侵蝕岸段海堤破壞機(jī)理及修復(fù)方案*

趙一晗，黃 哲，王登婷

(1.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029；2.水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

海堤是抵御沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在防御臺(tái)風(fēng)暴潮中發(fā)揮了重要作用。

對(duì)于此前灘面較高且較寬的岸段，海堤在相應(yīng)水動(dòng)力條件下的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低。臨近工程的開發(fā)建設(shè)改變了工程區(qū)的水動(dòng)力及輸沙條件，造成原先相對(duì)穩(wěn)定的灘面形態(tài)發(fā)生改變，其中侵蝕性岸段由于水動(dòng)力條件的增強(qiáng)或上游來沙被攔截，灘面寬度銳減、高程降低，對(duì)海堤的掩護(hù)作用減弱。同時(shí)，在全球氣候變化背景下，近年來風(fēng)暴潮等群發(fā)性海洋動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，且其強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)明顯，對(duì)近岸帶來的災(zāi)害影響愈加強(qiáng)烈。在變化環(huán)境及人類活動(dòng)影響下，水沙邊界條件的變化對(duì)海堤工程安全產(chǎn)生不可忽視的影響。

吉學(xué)寬等[1]對(duì)國內(nèi)外海岸侵蝕、防護(hù)與修復(fù)研究進(jìn)行總結(jié)，指出人與海岸線的矛盾日益突出，加劇了海岸侵蝕的破壞程度，并介紹不同類型海岸的侵蝕機(jī)制及相應(yīng)的防護(hù)與修復(fù)方法；黃哲等[2]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、波浪數(shù)值計(jì)算、波浪物理模型試驗(yàn)等手段對(duì)江蘇省某海堤局部失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為引起該段海堤破壞的主要原因是灘面侵蝕；《江蘇省海堤建設(shè)及生態(tài)海堤研究》一書中列舉了江蘇省部分侵蝕性岸段海堤破壞案例[3]，其中贛榆區(qū)小口段、濱海縣振東閘南北段、濱?？h六合樁段等區(qū)段的海堤破壞均是由于灘面沖刷引起的；李路等[4]研究表明：杭州灣北岸河口海岸地區(qū)的灘地受泥沙來源、潮流、風(fēng)浪和海流等多重因素的作用，具有不穩(wěn)定性，給海堤安全帶來較大風(fēng)險(xiǎn)，初步提出沖蝕性灘地風(fēng)險(xiǎn)?？梢?，岸灘侵蝕是造成海堤破壞的重要因素。

筆者結(jié)合因岸灘侵蝕而引起的江蘇省濱海縣振東閘以北段海堤破壞案例，針對(duì)岸灘侵蝕對(duì)海堤安全影響的機(jī)理展開分析，對(duì)侵蝕性岸段海堤修復(fù)方法進(jìn)行探討，通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證修復(fù)方案的可行性。

1 海堤破壞情況

濱海縣是黃河南泛奪灘后沖擊而成的海濱平原。在黃河北歸后，由于大量泥沙來源斷絕，在風(fēng)浪潮流的襲擊下，濱?？h海岸線嚴(yán)重蝕退，近百年來已后退17 km以上，雖然近年來人工干擾后岸線位置相對(duì)固定，但灘面還以每年10～15 cm的速度蝕降[5-6]。

研究區(qū)段位于濱海縣振東閘以北。該區(qū)段海堤歷年來是濱?？h海堤防護(hù)與搶險(xiǎn)的重點(diǎn)堤段，也是濱海縣第一輪海堤達(dá)標(biāo)工程實(shí)施堤段，1998—2001年實(shí)施了該段主海堤防護(hù)工程，工程建成后發(fā)揮了較好的治海效益，保證了主海堤近20 a的安全。近年來，因北側(cè)濱海港導(dǎo)堤建設(shè)，沿岸輸沙進(jìn)一步被攔截，同時(shí)受寒潮、臺(tái)風(fēng)等極端天氣影響，已建海堤工程不斷產(chǎn)生水毀，常處于應(yīng)急搶修的被動(dòng)狀態(tài)，直接影響該地區(qū)社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

該段海堤設(shè)計(jì)水位3.45 m，現(xiàn)狀海堤斷面結(jié)構(gòu)見圖1。堤頂采用反弧擋浪墻，高程4.50～5.50 m之間采用20 cm厚混凝土護(hù)坡，高程3.00～4.50 m之間及高程3.0 m防浪平臺(tái)采用30 cm厚混凝土護(hù)坡，高程0.00～3.00 m之間采用50 cm厚素混凝土槽型塊/30 cm厚柵欄板護(hù)坡，外海側(cè)采用60～80 kg拋石護(hù)灘。

