長江口邊灘新型透空塊體促淤堤研究與應用

(上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200061)

長江口南匯邊灘是上海灘涂資源開發利用的重點區域。一直以來，因外口攔門沙經波浪掀沙、潮流輸沙而成為不斷淤漲的岸段。為落實長江口綜合整治規劃，在南匯東灘率先實施促淤工程，促淤固灘穩定南槽河道南邊界，同時優化灘涂濕地布局，減輕長江口工程生態影響，為后期整治工程創造有利條件。促淤工程平面如圖1所示。

南匯邊灘處于長江口與杭州灣交匯處，具有外海風浪大、流場復雜、灘地高程低以及地基土軟弱等特點，且工程范圍大、堤線長，常規拋石堤結構石料需求量大。施工過程中，在未安裝單重較大的護面預制塊體前，拋石堤的塊石易遭到風浪破壞。本文研究新型促淤堤結構替代傳統拋石堤，從而降低施工風險,控制投資成本。

圖1 南匯東灘促淤工程平面圖

該工程區地基土軟弱、風浪大、水深又難以滿足大型船舶長時間的作業條件，從耐久性、經濟性、施工風險性和抗風浪安全穩定性，提出了新型透空塊體六面體促淤堤結構。由于促淤堤從平均低潮位0.73m至100年一遇設計高潮位6.14m，正處于風浪作用的強區間，因此需研究透空塊體六面體促淤堤的穩定性和消浪效果，同時考慮其經濟性和施工便捷性，提出最優結構斷面，并在促淤一期東順堤示范實施。

1 透空塊體促淤堤斷面試驗

促淤工程采用丁壩、順壩結合布置，東側設置納潮口，增加高含沙量水體進入庫區，通過促淤堤以降低波浪和潮流對庫區水體的影響，營造泥沙落淤的有利環境。N1區納潮口底坎高程取1.0m，接近平均低潮位。參考《海岸工程》推薦的促淤堤頂高程確定的經驗公式，堤頂高程取工程處平均高潮位3.51m加迎岸盛行風速計算的半波高，確定透空塊體堤頂高程取3.7m。

先初擬透空塊體促淤堤斷面，進行新型斷面穩定性和孔隙率試驗，對不同孔隙率的透空塊體斷面進行消浪特性試驗[2-3]。

1.1 促淤堤試驗工況與斷面要素

試驗工況包括100年一遇高潮位6.14m、20年一遇高潮位5.96m、不利潮位4.40m和多年平均高潮位3.51m遭遇100年一遇風速33.5m/s。

試驗斷面選取北區灘地高程最低、灘坡最陡的N1區東順堤。工程堤段計算滿足波浪作用穩定的透空塊體單重為3～6t，選用鋼筋混凝土或素混凝土塊體邊長為1.5～2.0m。結合物模試驗、理論計算和投資比較，堤頂安放三個塊體寬度4.2m，邊坡1∶1.25，底部鋪設混凝土聯鎖排護底，堤身內外側設拋石護腳，頂高程以能支撐第二層塊體安裝穩定且不高于平均低潮位設置，促淤堤斷面如圖2所示。單個透空塊體試驗型號包括三種，見下表。

圖2 透空塊體促淤堤斷面 (單位：mm)

型 號尺 寸 /mm實體體積/m3總體積/m3單體空隙率單重/t備 注1邊長2000(桿350×350)2.358.000.7063 5.88 鋼筋混凝土2邊長1500(桿300×300)1.243.3750.63263.10 鋼筋混凝土3邊長1500(桿400×400)1.8563.3750.454.45素混凝土

1.2 斷面穩定性、孔隙率試驗成果

試驗在航道實驗室80m長的不規則波浪水槽中進行。水槽寬0.8m，高1.6m，有效試驗斷面寬0.5m。試驗模型斷面距生波板為45m。模型比尺為1∶26。

試驗斷面選取塊體分兩種：單一型號和組合型號；塊體安放方式分三種：全部規則整齊擺放、隨機安放和底部平擺上部內插姿態隨機。試驗分別采用規則波和不規則波進行，每組試驗重復3～5次。

試驗結果表明：?全部規則整齊擺放和隨機安放時頂部透空塊體有滾落趨勢，斷面不穩定；?選用型號2組成的斷面因單體重量不夠，三種安放方式頂層及坡面透空塊體均不夠穩定；?型號1和型號3無論是組合還是單一型號組成的斷面在底部平擺上部內插時更穩定。

