一些局部損壞。在發(fā)現(xiàn)損壞和修復(fù)過程中，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)：整治建筑物結(jié)構(gòu)的損壞，很大程度上與余排范圍內(nèi)的地形變化有關(guān)，余排內(nèi)的地形變化與周邊流場的變化有關(guān)，周邊流場的變化又與大河勢的變化有關(guān)。本文提供一種查找整治建筑物損壞原因的思路，供技術(shù)人員參考。

1 工程背景

長江口深水航道南導(dǎo)堤上段是指在長江口深水航道治理一期工程中建成的20 km整治建筑物(2002年竣工驗(yàn)收)。南導(dǎo)堤上段整治建筑物的功能是：1)導(dǎo)流；2)攔截北槽沿程由北向南的落潮漫灘(九段沙)流;3)攔沙;4)穩(wěn)定河勢，形成歸順的南、北二槽，以避免江亞北槽的變化可能帶來的河勢不穩(wěn)定[1]。

該段南導(dǎo)堤在設(shè)計(jì)時(shí)考慮較為充分，雖然竣工時(shí)間較長，但總體結(jié)構(gòu)完好，建成后較好地發(fā)揮了整治功能。但由于長江口水域自然條件復(fù)雜，人類活動(dòng)頻繁，受自然和人為因素影響，至今已開展過多次局部區(qū)段的修復(fù)。

2018年4—8月，陸續(xù)在南導(dǎo)堤上段發(fā)現(xiàn)南側(cè)護(hù)面的扭王字塊有7處出現(xiàn)塌陷(堤身完好)，見圖1。為確保整治建筑物功能的正常發(fā)揮，須對(duì)損壞的整治建筑物進(jìn)行修復(fù)，以使結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

圖1 南導(dǎo)堤上段損壞情況

2 損壞狀況

2.1 損壞情況的發(fā)生

2018年4月，在南導(dǎo)堤S6+300～S6+600區(qū)段發(fā)現(xiàn)3處南側(cè)護(hù)面的扭王字塊體塌陷(堤身完好)，損壞長度均在20 m左右；同年8月，在該區(qū)段的上、下游各發(fā)現(xiàn)一處情況基本相同的損壞；8月底又在前述區(qū)段間新發(fā)現(xiàn)2處損壞，同時(shí)，4月發(fā)現(xiàn)的3處損壞范圍均有所擴(kuò)大，見表1。

表1 損壞情況及發(fā)現(xiàn)過程

南導(dǎo)堤損壞的部位均位于南側(cè)扭王字塊護(hù)面，損壞發(fā)現(xiàn)的時(shí)間是4—8月，且有不斷發(fā)展的趨勢，即損壞的發(fā)生和發(fā)現(xiàn)之間的時(shí)間間隔較短，損壞的發(fā)現(xiàn)比較及時(shí)，為后續(xù)工作的開展贏得了時(shí)間。

2.2 原結(jié)構(gòu)情況

原南導(dǎo)堤南側(cè)的余排寬度為25～29 m，結(jié)構(gòu)為有壓頂和護(hù)面的拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)[2]，見表2。

表2 南導(dǎo)堤上段余排結(jié)構(gòu)

原南導(dǎo)堤上段典型結(jié)構(gòu)見圖2。

注：括號(hào)內(nèi)高程為建筑物設(shè)計(jì)高程，其他均為施工控制高程。

2.3 現(xiàn)場勘查

損壞發(fā)生后，采取潛水探摸、水深測量等手段對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行勘查。結(jié)果顯示，南導(dǎo)堤軸線南側(cè)有大幅的地形變化，綜合邊坡最陡處約為1:2，護(hù)面扭王字塊體和護(hù)腳塊石散落在損壞后的邊坡上且范圍很大，護(hù)底混凝土聯(lián)鎖塊排存在且基本完整。典型損壞斷面結(jié)構(gòu)見圖3[3]。

圖3 損壞斷面結(jié)構(gòu)

