長(zhǎng)江口南沙頭通道限流潛堤局部沖刷原因及對(duì)策分析

蘇 濤，石 進(jìn)，陳 琳

(1. 中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120; 2. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江口航道管理局，上海 200017)

長(zhǎng)江口南北港分汊口新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道潛堤工程位于長(zhǎng)江口第二級(jí)分汊口，是南支河勢(shì)變化最復(fù)雜的河段。新瀏河沙護(hù)灘工程整治建筑物采用Y型布置固定沙體，南沙頭通道限流潛堤上端與護(hù)灘堤連接，下端與中央沙圈圍工程銜接，潛堤功能為調(diào)整各汊道的水流動(dòng)力，在航道整治工程中極具代表性(圖 1)。工程于2007年9月開始實(shí)施，主體工程于2009年9月底完工。

圖1 限流潛堤工程位置河勢(shì)圖(2019年11月)Fig. 1 The river regime map at the location of the project (2019.11)

工程實(shí)施后，中央沙一新瀏河沙一線沙體得以基本穩(wěn)定，沙頭不再大幅沖刷后退。南沙頭通道下段水動(dòng)力明顯減弱，地形呈淤積態(tài)勢(shì)。增加了寶山南北水道的落潮動(dòng)力，改善了南北港分流口整體的通航條件。但整治建筑附件發(fā)生較大的局部沖刷，對(duì)工程的安全產(chǎn)生了一定影響。整治建筑物周邊的局部沖刷關(guān)系著工程結(jié)構(gòu)的安全，是至關(guān)重要的。馬愛(ài)興等[1]通過(guò)對(duì)護(hù)灘帶損毀過(guò)程的試驗(yàn)觀測(cè)、損毀影響因素分析、護(hù)灘帶塊體間脈動(dòng)力及受力分析，研究了護(hù)灘帶常見破壞類型的損毀機(jī)理。結(jié)果表明：流速是護(hù)灘帶破壞的動(dòng)力因素，局部沖刷坑的形成與發(fā)展是護(hù)灘帶破壞的誘發(fā)原因，編織布、系結(jié)條及接縫部位的抗拉強(qiáng)度不夠是護(hù)灘帶破壞的直接原因。張我華等[2]用概率分析方法研究了在隨機(jī)因素影響下防護(hù)丁壩抗沖刷的可靠性問(wèn)題。應(yīng)用Rosen．blatt變換確定防護(hù)丁壩抗沖刷破壞的功能函數(shù)在隨機(jī)因素影響下的可靠性指標(biāo)。提出了用丁壩端部沖刷坑的當(dāng)量坡度小于沖刷坑坡度的臨界值JD作為丁壩抗沖刷破壞的安全(穩(wěn)定性)準(zhǔn)則。王偉等[3]以上海化學(xué)工業(yè)區(qū)圍海造田工程為背景計(jì)算了海堤在高潮位和潮位降落過(guò)程中堤身的滲流場(chǎng)，并結(jié)合堤前灘地各種不同沖刷程度，對(duì)海堤穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到了該海堤工程在潮位降落過(guò)程中堤前灘地沖刷程度與海堤穩(wěn)定性之間的變化規(guī)律。

這里選取南沙頭潛堤工程限流潛堤段，對(duì)其局部沖刷特征、沖刷嚴(yán)重部位護(hù)底結(jié)構(gòu)的完整性與結(jié)構(gòu)的整體安全性進(jìn)行調(diào)查分析[4-6]，研究局部沖刷的發(fā)生原因、發(fā)展過(guò)程及處理對(duì)策，為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 南沙頭通道潛堤工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