圖1 現(xiàn)狀海堤斷面(高程：m；尺寸：cm)

從圖2可見，海堤?hào)艡诎遄o(hù)坡和縱、橫格埂均出現(xiàn)不同程度的腐蝕、破損，部分損毀嚴(yán)重段柵欄板已脫落移位，下部墊層已掏空破損，部分區(qū)段海堤素混凝土護(hù)坡出現(xiàn)面層破損，海堤坡腳前灘面沖刷較為嚴(yán)重。

圖2 海堤破壞情況

2 海堤破壞機(jī)理

廢黃河三角洲海床沖蝕，岸線后退，等深線逼岸。其中振東閘以北段海堤自1998年建設(shè)以來，灘面由建設(shè)初期的2.00 m刷降至-2.00 m左右(圖3)。

設(shè)計(jì)初期灘面未發(fā)生侵蝕，波浪作用于堤前發(fā)生破碎，破碎后的波浪要素受到水深控制，波高迅速減小，因此作用于海堤上的波浪動(dòng)力相對(duì)較弱。而當(dāng)灘面由2.0 m侵蝕至-2.0 m時(shí)，堤前水深、波高增大，作用于海堤上的波浪動(dòng)力增強(qiáng)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)海堤破壞情況可見，灘面的刷降對(duì)海堤安全造成較大的影響，主要體現(xiàn)在日常條件波浪作用下的海堤護(hù)底、護(hù)面結(jié)構(gòu)侵蝕及極端氣候條件波浪作用下的海堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.1 日常條件波浪作用下的海堤護(hù)底、護(hù)面結(jié)構(gòu)侵蝕

圖3 現(xiàn)狀灘面與原設(shè)計(jì)灘面對(duì)比

由于灘面發(fā)生侵蝕，堤腳處60～80 kg塊石向外海側(cè)發(fā)生塌陷。同時(shí)，在高潮位及相應(yīng)波浪作用下，60～80 kg塊石因重力不足而被波浪破碎產(chǎn)生的動(dòng)能攜帶至海堤護(hù)坡上部，隨著水體往復(fù)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期磨損海堤護(hù)坡，加快了護(hù)面的腐蝕、破碎(圖4)。

圖4 護(hù)底結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況

下部護(hù)底結(jié)構(gòu)發(fā)生位移后，上部的護(hù)面結(jié)構(gòu)失去支撐，容易向海側(cè)發(fā)生塌陷，增加了海堤在極端氣候條件下的失穩(wěn)概率。

2.2 極端氣候條件波浪作用下的海堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

由于濱?？h海岸位于相對(duì)開敞海域，外海側(cè)無島嶼掩護(hù)，海堤直接受到外海來浪影響，極端天氣下作用于海堤的波浪強(qiáng)度受到堤前水深控制，當(dāng)灘面由2.0 m刷降至-2.0 m后，水深增大4 m，導(dǎo)致設(shè)計(jì)水位下作用于海堤上部的波高也相應(yīng)由1.0 m增大至3.8 m，增幅達(dá)到280%。

根據(jù)彌散關(guān)系，波浪由外海向近岸傳播，當(dāng)波浪周期一定時(shí)，波長(zhǎng)隨著水深的增加而增大[7]，破波參數(shù)ξp增大。對(duì)比該區(qū)段海堤灘面侵蝕前后的波長(zhǎng)可見，設(shè)計(jì)水位下波長(zhǎng)由29.7 m增大至55.1 m，增幅85%。

波浪在板式護(hù)坡(槽型塊、柵欄板、混凝土板)上的運(yùn)動(dòng)過程可分為破碎、沖擊、上爬和回落4個(gè)階段。當(dāng)波長(zhǎng)增加、破波參數(shù)增大時(shí)，波浪在堤前傳播過程中變得不易破碎，波能損耗較小，波浪對(duì)坡面沖擊產(chǎn)生的正壓力增大，對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度影響較大，容易引起結(jié)構(gòu)損壞，而在波浪回落過程中，由于波長(zhǎng)增加，表面水體下落加快，一旦護(hù)坡層透水性弱，即影響護(hù)面底部孔隙水的排出，護(hù)面層內(nèi)外將產(chǎn)生一個(gè)水頭差，形成對(duì)護(hù)面向外的頂托力，當(dāng)超出護(hù)面的水下質(zhì)量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致護(hù)面上托失穩(wěn)[8]。