其中整個斷面全部由型號3塊體組成，空隙率約67%～70%，各試驗工況下斷面穩定性如下：?多年平均3.51m潮位時，規則波H5%作用下，前坡及頂部表層有輕微晃動；規則波H1%作用下，前坡及頂部極個別(1～3個)有晃動，原型最大幅度約10cm。不規則波作用下，表層有個別(3～5個)塊體有晃動，原型最大幅度約15cm，無滾落趨勢。一個風暴周期后整體斷面穩定。?不利潮位4.40m時，斜坡和頂部僅有個別晃動，原型最大幅度約10cm。斷面穩定。?5.64m潮位時，規則波作用下，前坡及頂部表層塊體有極個別(1～3個)晃動，原型最大幅度約15cm。不規則波作用下，頂部表層有個別(3～5個)晃動，原型最大幅度約15cm，無滾落趨勢。一個風暴周期后整體斷面穩定。?6.14m潮位時，規則波和不規則波作用下，頂部塊體極個別(1～3個)有晃動，原型最大幅度約5cm。一個風暴周期后整體斷面穩定。

整個斷面由型號1和型號3兩種塊體組合時，空隙率約69%～76%，斷面穩定性與全部由型號3塊體構成斷面的穩定性大致相同，僅在斜坡和頂部塊體有個別晃動，原型最大幅度5～10cm，總體比全部由型號3塊體組成的斷面更穩定些。

綜上分析，透空塊體斷面的穩定與塊體的單重、塊體的安放方式密切相關，選用單重4.5～6t塊體，按底部平擺上部內插安放能滿足各工況下穩定要求。

1.3 促淤堤消浪特性試驗成果

通過采用型號1、型號3分別組成的2種不同孔隙率透空塊體促淤堤和實心堤進行比較，試驗了波浪在不同波高、不同水深下各促淤堤上的傳播效果。

試驗結果表明：?規則波作用下，同一水深時，入射波高越大，不同堤后的沿程波高越接近，說明透空塊體促淤堤對于波高比較大的海域消浪效果相對更好，更具有經濟實用性，不規則波作用下，不同堤后的消浪效果差異更小；?空隙率和透浪系數越大，說明消浪效果越差，但這規律并不呈線性遞增，型號3組成的斷面因空隙率不是很大，其消浪效果與實心堤相差不大。?規則波和不規則波作用下，水深越淺，透浪系數越小。

2 透空塊體促淤堤斷面優化

2.1 塊體結構改進措施

透空塊體促淤堤要發揮好的消浪效果，宜選取合適的空隙率。型號1和型號3塊體結構和單重不同，組成的促淤堤斷面空隙率前者大于后者，選用空隙率小的消浪效果更好，為此，結合斷面波浪穩定性試驗成果中有個別塊體晃動的情況，優化透空塊體單體結構，將型號3的素混凝土結構進行改進，通過加大桿件截面尺寸，增加單體重量，以降低透空塊體促淤堤的孔隙率。

選取透空塊體為C30素混凝土結構，邊長1500mm，桿截面加大至500mm×500mm，實體體積2.5m3，單體重6t，自身空隙率26%。與型號1的鋼筋混凝土結構(單體重5.88t)相比，促淤堤斷面的經濟性相當，但減少了預制塊體時鋼筋加工綁扎工序，方便了施工。

2.2 結構內力分析

a.波浪作用的確定。根據波浪模型試驗，構件波浪壓力選取20年一遇潮位與100年一遇風速組合計算。根據《海堤工程設計規范》，作用在整體或裝配式平板上的護面上最大波壓力計算方法，得出該組合下最大波壓力為89.73kPa。

b.計算模型的確定。

工況1：透空塊體的上部承受豎向波浪壓力，在底面兩側假定為簡支約束；

工況2：透空塊體的上部桿件外側承受水平波浪壓力，底面兩側有約束；

工況3：透空塊體的兩側上下部分分別承受方向相反的水平波浪壓力。

以上3種工況線荷載標準值q=44.85kN/m。

c.透空塊體內力計算。根據上述計算模型，波浪壓力分項系數取1.2，安全系數取2.0，線荷載設計值為107.64kN/m。假定單個透空塊體是由12根桿件構成的空間框架結構，采用三維剛桁架軟件計算各工況桿件的內力。結果顯示，工況3下透空塊體桿件最大彎矩設計值為24.559kN·m，桿件允許承載彎矩為46.17kN·m，承載力滿足要求。

