長(zhǎng)江口航道整治建筑物修復(fù)實(shí)踐

石 進(jìn)，陳 琳，陳復(fù)奎

(1.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局，上海 200003；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

長(zhǎng)江口是長(zhǎng)江黃金水道的咽喉，“三級(jí)分汊、四口入?！?，河勢(shì)復(fù)雜多變。作為世界巨型河口航道治理的典范，長(zhǎng)江口的工程建設(shè)者們通過(guò)整治與疏浚相結(jié)合的總體方案，通過(guò)實(shí)施一系列的重大工程，取得了良好的整治效果?！按蛲〝r門(mén)沙，治理長(zhǎng)江口”，幾代人的夙愿得以實(shí)現(xiàn)[1-2]。為充分發(fā)揮整治建筑物“導(dǎo)流、擋沙、減淤”功能，長(zhǎng)江口航道治理工程建設(shè)了約200 km長(zhǎng)的各種類(lèi)型整治建筑物，分布在長(zhǎng)江口南北槽航道南北側(cè)以及河勢(shì)變化復(fù)雜的長(zhǎng)江口南北港分汊口和南北槽分流口河段。長(zhǎng)江口航道治理工程通過(guò)驗(yàn)收、航道開(kāi)通后，雖然整個(gè)長(zhǎng)江口的河勢(shì)得到了初步控制，但局部區(qū)域沖淤變化劇烈，堤線(xiàn)防沖護(hù)灘壓力增大[3]，加之人類(lèi)活動(dòng)頻繁，長(zhǎng)江口航道整治建筑物時(shí)有損壞。整治建筑物的損壞不僅會(huì)降低整治功能，還會(huì)進(jìn)一步改變建筑物周邊流場(chǎng)，加大、加速損壞或形成新的破壞，甚至危及航道安全，因此必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。航道整治建筑物修復(fù)的關(guān)鍵是通過(guò)查明原因、專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制，確保修復(fù)后不再重復(fù)毀壞。工程師們?cè)凇皩?shí)踐—認(rèn)識(shí)—再實(shí)踐—再認(rèn)識(shí)”的過(guò)程中，形成了一套較為科學(xué)的航道整治建筑物監(jiān)測(cè)分析方法，開(kāi)展了損壞成因、治理對(duì)策、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究[4-5]，修復(fù)實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)施工質(zhì)量的把控，取得了較好的效果。

1 長(zhǎng)江口航道整治建筑物概況

長(zhǎng)江口航道原通航水深僅7.0 m，經(jīng)長(zhǎng)江口深水航道治理工程(一期、二期、三期)、長(zhǎng)江口南北港分汊口河段新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭限流工程、長(zhǎng)江口12.5 m深水航道向上延伸工程、長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程等的建設(shè)，形成了水深12.5 m、底寬350～400 m、長(zhǎng)約125 km的深水航道和水深6 m、底寬600 m、長(zhǎng)約86 km的南槽航道，同步建成導(dǎo)堤、丁壩等航道整治建筑物203.44 km，如表1和圖1所示。

表1 長(zhǎng)江口航道整治建筑物Tab.1 Regulating structures in the Yangtze River estuary

圖1 長(zhǎng)江口航道主要整治建筑物及近年來(lái)修復(fù)位置示意圖Fig.1 Sketch of regulating structure in the Yangtze River estuary

2 長(zhǎng)江口航道整治建筑物主要結(jié)構(gòu)型式

考慮建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)江口復(fù)雜流場(chǎng)的適應(yīng)性和其建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用[6]，長(zhǎng)江口航道整治建筑物主要采用軟體排護(hù)底、拋石堤心、半圓體或拋石堤身結(jié)構(gòu)。護(hù)底堤身部位多排為砂肋軟體排，排體基布采用 230 g/m2機(jī)織布與150 g/m2無(wú)紡布復(fù)合，砂肋采用230 g/m2機(jī)織布。余排部位多采用混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，單個(gè)混凝土塊尺寸為0.4 m×0.4 m×0.16 m；堤心多采用10～100 kg拋石，少部分采用袋裝砂；主要結(jié)構(gòu)段堤身多采用半圓體、半圓形沉箱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)5～6 m，高4～9 m，圓弧半徑4～6 m。堤身肩部及丁壩頭部、靠外海段等風(fēng)浪較大段堤頂多采用4 t或2 t重扭王字塊(鉤連塊體)護(hù)面。發(fā)生損壞的多為護(hù)底軟體排余排部位及拋石斜坡堤身(圖2)。

