長江口深水航道南導堤上段整治建筑物損壞原因及對策*

唐曉峰

(交通運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并發揮作用的整治建筑物已建成18年(2001—2019年)。期間，不可避免地出現了一些局部損壞。在發現損壞和修復過程中，總結出一些經驗：整治建筑物結構的損壞，很大程度上與余排范圍內的地形變化有關，余排內的地形變化與周邊流場的變化有關，周邊流場的變化又與大河勢的變化有關。本文提供一種查找整治建筑物損壞原因的思路，供技術人員參考。

1 工程背景

長江口深水航道南導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年竣工驗收)。南導堤上段整治建筑物的功能是：1)導流；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定[1]。

該段南導堤在設計時考慮較為充分，雖然竣工時間較長，但總體結構完好，建成后較好地發揮了整治功能。但由于長江口水域自然條件復雜，人類活動頻繁，受自然和人為因素影響，至今已開展過多次局部區段的修復。

2018年4—8月，陸續在南導堤上段發現南側護面的扭王字塊有7處出現塌陷(堤身完好)，見圖1。為確保整治建筑物功能的正常發揮，須對損壞的整治建筑物進行修復，以使結構安全穩定。

圖1 南導堤上段損壞情況

2 損壞狀況

2.1 損壞情況的發生

2018年4月，在南導堤S6+300～S6+600區段發現3處南側護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，在該區段的上、下游各發現一處情況基本相同的損壞；8月底又在前述區段間新發現2處損壞，同時，4月發現的3處損壞范圍均有所擴大，見表1。

表1 損壞情況及發現過程

南導堤損壞的部位均位于南側扭王字塊護面，損壞發現的時間是4—8月，且有不斷發展的趨勢，即損壞的發生和發現之間的時間間隔較短，損壞的發現比較及時，為后續工作的開展贏得了時間。

2.2 原結構情況

原南導堤南側的余排寬度為25～29 m，結構為有壓頂和護面的拋石斜坡堤結構[2]，見表2。

表2 南導堤上段余排結構

原南導堤上段典型結構見圖2。

注：括號內高程為建筑物設計高程，其他均為施工控制高程。

2.3 現場勘查

損壞發生后，采取潛水探摸、水深測量等手段對現場情況進行勘查。結果顯示，南導堤軸線南側有大幅的地形變化，綜合邊坡最陡處約為1:2，護面扭王字塊體和護腳塊石散落在損壞后的邊坡上且范圍很大，護底混凝土聯鎖塊排存在且基本完整。典型損壞斷面結構見圖3[3]。

圖3 損壞斷面結構

3 損壞原因

3.1 損壞部位附近地形狀況分析

對損壞區段進行水下地形測量，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2018年5月18—26日測量成果繪制。

圖4 2018年5月損壞區段地形圖

3.2 附近水動力特征分析

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

由垂線平均流速、流向結果可知(表3)：大潮期，江亞南沙頭部竄溝附近JY1測點落潮平均流速在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；近南導堤JY2測點落潮平均流速為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JY3測點落潮平均在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

續表3

時間垂線號漲潮平均流速∕(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測點漲落流速均在1.5 m/s左右(2017年)；JY2測點落急流速為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測點漲落急流速接近1.6 m/s(2017年)；JY5測點落急流速為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 近堤水動力模型分析

基于2018年5月的地形測圖，利用三維潮流數學模型進行水動力模型計算和分析。導堤損壞區域的漲、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，導堤損壞區域的近堤處動力較強，為1.0～1.2 m/s。從流速矢量圖看，落潮動力的矢量方向沿江亞南沙頭部竄溝指向導堤損壞區域；而漲潮動力越堤流明顯，其矢量方向也指向導堤損壞區域；上述2個動力主流方向均不利于該處整治建筑物的安全穩定。

圖6 導堤損壞局部的漲、落急流速分布

圖7 導堤損壞區域附近的漲、落急流速矢量圖分布

3.4 分析討論

1)從地形看，損壞區段沿線存在沖刷溝，邊坡較陡。

2)從水動力的沿程分布看，導堤損壞區域的動力最大。

3)從數模分析可知，損壞區段的漲落潮動力均比較強，漲落潮動力均比較大。

4)從流速矢量圖看，落潮動力的矢量方向沿江亞南沙頭部竄溝指向導堤損壞區域；漲潮動力越堤流明顯，其矢量方向也指向導堤破壞區域；上述2個動力主流方向均不利于該處導堤的穩定。

5)可以推斷：在河勢條件、水動力因素綜合作用下，南導堤上段近堤處邊坡不斷變陡，導致部分區段塌陷。如果堤身南側坡度繼續變陡，目前出現的局部護腳護面塌陷現象在以后還可能在本堤段內其他位置處出現。為使結構在自然條件

作用下不再發生此類損壞，確保結構安全，不僅需要修復已發生破壞的局部堤段、加固邊坡較陡區段，還應針對采水動力較強且坡度較大的堤段進行堤身結構加固設計。

4 結構修復

4.1 修復原則

1)損壞區段堤身南側漲落潮動力均比較強，漲、落潮動力的矢量方向均指向損壞區段，水動力分布也不利于該處導堤的穩定。同時，考慮到江亞北槽7 m河槽呈沖刷發展趨勢，7 m等深線貼近修復區段。因此，修復區段在損壞區段的基礎上須向上、下游方向適當延伸。

2)保持原結構形式基本不變，整體加固、部分修復，保證堤身安全穩定。

3)便于施工，造價合理。

4.2 修復方案

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

2)在平臺上加鋪混凝土聯鎖塊軟體排至設計位置；

3)在砂袋平臺上拋200～300 kg塊石至0.4 m；

4)損壞區段按原結構恢復上部護面(2 t鉤連塊體)。

典型修復斷面見圖8[5]。

圖8 修復斷面

4.3 修復效果

2018年4月發現第1處損壞后，航道維護單位開展損壞原因的分析及修復設計方案的編制工作,2018年11月—2019年5月完成修復。經現場檢查及測量驗收，修復取得較好的效果。修復效果見圖9、10。

圖9 修復后現場(右側淺色鉤連塊體為新拋投塊體)

圖10 修復后斷面

5 結語

1)除人為原因外，整治建筑物結構損壞的直接原因很可能與余排內的地形變化有關。

2)余排內的地形變化與堤身附近的流場及周邊河勢的變化有關。

3)修復區段在損壞區段的基礎上向上、下游方向適當延伸，修復后取得較好效果。