同時(shí)，波長(zhǎng)、波高的增大也會(huì)引起海堤堤腳波浪底流速的增大，進(jìn)一步加劇護(hù)底塊石及灘面的淘刷。

3 侵蝕性岸段海堤修復(fù)

3.1 修復(fù)方案

由于該區(qū)段海堤北側(cè)濱海港導(dǎo)堤建設(shè)攔截了廢黃河口由北向南的沿岸輸沙，工程區(qū)沙源不足，灘面仍存在進(jìn)一步刷降的可能性，因此需針對(duì)現(xiàn)狀灘面進(jìn)行防護(hù)。

在距離海堤堤腳50 m處修建管樁順壩，樁徑為50 cm，樁間距35 cm，管樁頂高程2.0 m，上部為直徑70 cm的鋼筋混凝土樁帽梁，頂高程2.12 m。管樁順壩的修建可以達(dá)到保灘、消浪的雙重目的，當(dāng)波浪作用至管樁順壩后受阻礙，波高減小，部分大波發(fā)生破碎，水體攜沙能力減弱，使得泥沙在順壩內(nèi)側(cè)形成落淤，對(duì)落潮時(shí)向外海運(yùn)動(dòng)的泥沙也起到攔截效果。

針對(duì)堤腳前局部沖刷及灘面侵蝕也采取相應(yīng)的防護(hù)措施，擬采用扭王字塊體壓護(hù)結(jié)合拋石護(hù)灘。在堤腳前緊密擺放10排扭王字塊體，防護(hù)寬度約6 m，扭王字塊體外海側(cè)鋪設(shè)面層拋石，防護(hù)寬度14 m，堤腳綜合防護(hù)寬度20 m。該方案下即使堤腳處局部發(fā)生淘刷，面層塊石塌陷后也會(huì)迅速填補(bǔ)沖刷坑，并阻止下部泥沙遭到進(jìn)一步侵蝕，因此一定寬度的拋石護(hù)腳可以對(duì)堤腳處的灘面有效防護(hù)；規(guī)則擺放的扭王字塊體對(duì)上部護(hù)坡結(jié)構(gòu)可以起到支撐作用。

3.1.2加固

高程3.00 m以下護(hù)坡護(hù)坡采用45 cm厚柵欄板；由于高程3.00 m及以上消浪平臺(tái)、斜坡位于常水位以上，極端高水位僅高于平臺(tái)0.45 m，護(hù)面穩(wěn)定受波谷作用時(shí)的負(fù)壓影響較小，因此混凝土板護(hù)坡厚度可適當(dāng)減小至30 cm；堤腳采用600 kg扭王字塊體；外海側(cè)采用≥120 kg面層拋石。對(duì)海堤堤腳進(jìn)行防護(hù)并加固護(hù)面后的海堤修復(fù)斷面結(jié)構(gòu)見圖5。

3.2 方案驗(yàn)證

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

墨西哥竹子的利用可追溯到數(shù)千年前，其資源豐富且易于收獲。在墨西哥溫暖潮濕的氣候條件下，竹屋或竹制庇護(hù)所方便建造且能夠提供良好的居住環(huán)境，在整體特性上優(yōu)于木屋(圖7)。然而，在15世紀(jì)隨著西班牙人的到來，新的建筑施工技術(shù)隨之而來，殖民地建筑不僅在墨西哥而且在所有美洲國家大量使用。盡管竹子已經(jīng)使用了數(shù)千年，但歐洲征服者認(rèn)為竹材是次要材料或窮人的材料，而是采用其他建筑材料建設(shè)殖民地的基礎(chǔ)設(shè)施。但是，土著居民仍然保持著利用竹子的傳統(tǒng)。墨西哥竹利用發(fā)展的停滯與過去500年來歐洲人對(duì)土著居民的社會(huì)壓制直接相關(guān)。

采用波浪斷面物理模型試驗(yàn)對(duì)海堤修復(fù)斷面進(jìn)行模擬及驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)計(jì)遵照J(rèn)TS/T 231—2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)。

波浪斷面物理模型試驗(yàn)在風(fēng)、浪、流長(zhǎng)波浪水槽中進(jìn)行，波浪水槽長(zhǎng)175.0 m、寬1.2 m、高1.8 m。水槽兩端均配有消浪緩坡，在一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)。該造波系統(tǒng)可根據(jù)需求產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。