圖2 主要結(jié)構(gòu)斷面圖(高程：m，單位：mm)Fig.2 The main structures

3 長(zhǎng)江口航道整治建筑物典型損壞情況

3.1 新瀏河沙護(hù)灘堤

新瀏河沙護(hù)灘堤位于長(zhǎng)江口歷史上河勢(shì)變化最為復(fù)雜、最不穩(wěn)定的第二級(jí)分汊口河段，整治建筑物采用Y型布置，主要為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)[7]。2016年10月19日在例行巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)HT2+380～HT2+680段堤身?yè)p壞出現(xiàn)缺口，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：損壞處灘面呈南高北低斜坡?tīng)?，護(hù)灘堤南側(cè)淤積、北側(cè)沖刷(排體邊緣處沖刷深度為6～7 m)，軸線(xiàn)處灘面高程較工前測(cè)量時(shí)低了1～2 m。探摸發(fā)現(xiàn)：堤身南側(cè)探摸到的護(hù)面扭王字塊、護(hù)腳塊石的位置、寬度均與設(shè)計(jì)圖基本一致；堤身北側(cè)軸線(xiàn)至距軸線(xiàn)約5 m范圍原安放扭王字塊區(qū)域，能摸到扭王字塊和少量塊石，距軸線(xiàn)約5 m 至距軸線(xiàn)約11 m范圍原護(hù)腳棱體處也能摸到塊石和少量扭王字塊，與設(shè)計(jì)圖相比除少量扭王字塊體有向北散落外，其余堤身材料所處位置與設(shè)計(jì)基本一致。南北側(cè)余排范圍局部能直接探摸到護(hù)底軟體排。

2016年10月21日發(fā)現(xiàn)HT10+720～HT10+758堤身坍塌，HT10+748處的燈樁基礎(chǔ)傾斜滑移、燈樁倒入水中損壞。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：損壞處護(hù)灘堤軸線(xiàn)北側(cè)淤積幅度大于2 m、南側(cè)排體邊緣處沖刷深度約為10 m。探摸發(fā)現(xiàn)：堤身護(hù)面扭王字塊體向南側(cè)散落(最遠(yuǎn)在距軸線(xiàn)15 m處發(fā)現(xiàn)扭王字塊體，設(shè)計(jì)安放范圍在距軸線(xiàn)約6 m)，軸線(xiàn)北側(cè)探摸到的護(hù)面扭王字塊、護(hù)腳塊石的位置、寬度均與設(shè)計(jì)圖基本一致。護(hù)排區(qū)域均能摸到完整的護(hù)底軟體排。

前述損壞原因推斷為在大洪水和天文大潮作用下，因地基表層為極易沖刷的粉砂和特殊的平面形態(tài)[8]，加之軟體排又可能存在局部損壞的情況下形成的局部破壞。

3.2 潛堤

2016年5月地形加密測(cè)量和分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，潛堤SQ1+845斷面南側(cè)護(hù)底軟體排余排內(nèi)出現(xiàn)了深約3 m的沖刷坑，探摸發(fā)現(xiàn)：護(hù)底余排損壞，坑的邊坡是斷裂的砼聯(lián)鎖塊，斷裂處能摸到土工布；同時(shí)摸到了漁網(wǎng)和鐵鉤；坑底有堆積在一起的砼聯(lián)鎖塊和漂浮損壞的土工布，空隙處為泥沙，坑底高低不平。

損毀原因推斷為當(dāng)?shù)貪O民鋪設(shè)漁網(wǎng)作業(yè)時(shí)，在整治建筑物護(hù)底軟體排上打設(shè)木樁、掛鐵鉤導(dǎo)致[9]。