南沙頭通道潛堤總長(zhǎng)2 390 m，分為過(guò)渡段、限流潛堤和銜接段三部分。與新瀏河沙護(hù)灘堤銜接的過(guò)渡段長(zhǎng)500 m，頂標(biāo)高+2.0～-2.0 m(吳淞基面，下同)；潛堤主堤——限流潛堤長(zhǎng)1 300 m，堤頂標(biāo)高-2.0 m；與中央沙圈圍工程順壩相連的銜接段長(zhǎng)590 m，頂標(biāo)高-2.0～+3.2 m(圖 2)。為保障護(hù)灘潛堤建成后小船的航行安全，南沙頭通道限流潛堤共設(shè)置16座燈樁和4塊警示牌，自樁號(hào)XL0+100～XL2+100，燈樁及警示牌每隔100 m交替均勻布置。

圖2 南沙頭通道限流潛堤平面布置示意Fig. 2 Layout plan of Nanshatou passage submerged dike

南沙頭通道潛堤主堤段為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)。堤頂標(biāo)高-2.0 m，頂寬11 m，上游邊坡1∶1.5，下游邊坡1∶2，護(hù)面為兩層200～400 kg的塊石，堤心為10～100 kg塊石，兩側(cè)設(shè)厚度2.0 m重量100～300 kg拋石護(hù)腳，上游側(cè)護(hù)腳頂寬6.0 m，下游側(cè)8.0 m(圖 3)。過(guò)渡段和銜接段采用2 t扭王塊體護(hù)面的拋石斜坡堤，頂寬3.87 m，邊坡1∶1.5。

圖3 南沙頭通道潛堤主堤典型結(jié)構(gòu)斷面圖Fig. 3 Typical section

護(hù)底采用堤身砂肋排+混凝土聯(lián)鎖塊余排的混合型護(hù)底軟體排結(jié)構(gòu)。砂肋排底排布采用350 g/m2機(jī)織布，砂肋直徑0.3 m、間距1.5 m；混凝土聯(lián)鎖塊排底排布采用500 g/m2的針刺復(fù)合土工布(350 g/m2機(jī)織布+150 g/m2無(wú)紡布針刺復(fù)合而成)，聯(lián)鎖塊尺寸為0.48 m×0.48 m×0.12 m，排體邊緣5 m范圍聯(lián)鎖塊厚度增加到20 cm。護(hù)底余排寬度分段見表1所示。

表1 護(hù)底余排寬度統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 Statistics of width of bottom protection

1.2 工程效果

工程實(shí)施后，中央沙一新瀏河沙一線沙體得以基本穩(wěn)定，沙頭不再大幅沖刷后退。護(hù)灘南堤堤身控制范圍內(nèi)寶山北水道深槽向東沖刷扭曲的態(tài)勢(shì)得以遏制。南沙頭通道下段水動(dòng)力明顯減弱、地形呈淤積態(tài)勢(shì)，其出口處有5 m深槽已消失，2 m深槽中斷。增加了寶山南北水道的落潮動(dòng)力，改善了南北港分流口整體的通航條件。

但整治建筑附近發(fā)生較大的局部沖刷，對(duì)工程的安全產(chǎn)生了一定影響。根據(jù)2019年5月14～16日對(duì)限流潛堤XL0+700-XL2+390段軸線兩側(cè)各200 m范圍的水深測(cè)量表明：潛堤軸線南、北側(cè)護(hù)底沿余排邊緣均有沖刷坑，沖刷坑對(duì)稱分布(南側(cè)水深略大于北側(cè))，12 m以深等深線呈不連續(xù)坑狀。其中XL0+820～XL1+080、XL1+380～XL1+605、XL1+735～XL2+185段南側(cè)局部沖刷已侵入排內(nèi)(圖 4)。

圖4 南沙頭限流潛堤XL0+700～XL2+390地形圖Fig. 4 Topographic map of XL0+700～XL2+390

2 限流潛堤局部沖刷分析

2.1 固定斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

工程實(shí)施以來(lái)，對(duì)整治建筑物及周邊地形持續(xù)進(jìn)行了固定斷面監(jiān)測(cè)。從2007年9月～2019年3月共12年的固定斷面監(jiān)測(cè)資料[5]可以清楚地理出潛堤周邊地形變化的脈絡(luò)(圖5)：