3 透空塊體促淤堤安放控制

根據穩定性試驗要求，透空塊體采用“底層全部平放、上部分層內插”的安放原則，避免規則整齊安放。底層塊體水平放置時，各塊體中心位置根據每標準段的灘地高程計算確定，通過調整底層塊體的縱、橫向間距，使上部相鄰層塊體間的插入深度有所變化，以此調節堤身空隙率和總高度，確保堤頂高程和頂面每個斷面有3個透空塊體。

以20m為一單元進行三維模擬塊體安放，控制要素包括4點：?底層四個相鄰塊體在實際施工時受潮流和風浪等影響可能出現的偏差，本區域最大偏差約20cm；?減小底層塊體之間水體流動的通道，定點安放時隨機轉向；?第二層塊體嚴禁棱角直插接觸底部混凝土聯鎖排體，避免破壞護底結構；?上下層透空塊體呈梅花形布置，即上一層每個塊體的棱角均插放在下層4個塊體之間。

以N1區納潮口北側平均灘地高程-2.6m為例，經模擬擺放，底層塊體橫向中心間距2.6m，縱向中心間距2.4m，不包括沉降時安放塊體五層，約260塊，計入沉降量時安放塊體六層，約292塊，促淤堤斷面空隙率約56%(底層透空塊體和堤身斷面安放效果見圖3～4)。

圖3 底層透空塊體安放立面、俯視圖 (單位：m)

圖4 透空塊體堤身斷面安放效果圖

4 促淤堤實施效果分析

N1區東順堤除納潮口2.2km和丁順壩的交接段外，其余2.88km示范實施了透空塊體促淤堤，在納潮口以北和以南實施的長度分別為1.88km、0.8km,平面布置見圖5。

圖5 N1區透空塊體促淤堤示范段布置圖

從N1區促淤東堤工程實施前后的固定斷面測量資料和工程經歷了2個汛期考驗來看，透空塊體促淤堤及護灘結構穩定。N1區外側臨近南槽航道，-5.00m線受南槽上中段河勢沖刷影響，促淤工程實施后明顯有內移沖刷。促淤東堤堤前50m范圍受排體護底結構保護和局部流場改變，總體呈淤積狀，淤積厚度0.5～1.0m，北端2.5km范圍自轉彎段開始，堤前100m以外灘地持續沖刷，與臨近的浦東機場外側3號圍區圈圍工程外側沖刷一致，沖刷幅度由上游向下游逐漸變小。

圖6顯示N1促淤區內淤積形態和規律與相鄰區N2、N3區采用傳統拋石堤基本一致，即前期低灘淤積強度大，后期隨著灘地高程的抬高，淤積強度逐漸減弱。N1區因透空塊體促淤堤空隙率大于常規拋石堤，納潮口內側未出現沖刷區域，而相鄰的N2區、N3區納潮口內側均出現了1～2m的沖刷坑，這將增加后續整治堤防的投資。

圖6 促淤一期工程實施2年后促淤區內地形分布 (單位:m)

5 結 語

a.透空塊體促淤堤在低灘、軟基、風浪較大的區域替代傳統拋石堤，具有經濟實用性，且有效降低施工風險。

b.透空塊體促淤堤空隙率越大，透浪系數越大，但總體并非呈線性變化，選取合適的透空塊體結構，既能滿足穩定要求，又可優化促淤堤空隙率，使其發揮更好的消浪促淤效果。

c.采用“底層平放、上層內插”的安放方式對結構穩定有利，控制底層塊體的縱橫向間距尤為重要，同時考慮現場安放時波浪潮流的不利影響。

d.南匯東灘促淤一期N1區東順堤示范實施了長2.88km的透空塊體促淤堤，堤身空隙率約56%，從實測斷面及促淤區灘面變化來看，取得了較好的促淤保灘效果。這表明透空塊體促淤堤雖然具有較大的空隙率，但仍具有明顯的阻水和消浪效果，能夠促進內側泥沙淤積。

目前，該新型透空塊體促淤堤的設計和施工已在南匯東灘促淤二期的促淤東堤推廣和應用。可供其他類似工程借鑒。

[1] 崔冬，劉新成，俞相成.潮汐河口大型中低灘促淤工程內部布局研究[J].水利水運工程學報，2012(2)27-33.

[2] 河海大學海岸及海洋工程研究所.南匯東灘促淤一期工程堤壩斷面波浪模型試驗報告[R].南京：河海大學，2012.

[3] 馮衛兵，厲佳卉，曹海錦，等.一種新型透空式潛堤消浪促淤特性試驗研究[J].水運工程，2014(1)：25-30.