模型幾何比尺為1:20。波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，不規(guī)則波波譜取JONSWAP譜。試驗(yàn)斷面各部位均與原型保持幾何相似，各結(jié)構(gòu)部分均按比尺縮小，模型誤差不超過1 mm，擋浪墻、扭王字塊體等部位采用配重砂漿制作，以保證質(zhì)量相似。護(hù)底塊石經(jīng)嚴(yán)格挑選，與原型保持質(zhì)量相似。管樁順壩采用PVC管制作，滿足管徑及管間距與原型樁保持幾何相似，模型試驗(yàn)不考慮管樁自身穩(wěn)定性。

3.2.2研究方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾糜谒壑卸?，距離造波機(jī)85 m，距離水槽尾端90 m，前后間距均大于6倍波長(zhǎng)，可減小波浪反射影響，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

首先，在試驗(yàn)波浪水槽內(nèi)未放置模型的情況下根據(jù)試驗(yàn)要求率定所需的波浪要素。然后，根據(jù)海堤斷面結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)水槽內(nèi)對(duì)其進(jìn)行模擬，再進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，模型的模擬及布置均符合標(biāo)準(zhǔn)JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

正式試驗(yàn)前，先使用小波連續(xù)作用一段時(shí)間，使得堤心、護(hù)面塊體及拋石處于相對(duì)密實(shí)狀態(tài)。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果

圖6為修復(fù)加固方案穩(wěn)定性試驗(yàn)情況。50 a一遇高水位及相應(yīng)波浪作用下，當(dāng)波浪運(yùn)動(dòng)至管樁順壩后受到阻擋，水體發(fā)生擾動(dòng)，波高減小，波列中個(gè)別大波發(fā)生破碎，波能傳遞至順壩內(nèi)側(cè)并繼續(xù)向主海堤傳播。由圖6可見，水體可作用到海堤上部結(jié)構(gòu)并存在少許越浪。通過波浪斷面物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，修復(fù)加固方案擋浪墻、30 cm厚混凝土護(hù)坡、45 cm厚柵欄板護(hù)坡、600 kg扭王字塊體均未出現(xiàn)明顯的位移，滿足不同設(shè)計(jì)水位及相應(yīng)波浪作用下的穩(wěn)定性要求，120 kg左右塊石較多發(fā)生滾動(dòng)，但是參考現(xiàn)狀海堤的破壞情況，發(fā)生位移的塊石有部分會(huì)被波浪卷攜至護(hù)面上部，長(zhǎng)期碰撞、摩擦?xí)鹱o(hù)面結(jié)構(gòu)的磨損，影響海堤護(hù)面的耐久性。因此優(yōu)化方案將這部分面層塊石進(jìn)行加大，加大后的塊石單塊質(zhì)量約200 kg。

圖6 修復(fù)加固方案穩(wěn)定性試驗(yàn)

優(yōu)化后的海堤各部位穩(wěn)定性驗(yàn)證結(jié)果表明：在各級(jí)水位及相應(yīng)的極端條件波浪作用后，增重后的塊石運(yùn)動(dòng)數(shù)量明顯減少，且發(fā)生位移的塊石仍大多在拋石平臺(tái)段來回滾動(dòng)，基本無塊石運(yùn)動(dòng)至海堤上部。圖7為試驗(yàn)后海堤斷面俯視圖。由圖7可見，發(fā)生位移的塊石個(gè)別運(yùn)動(dòng)至扭王字塊體上部，無塊石運(yùn)動(dòng)至海堤護(hù)面，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐久性不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，該優(yōu)化方案作為濱?？h振東閘以北侵蝕性岸段的海堤修復(fù)方案可行。

圖7 優(yōu)化試驗(yàn)后海堤各部位穩(wěn)定性

3.3 計(jì)算方法

3.3.1保灘工程透射系數(shù)確定

除保灘促淤外，試驗(yàn)結(jié)果表明：管樁順壩的消浪性能對(duì)維持主海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到一定作用，但由于管樁順壩結(jié)構(gòu)在低水位時(shí)露出水面，高水位時(shí)處于淹沒狀態(tài)，現(xiàn)有研究無統(tǒng)一方法確定變化水位下的透射系數(shù)。本文分別參考了Hayashi等[9]、龔崇準(zhǔn)等[10]的相關(guān)成果作為出水及淹沒狀態(tài)下保灘工程透射系數(shù)選取的依據(jù)。

Hayashi在長(zhǎng)波假定和水體通過樁間縫隙的射流理論的基礎(chǔ)上得到單排圓樁列的透射系數(shù)計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：HT為透射波高；HI為入射波高；h為水深；b為樁間距；D為樁徑；c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.9。