3 損壞原因

3.1 損壞部位附近地形狀況分析

對(duì)損壞區(qū)段進(jìn)行水下地形測量，并繪制了地形圖，見圖4。

從圖4可知：

1)S4+500～S7+000存在沿堤的沖刷溝，該沖刷溝在S7+000以東開始偏離南導(dǎo)堤，成為江亞北槽的一部分；

2)S7+000以上，沖刷溝深槽貼近南導(dǎo)堤，在S6+000～S6+500(堤身塌陷處附近)段，7 m深槽已緊貼余排邊。

注：地形采用吳淞基面;根據(jù)2018年5月18—26日測量成果繪制。

圖4 2018年5月?lián)p壞區(qū)段地形圖

3.2 附近水動(dòng)力特征分析

在收集整理近幾年損壞區(qū)段附近的水文觀測資料[4]后進(jìn)行分析。損壞部位附近的水文調(diào)查站位情況見圖5。

由垂線平均流速、流向結(jié)果可知(表3)：大潮期，江亞南沙頭部竄溝附近JY1測點(diǎn)落潮平均流速在0.87～1.05 m/s，漲潮平均流速在0.68～0.77 m/s，落潮平均流速約為漲潮的1.3倍；近南導(dǎo)堤JY2測點(diǎn)落潮平均流速為1.40 m/s，漲潮平均流速為0.99 m/s，落潮平均流速為漲潮的1.4倍；江亞北槽內(nèi)JY3測點(diǎn)落潮平均在0.90～1.07 m/s，漲潮平均流速在0.78～0.95 m/s，落潮平均流速約為漲潮的1.2倍；九段沙中部南沿JY5測點(diǎn)落潮平均流速為1.07 m/s，漲潮平均流速為0.83 m/s，落潮平均流速為漲潮的1.3倍。

圖5 損壞部位附近水文站位

表3 各垂線漲、落潮平均流速、流向特征值

續(xù)表3

時(shí)間垂線號(hào)漲潮平均流速∕(m·s-1)落潮平均流速∕(m·s-1)落潮平均流速∕漲潮平均流速漲潮平均流向∕(°)落潮平均流向∕(°)JY10.771.051.362921042017年洪季大潮JY30.951.111.17318139JY50.831.071.29298117JY10.460.641.392891032017年洪季小潮JY30.540.651.20311136JY50.520.601.15294119

從表4可知：大潮期，JY1測點(diǎn)漲落流速均在1.5 m/s左右(2017年)；JY2測點(diǎn)落急流速為2.25 m/s，漲急流速為1.60 m/s，落急流速約為漲急流速的1.4倍；JY3測點(diǎn)漲落急流速接近1.6 m/s(2017年)；JY5測點(diǎn)落急流速為1.78 m/s，漲急流速為1.48 m/s，落急流速約為漲急流速的1.2倍。

表4 各垂線漲落流速、流向特征值

3.3 近堤水動(dòng)力模型分析

基于2018年5月的地形測圖，利用三維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水動(dòng)力模型計(jì)算和分析。導(dǎo)堤損壞區(qū)域的漲、落急流速分布見圖6,漲、落急流速矢量圖分布見圖7。

從圖6、7可知，導(dǎo)堤損壞區(qū)域的近堤處動(dòng)力較強(qiáng)，為1.0～1.2 m/s。從流速矢量圖看，落潮動(dòng)力的矢量方向沿江亞南沙頭部竄溝指向?qū)У虛p壞區(qū)域；而漲潮動(dòng)力越堤流明顯，其矢量方向也指向?qū)У虛p壞區(qū)域；上述2個(gè)動(dòng)力主流方向均不利于該處整治建筑物的安全穩(wěn)定。