圖5 XL1+060斷面沖刷監(jiān)測(cè)圖Fig. 5 Cross section scouring measurement value of XL1+060

1) 從時(shí)間上看。工程實(shí)施期間(2008年11月后至工程完工)，受漲落潮越頂流影響限流堤南、北兩側(cè)余排外出現(xiàn)明顯沖刷，沖刷位于護(hù)底外側(cè)靠近余排邊緣并持續(xù)發(fā)展，至2012年左右沖刷深度達(dá)到最大；隨后至2016年多數(shù)斷面呈回淤態(tài)勢(shì)，部分?jǐn)嗝婊赜僦凉で八剑蘖鞯瘫眰?cè)淤積程度普遍大于限流堤南側(cè)；2016年后有反復(fù)小幅度沖刷淤積。

2) 從空間上看。限流工程限流堤南、北兩側(cè)有明顯沖刷溝，沖刷溝基本位于余排外側(cè)。沿堤沖刷深度呈現(xiàn)限流潛堤中段(XL0+900～XL1+060)大于兩側(cè)，東段沖刷幅度大于西段的特征。潛堤中段沖刷后最大水深曾達(dá)22 m左右(吳淞基面，下同)。

2.2 沖刷原因初步分析

1) 南沙頭通道限流潛堤工程堤身附近沖刷為越頂流引起的局部沖刷

限流工程完工后，南沙頭通道原8 m以深河槽萎縮，限流潛堤堤身兩側(cè)河床呈淤積態(tài)勢(shì)，水深淤淺至5 m左右，但堤身過(guò)渡段及通航段局部存在10 m以上深坑(圖6)。

圖6 南沙頭限流堤沖刷坑最大水深統(tǒng)計(jì)(2007—2018)Fig. 6 Statistics of maximum water depth of scour pit near Nanshatou passage submerged dike (2007—2018)

2019年8月8日又對(duì)近堤地形進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)合大、小河勢(shì)地形可以看出(圖7)，近堤處局部8 m等深線尚未與上游新橋通道深槽及下游南沙頭通道深槽貫通(圖 8)，南沙頭通道限流工程堤身附近地形主要表現(xiàn)為局部沖刷特征。因此，限流潛堤排外沖刷應(yīng)是漲落潮越頂流長(zhǎng)期作用的結(jié)果。

圖7 2007年11月-2009年11月南北港分汊口河段河床沖淤變化 Fig. 7 River bed erosion and siltation change map of south-north branch section, Nov. 2007～Nov. 2009

圖8 2019年8月限流工程局部地形Fig. 8 Topography of project (Aug. 2019)

2) 排外沖刷變化與流速相關(guān)

采用2008年地形通過(guò)三維潮流數(shù)模計(jì)算[6]的限流潛堤南北側(cè)排邊漲落急流速，工程前后整體變化不大，僅銜接段工后流速有所增加但大流速時(shí)間很短(圖9)?？傮w來(lái)說(shuō)，工程前后限流潛堤漲急垂線平均流速為1.0 m/s左右；落急垂線平均流速流速為1.2 m/s左右(南側(cè)略大于北側(cè))。

圖9 潛堤斷面漲落急流速(工前：2008年；工后：2019年)Fig. 9 The maximum spring and ebb currents velocities of XL0+700～XL2+220

但將2019年5月地形下的近堤垂線平均流速與2008年6月工程前進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：除銜接段局部外，布置在軟體排邊緣處的測(cè)點(diǎn)流速較工前均有較大幅度減小。這是由于測(cè)點(diǎn)位于沖刷坑內(nèi)，沖刷后坑內(nèi)水深較大，因而流速有所減小。這也是沖刷溝發(fā)展到2012年左右達(dá)到最大后多數(shù)斷面呈回淤態(tài)勢(shì)的原因。