在高水位時(shí)樁基處于淹沒狀態(tài)，管樁順壩整體消浪效率有所減弱，結(jié)合龔崇準(zhǔn)對(duì)淹沒的樁式離岸堤透射系數(shù)模型試驗(yàn)結(jié)果，按照本次加固方案選取的管樁順壩樁基相對(duì)高度、相對(duì)波高、相對(duì)間距等參數(shù)，在淹沒情況下透射系數(shù)取0.87。

3.3.2海堤穩(wěn)定性計(jì)算

基于相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，給出海堤護(hù)面、護(hù)底塊石穩(wěn)定性等的海堤穩(wěn)定性計(jì)算方法。在主海堤外側(cè)修建管樁順壩，需通過順壩結(jié)構(gòu)尺寸確定透射系數(shù)，計(jì)算到順壩與主海堤之間的波浪要素，進(jìn)而用于計(jì)算主海堤的穩(wěn)定性。

護(hù)面穩(wěn)定性采用JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]第4.3節(jié)的計(jì)算方法，其中塊石或人工塊體護(hù)坡穩(wěn)定質(zhì)量按4.3.7節(jié)計(jì)算；干砌塊石、漿砌塊石穩(wěn)定厚度按4.3.12節(jié)計(jì)算；柵欄板穩(wěn)定尺寸按4.3.19節(jié)計(jì)算?；炷涟寤蜾摻罨炷涟遄o(hù)坡的穩(wěn)定厚度按SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]A.2.3節(jié)計(jì)算。

護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量按照J(rèn)TS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，首先根據(jù)第4.3.22條計(jì)算斜坡堤前最大波浪底流速，然后通過第4.3.24條確定所需的穩(wěn)定質(zhì)量。

3.3.3綜合分析

采用海堤穩(wěn)定性計(jì)算方法對(duì)海堤現(xiàn)狀斷面在設(shè)計(jì)初期灘面(2.0 m)、近期灘面(-2.0 m)各部位穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，并與近期灘面下加固方案模型試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。

在不考慮管樁順壩的情況下，設(shè)計(jì)初期2.0 m灘面下計(jì)算得出海堤現(xiàn)狀斷面拋石護(hù)灘、護(hù)面結(jié)構(gòu)等均能滿足穩(wěn)定性要求；而近期-2.0 m灘面下計(jì)算得到的拋石護(hù)灘穩(wěn)定質(zhì)量在200～300 kg，柵欄板護(hù)坡穩(wěn)定厚度35 cm，均大于海堤現(xiàn)狀斷面的實(shí)際值，與現(xiàn)狀海堤失穩(wěn)情況相符。

在考慮管樁順壩消浪后，順壩與主海堤間的波高衰減，其中淹沒狀態(tài)3.45 m水位時(shí)的波高由3.8 m減小至3.3 m；出水狀態(tài)2.0 m水位時(shí)的波高由2.8 m減小至2.0 m。此時(shí)計(jì)算得到適用的塊石質(zhì)量區(qū)間在100～200 kg，柵欄板護(hù)坡穩(wěn)定厚度32 cm。根據(jù)加固方案模型試驗(yàn)結(jié)果，45 cm厚柵欄板護(hù)坡未發(fā)生失穩(wěn)，120 kg塊石較多發(fā)生滾動(dòng)且會(huì)影響到海堤上部結(jié)構(gòu)耐久性，而優(yōu)化方案塊石質(zhì)量加大至區(qū)間質(zhì)量上限200 kg后，發(fā)生位移的塊石個(gè)數(shù)明顯減少。試驗(yàn)現(xiàn)象與計(jì)算情況吻合較好。

可見，以上管樁順壩透射系數(shù)選取方法及海堤穩(wěn)定性計(jì)算方法是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

1)侵蝕型岸段灘面刷降后水深增大，海堤所受波浪動(dòng)力增強(qiáng)，在日常水位下護(hù)底、護(hù)面結(jié)構(gòu)受長(zhǎng)期淘刷、侵蝕，極端氣候條件下的海堤結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)。

2)侵蝕型岸段海堤修復(fù)除加固海堤斷面外，還需考慮采取一定的保灘措施，防止堤前水深進(jìn)一步增大。

3)文中采用的管樁順壩透射系數(shù)及海堤穩(wěn)定性計(jì)算方法可應(yīng)用于其他侵蝕型岸段海堤的修復(fù)加固工程。