4 修復(fù)措施及實(shí)施

4.1 修復(fù)措施

表2 修復(fù)措施匯總表Tab.2 Reclamation activities

4.2 修復(fù)實(shí)施

4.2.1 填坑找平

新瀏河沙護(hù)灘堤主要結(jié)構(gòu)為拋石堤身及扭王字塊護(hù)面，HT2+380～HT2+680段損壞后，地基上殘余少量拋石和扭王字塊，凹凸不平。為避免尖銳材料或深凹坑損壞擬鋪設(shè)護(hù)底軟體排[10]，并能有效排水，設(shè)計(jì)采用拋開(kāi)山石渣進(jìn)行覆蓋和填坑并找平，如圖3所示。

圖3 新瀏河沙HT2+400斷面拋開(kāi)山石渣設(shè)計(jì)示意圖(高程：m，單位：mm)Fig.3 Design of repair on the Xinliuhesha shoal(HT2+400)

施工過(guò)程中采用拋前多波束測(cè)圖結(jié)合人工水下探摸定位，用小型機(jī)械在低平潮時(shí)盡量將地基上殘余構(gòu)筑物清除干凈，然后按網(wǎng)格法定點(diǎn)拋填開(kāi)山石渣。

施工質(zhì)量控制要點(diǎn)為拋填過(guò)程必須避開(kāi)落潮流速較大時(shí)段，拋填完成后不得有大于1:3的陡坡或隆起存在，并不得在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)留空白[11]。按照每5～10 m一個(gè)斷面逐斷面進(jìn)行驗(yàn)收(圖4)。

圖4 新瀏河沙HT2+558斷面開(kāi)山石渣拋填驗(yàn)收示意圖(單位：m)Fig.4 Acceptance criteria about gravel(HT2+558)

4.2.2 鋪設(shè)護(hù)底軟體排

新瀏河沙護(hù)灘堤鋪設(shè)軟體排前，先拋填一層0.5 m厚的袋裝碎石作為墊層；潛堤鋪設(shè)軟體排前，先拋填一層0.8 m厚的袋裝砂作為墊層。丁壩頭直接補(bǔ)鋪軟體排。施工質(zhì)量控制要點(diǎn)為正負(fù)偏差0.25 m，且拋填完成后不得有隆起或凹坑，不得留有空白。按照多波束加密測(cè)量拋前拋后對(duì)比和水下探摸進(jìn)行驗(yàn)收。

軟體排鋪設(shè)是長(zhǎng)江口航道整治建筑物質(zhì)量控制的重中之重[12]，軟體排的鋪設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系到修復(fù)工程的成敗。設(shè)計(jì)單位通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口北槽N4丁壩壩頭暴露出局部排體邊緣失穩(wěn)以及塊體間隙大排布易受損的問(wèn)題，開(kāi)展排體優(yōu)化的相關(guān)試驗(yàn)研究。本次修復(fù)時(shí)砼聯(lián)鎖片主要采用0.48 m×0.48 m×0.12 m規(guī)格，邊緣壓載時(shí)采用0.48 m×0.48 m×0.20 m規(guī)格，排布采用550 g/m2+250 g/m2復(fù)合而成。

施工質(zhì)量控制要點(diǎn)為砼聯(lián)鎖塊綁扎牢靠，鋪設(shè)完成后搭接寬度不得小于4 m(單塊連鎖片寬度)。砼聯(lián)鎖塊綁扎時(shí)嚴(yán)格監(jiān)理旁站[13]，且0.48 m×0.48 m×0.20 m規(guī)格采用雙道系法，確保砼聯(lián)鎖片不脫落。鋪排過(guò)程中，采用MS-1000水下成像技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃測(cè)(圖5)，判斷排體定位、成排及排與排之間的搭接情況，確保鋪排質(zhì)量。

圖5 MS-1000水下成像圖 圖6 燈樁基礎(chǔ)恢復(fù)圖Fig.5 Underwater imaging of MS-1000 Fig.6 Foundation of the new light beacon