3) 最大沖刷深度與工程區(qū)地質(zhì)有一定相關(guān)性

2006年《長(zhǎng)江口深水航道南北港分汊口河段新瀏河沙護(hù)灘及南沙頭通道潛堤工程補(bǔ)充地質(zhì)勘察》表明：限流潛堤地基土上部由上到下分布著松散一稍密一中密的粉細(xì)砂層。粉細(xì)砂穩(wěn)定性差，在水流作用下易發(fā)生沖刷。粉細(xì)砂層沿限流潛堤分布于底高程-22～-18 m以上處，向下為較難沖刷的④1灰色淤泥質(zhì)黏土夾粉砂及④2灰色淤泥質(zhì)黏土層。由圖6可知，工程后排外沖刷迅速發(fā)展至2009年底接近最大沖深，后面臨抗沖刷的黏土層沖刷深度數(shù)年一直未變，沖刷改向?qū)挾确较虬l(fā)展。因此，沖刷最大深度與工程區(qū)地基土的抗沖性相關(guān)。

4)沖刷坑水深不連續(xù)與燈樁基礎(chǔ)的影響有關(guān)

現(xiàn)場(chǎng)ADCP走航測(cè)量和“有無(wú)燈樁”條件下數(shù)模計(jì)算均表明：受燈樁基礎(chǔ)影響，燈樁之間因束流作用流速相對(duì)較大，這與地形沖刷深坑位置基本一致；而燈樁基礎(chǔ)的背面(相對(duì)于漲落潮)均有小范圍掩護(hù)區(qū)，流速相對(duì)較小。因此，沖刷坑水深不連續(xù)與燈樁基礎(chǔ)作用有關(guān)。

3 限流潛堤工程安全性分析

3.1 潛堤結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

潛堤結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性采用土坡穩(wěn)定分析方法進(jìn)行計(jì)算。選取潛堤全線沖刷最大斷面(XL1+060)的最大沖刷時(shí)刻和現(xiàn)狀以及目前因沖刷坑侵入排內(nèi)形成的沿堤最危險(xiǎn)斷面(XL1+480)進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

1) XL1+060

沖刷最大斷面XL1+060沖刷深度最大時(shí)段為2011年11月(圖10)，根據(jù)其時(shí)灘面狀況進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，其抗力分項(xiàng)系數(shù)為1.325，滿足規(guī)范要求。2012年后多數(shù)斷面沖刷坑呈回淤態(tài)勢(shì)，至近期又略有沖刷。仍選取斷面XL1+060采用2019年7月地形進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算，其抗力分項(xiàng)系數(shù)仍滿足規(guī)范要求。

圖10 2011年11月斷面XL1+060(鉆孔S45)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig. 10 XL1+060, drill hole S45, Nov. 2011

2) XL1+480

斷面XL1+480在2019年7月地形下條件下的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖 11，計(jì)算表明該斷面整體穩(wěn)定性較好。

圖11 2019年7月斷面XL1+480(鉆孔S45)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig. 11 XL1+480, drill hole S45, July 2019

3.2 護(hù)底排體安全性分析

受沖刷影響，潛堤南側(cè)局部排體邊緣處實(shí)際邊坡較陡(最陡為1∶1.5)，采用規(guī)范推薦方法計(jì)算的排體抗滑穩(wěn)定系數(shù)偏低，排邊陡坡上排體已不滿足護(hù)底軟體排抗滑穩(wěn)定性要求，長(zhǎng)期處于此種狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致整塊護(hù)底軟體排被拉壞，影響其護(hù)灘保土的功能，進(jìn)而危及整治建筑物的安全與穩(wěn)定。

為了解限流潛堤護(hù)底軟體排的完整性和安全性，在分析多波速水深測(cè)量資料的基礎(chǔ)上，2019年6月12日對(duì)XL0+700 -XL2+200軸線兩側(cè)各200 m采用旁掃聲納進(jìn)行掃測(cè)(圖12)。掃測(cè)發(fā)現(xiàn)：XL0+700-XL2+200軸線南側(cè)排體邊緣可見，部分排體被泥沙覆蓋，局部出現(xiàn)疑似卷起和破損現(xiàn)象。