圖6 導(dǎo)堤損壞局部的漲、落急流速分布

圖7 導(dǎo)堤損壞區(qū)域附近的漲、落急流速矢量圖分布

3.4 分析討論

1)從地形看，損壞區(qū)段沿線存在沖刷溝，邊坡較陡。

2)從水動(dòng)力的沿程分布看，導(dǎo)堤損壞區(qū)域的動(dòng)力最大。

3)從數(shù)模分析可知，損壞區(qū)段的漲落潮動(dòng)力均比較強(qiáng)，漲落潮動(dòng)力均比較大。

4)從流速矢量圖看，落潮動(dòng)力的矢量方向沿江亞南沙頭部竄溝指向?qū)У虛p壞區(qū)域；漲潮動(dòng)力越堤流明顯，其矢量方向也指向?qū)У唐茐膮^(qū)域；上述2個(gè)動(dòng)力主流方向均不利于該處導(dǎo)堤的穩(wěn)定。

5)可以推斷：在河勢條件、水動(dòng)力因素綜合作用下，南導(dǎo)堤上段近堤處邊坡不斷變陡，導(dǎo)致部分區(qū)段塌陷。如果堤身南側(cè)坡度繼續(xù)變陡，目前出現(xiàn)的局部護(hù)腳護(hù)面塌陷現(xiàn)象在以后還可能在本堤段內(nèi)其他位置處出現(xiàn)。為使結(jié)構(gòu)在自然條件

作用下不再發(fā)生此類損壞，確保結(jié)構(gòu)安全，不僅需要修復(fù)已發(fā)生破壞的局部堤段、加固邊坡較陡區(qū)段，還應(yīng)針對(duì)采水動(dòng)力較強(qiáng)且坡度較大的堤段進(jìn)行堤身結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)修復(fù)

4.1 修復(fù)原則

1)損壞區(qū)段堤身南側(cè)漲落潮動(dòng)力均比較強(qiáng)，漲、落潮動(dòng)力的矢量方向均指向損壞區(qū)段，水動(dòng)力分布也不利于該處導(dǎo)堤的穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到江亞北槽7 m河槽呈沖刷發(fā)展趨勢，7 m等深線貼近修復(fù)區(qū)段。因此，修復(fù)區(qū)段在損壞區(qū)段的基礎(chǔ)上須向上、下游方向適當(dāng)延伸。

2)保持原結(jié)構(gòu)形式基本不變，整體加固、部分修復(fù)，保證堤身安全穩(wěn)定。

3)便于施工，造價(jià)合理。

4.2 修復(fù)方案

1)在堤身南側(cè)高程-2.0 m處(距軸線11～19 m)向外補(bǔ)拋小砂袋，形成高程-2.0 m邊坡1:4的砂袋平臺(tái)至現(xiàn)狀泥面；

2)在平臺(tái)上加鋪混凝土聯(lián)鎖塊軟體排至設(shè)計(jì)位置；

3)在砂袋平臺(tái)上拋200～300 kg塊石至0.4 m；

4)損壞區(qū)段按原結(jié)構(gòu)恢復(fù)上部護(hù)面(2 t鉤連塊體)。

典型修復(fù)斷面見圖8[5]。

圖8 修復(fù)斷面

4.3 修復(fù)效果

2018年4月發(fā)現(xiàn)第1處損壞后，航道維護(hù)單位開展損壞原因的分析及修復(fù)設(shè)計(jì)方案的編制工作,2018年11月—2019年5月完成修復(fù)。經(jīng)現(xiàn)場檢查及測量驗(yàn)收，修復(fù)取得較好的效果。修復(fù)效果見圖9、10。

圖9 修復(fù)后現(xiàn)場(右側(cè)淺色鉤連塊體為新拋投塊體)

圖10 修復(fù)后斷面

5 結(jié)語

1)除人為原因外，整治建筑物結(jié)構(gòu)損壞的直接原因很可能與余排內(nèi)的地形變化有關(guān)。

2)余排內(nèi)的地形變化與堤身附近的流場及周邊河勢的變化有關(guān)。

3)修復(fù)區(qū)段在損壞區(qū)段的基礎(chǔ)上向上、下游方向適當(dāng)延伸，修復(fù)后取得較好效果。