4.2.3 堤身恢復(fù)

堤身修復(fù)按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，恢復(fù)后的堤身斷面尺度、高程和材料規(guī)格均不得低于原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

施工質(zhì)量控制要點(diǎn)為各部位石料嚴(yán)格確保規(guī)格，并控制坡比，做好理坡。

4.2.4 燈樁基礎(chǔ)恢復(fù)

安裝燈樁基礎(chǔ)前先對(duì)基床進(jìn)行整平，施工質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)為嚴(yán)格控制整平偏差。

整平施工時(shí)采用先小型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行初整，再采用整平架刮刀法人工整平，最后使用整平架對(duì)燈樁安裝范圍進(jìn)行固定定位。燈樁基礎(chǔ)下采用級(jí)配良好并拋填均勻、密實(shí)的墊層塊石，并在表層200 mm厚范圍內(nèi)用碎石填實(shí)縫隙(圖6)。

圖7 新瀏河沙修復(fù)后固定斷面監(jiān)測(cè)(單位：m)Fig.7 Topography survey results on the Xinliuhesha shoal

5 修復(fù)效果

長(zhǎng)江口航道整治建筑物監(jiān)測(cè)分析已形成一套較為完善的體系，由測(cè)量單位定期(月、季度、半年)開(kāi)展跟蹤測(cè)量，并由專(zhuān)業(yè)單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。監(jiān)測(cè)分析結(jié)果顯示，修復(fù)工程實(shí)施后，局部水動(dòng)力條件有所改善，排內(nèi)沖刷態(tài)勢(shì)明顯緩解，以新瀏河沙護(hù)灘堤修復(fù)為例：整治建筑物堤身兩側(cè)各300 m測(cè)量范圍內(nèi)，按照間隔100 m的固定斷面測(cè)線(xiàn)進(jìn)行季度單波束測(cè)量如圖7所示。修復(fù)前，排邊向堤軸線(xiàn)30 m范圍內(nèi)沖刷明顯，洪季2月內(nèi)累計(jì)沖刷1.8 m，且距軸線(xiàn)40 m處出現(xiàn)局部深坑，深度達(dá)4 m，對(duì)整治建筑物造成一定的威脅；修復(fù)工程實(shí)施后，排邊沖刷迅速穩(wěn)定，局部深坑沖刷停止發(fā)展，整體地形變化在0.3 m以?xún)?nèi)，并在枯水期出現(xiàn)0.5 m的正常淤積，整體沖刷態(tài)勢(shì)明顯緩解，改善了周邊流場(chǎng)流態(tài)發(fā)展，穩(wěn)定了河床地形。相關(guān)堤身恢復(fù)后，沉降位移年累計(jì)10 cm以?xún)?nèi)，沉降曲線(xiàn)逐漸趨緩、逐步穩(wěn)定，修復(fù)的同一位置或部位未發(fā)生再次破壞。修復(fù)工程的實(shí)施取得了較好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)長(zhǎng)江口航道整治建筑物種類(lèi)繁多、分布廣泛，局部沖刷劇烈，定期開(kāi)展科學(xué)監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)整治建筑物運(yùn)行安全隱患或損壞并及時(shí)修復(fù)對(duì)于整治功能正常發(fā)揮是十分必要的。

(2)長(zhǎng)江口航道整治建筑物修復(fù)是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜的工程，需要從原因分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工質(zhì)量控制等全方位加強(qiáng)研究和完善，確保整治建筑物修復(fù)效果。

(3)長(zhǎng)江口航道整治建筑物修復(fù)過(guò)程中摸索出的修復(fù)對(duì)策和技術(shù)措施，已在工程實(shí)踐中得以檢驗(yàn)和發(fā)展，可為長(zhǎng)江口航道整治建筑物修復(fù)提供技術(shù)支撐。

(4)作為世界上治理難度極大的潮汐河口航道，整治建筑物的修復(fù)實(shí)踐具有典型代表性，可推廣到其他潮汐河口及沿海航道養(yǎng)護(hù)管理中。