圖12 南沙頭限流潛堤XL0+700～XL2+220掃測(cè)圖(軸線南側(cè)85 m)(上北下南)Fig. 12 Side scan sonar graph of south of XL0+700～XL2+220

為進(jìn)一步驗(yàn)證旁掃結(jié)論， 2019年7月11日又對(duì)XL0+860～XL1+615段疑似排體破損處進(jìn)行了潛水探摸。探明XL1+490 ～XL1+525段軸線南側(cè)護(hù)底軟體排邊緣部位已損毀，其他區(qū)域排體完好。探摸結(jié)果如表2。

表2 探摸情況表Tab. 2 Manpower situation

3.3 分析結(jié)論

工程完成至今，南沙頭通道限流潛堤結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)，護(hù)底軟體排基本完整，還能很好地發(fā)揮護(hù)灘作用[7]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)下游側(cè)護(hù)底排體受偶發(fā)外力破壞，XL1+490 ～XL1+525軸線南側(cè)護(hù)底軟體排破損部位沖刷坑已侵入排內(nèi)區(qū)域，對(duì)護(hù)底結(jié)構(gòu)的安全有影響。為避免排體破損處和排邊較陡段灘面進(jìn)一步?jīng)_刷，保證堤身安全穩(wěn)定，需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

4 修復(fù)設(shè)計(jì)

按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)底損壞處進(jìn)行修復(fù)，并保證護(hù)底軟體排寬度不小于原設(shè)計(jì)；為保證護(hù)底軟體安全性，鋪排前先在沖刷邊坡較陡的區(qū)段拋投砂袋形成緩坡；并且力求施工方便，工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)較低[8]。

綜上考慮對(duì)XL0+825～XL1+074、XL1+400～XL1+586、XL1+712～XL2+182段進(jìn)行修復(fù)。為保證加護(hù)排體的鋪設(shè)質(zhì)量，鋪排前先在沖刷邊坡較陡的區(qū)段拋投砂袋形成1∶3緩坡至現(xiàn)狀泥面，再在修復(fù)區(qū)域加鋪混凝土聯(lián)鎖塊軟體排至原設(shè)計(jì)位置，為增加排體穩(wěn)定性和加鋪排的貼合性在新鋪軟體排近堤側(cè)端部5 m范圍拋一層龍網(wǎng)兜石進(jìn)行壓護(hù)。圖13為加護(hù)后灘頭堤段典型斷面。工程修復(fù)設(shè)計(jì)已于2019年11月完成。

圖13 修復(fù)斷面示意Fig. 13 Schematic diagram of repairing of local scour

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工程區(qū)長(zhǎng)期固定斷面水深監(jiān)測(cè)資料、工程地質(zhì)和近期多波速地形測(cè)量資料綜合分析，結(jié)合旁掃聲納、潛水探摸、河勢(shì)分析和三維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算等手段，對(duì)限流潛堤段排外局部沖刷發(fā)生原因進(jìn)行研究。得出如下結(jié)論：

1) 研究表明潛堤排外沖刷是越頂水流長(zhǎng)期作用所致，沖刷坑形成和發(fā)展具有代表性和典型性，沖刷最大深度與工程區(qū)地基土的抗沖性有相關(guān)性。

2) 工程原護(hù)底設(shè)計(jì)是安全、合理的。工程建成后10年來(lái)盡管排邊出現(xiàn)較大的局部沖刷，但限流潛堤護(hù)底軟體排基本完整，仍能很好地發(fā)揮護(hù)灘作用，可有效維護(hù)整治建筑物結(jié)構(gòu)安全。潛堤南側(cè)局部余排邊緣破損，系受偶發(fā)外力破壞所致，如進(jìn)一步持續(xù)發(fā)展會(huì)危害堤身安全，因此需對(duì)排體破損處進(jìn)行修復(fù)。

3) 工程采用“工后監(jiān)測(cè)→調(diào)查研究”的方法進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下整治建筑物的后期管理，不僅保證了整治建筑物的安全，而且獲得了寶貴的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。