樁式離岸堤保灘促淤工程消浪效果試驗研究

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波浪是造成海灘侵蝕的主要動力因素之一,在開敞式海岸地區(qū)尤為明顯。在近岸潮間帶,由于波浪和潮流的共同作用,尤其是在近岸破碎波浪掀沙和潮流輸沙情況下,大部分被侵蝕泥沙向外海擴散運移,造成海灘前緣的不斷淘刷后退,進而威脅海堤安全。因此,必須采取工程措施對海灘加以保護。

    海灘防護工程的關鍵是消浪,同時還應阻止潮流輸沙。對于正向波浪作用為主的海灘,通常使用離岸堤消減波浪。傳統(tǒng)的離岸堤大多采取斜坡式拋石方案,堤身不透水,消浪效果較佳。然而,這種消浪結構的主要缺點在于堤身護面塊石的重量需達數(shù)百公斤,一般施工條件下難以達到,較小的護面塊石又易被波浪打壞,如果采用異形塊體加固,則造價較高。有鑒于此,一種新型的保灘促淤離岸堤結構——透空樁式離岸堤已經(jīng)開始受到人們的重視,這種結構的主體為預應力高強鋼筋混凝土管樁,將其間隔排列即構成離岸堤,可用于消減近岸區(qū)淺水波浪的波高,改變波態(tài),以達到保護海灘的目的。目前已在上海、南匯東灘二期圍墾促淤工程、奉賢南港及青年河、寶山橫沙保灘工程和江蘇濱海六合莊、響水保灘工程等多處應用,取得了令人滿意的效果。     關于透空樁式堤,國外學者曾經(jīng)做過一些試驗研究和理論探討,取得了一定的成果。但這些研究主要局限于水深較大和非淹沒狀態(tài)的防波堤,其成果難以推廣到近岸淺水區(qū)的保灘促淤工程中。通常,離岸堤都是修建在近岸破波帶內(nèi),而且由于經(jīng)濟上的原因,堤頂高程一般較低,允許越浪,經(jīng)常處于淹沒狀態(tài)。因此,開展相關課題研究非常必要。本文結合上海市奉賢南門港段的保灘工程,研究透空樁式離岸堤的消浪效果,重點研究近岸淺區(qū)的水深、堤高以及樁式離岸堤結構對波浪衰減的影響,同時就樁式離岸堤堤后波浪底流速進行分析探討。     奉賢南門港段保灘工程長766.2ｍ,采用樁式離岸堤方案作為保灘試驗工程,以取代傳統(tǒng)的斜坡式拋石離岸堤。離岸堤堤軸線距主海堤約50ｍ,堤身由圓形管樁間隔排列構成,以減少作用于樁體的波浪壓力。堤線處灘面高程為Z_b=+1.0ｍ(吳淞零點,下同),堤頂高程Z₀=+4.0ｍ,樁的自由端長ｈ=3.0ｍ。為了保護離岸堤附近灘面免受因波浪破碎而造成的沖刷,在其前后各布設一段平拋塊石護底,寬度分別為10.0ｍ和5.0ｍ,樁基處拋石頂標高+2.0ｍ,設計高潮位為Z=6.15ｍ,設計波高Ｈ₀=3.60ｍ,設計波周期Ｔ=6.8ｓ。考慮到離岸堤處的灘面高程為Z_t=+1. 0ｍ,設計高潮位時的水深為ｄ=5.15ｍ,此時的設計波高Ｈ₀=0.7ｄ,已為極限波高。奉賢南門港段在修建透空樁式離岸堤之前,海堤部分堤腳已因灘地淘刷而被淘空,修建樁式離岸堤保灘工程一年后,堤后灘面已淤高1.0ｍ左右,起到了明顯的消浪保灘效果。     1、模型試驗     按重力相似準則設計模型。取模型幾何比尺λ_Ｌ=20。試驗在長40ｍ、寬0.5ｍ、深0.9ｍ的波浪水槽中進行,水槽一端裝置懸掛式推板生波機。采用電容式波高儀測量波浪要素,數(shù)據(jù)采集和分析處理由計算機完成。試驗時緊靠樁式離岸堤之前和堤后1.25ｍ(對應于原體25ｍ)處設置1#和2#波高儀,測定在各潮波組合條件下堤前、堤后的波高值,以對比分析各方案的消浪效果(見圖1)。              根據(jù)分析,影響樁式離岸堤消浪效果的主要因素有:堤前水深ｄ,堤身高度ｈ,堤前波高Ｈ0,樁徑Ｄ以及樁間距ｂ等。定義樁式離岸堤堤后波高Ｈ′與堤前波高Ｈ0之比為波高透射率Ｋ,其可表示為以下函數(shù): Ｋ=Ｈ′/Ｈ₀=ｆ(ｄ,ｈ,Ｈ₀,ｂ,Ｄ)     由于樁式離岸堤采用混凝土預制樁徑Ｄ=600ｍｍ的成品管樁,故試驗中不考慮樁徑變化的影響。將上述函數(shù)中的變量進行無因次變換,可得: Ｋ=ｆ(ｈ/ｄ,Ｈ₀/ｄ,ｂ/ｂ+Ｄ)     其中,ｈ/ｄ為堤身相對高度,表示在水深方向上樁式離岸堤所占的比例;Ｈ₀/ｄ為相對波高;η=ｂ/(ｂ+Ｄ)為樁的相對間距,表示樁式離岸堤的透空率。     模型中,共對5種樁間距:ｂ=0.00、0.20、0.30、0.40和0.60ｍ,6級潮位:Ｚ=6.15、5.50、5.00、4.50、4.0和3.50ｍ,每級潮位下包含極限波高在內(nèi)的多組波高進行了試驗,其中,樁間距ｂ=0 00ｍ的樁式離岸堤為連續(xù)板樁離岸堤。     2、試驗結果與分析     上述5種樁式離岸堤、15組潮位波浪組合條件下堤后波高和波高透射率Ｋ的試驗結果列于表1。根據(jù)試驗結果,就相對波高(Ｈ₀/ｄ)、堤身相對高度(ｈ/ｄ)以及透空率(η)的變化對波浪透射率的影響進行討論。     1) 相對波高(Ｈ₀/ｄ)     在堤身相對高度和透空率一定的情況下,相對波高越大,波高透射率越小,消浪效果也就越好。例如,對于堤身相對高度ｈ/ｄ=0.58(設計高潮位Ｚ=6.15ｍ,堤身處于淹沒狀態(tài))不變的情況下,方案3在相對波高為0.39(波高Ｈ₀=2.0ｍ)時,樁式離岸堤堤后波高由堤前的2 00ｍ變?yōu)?.96ｍ,兩者差值僅為0.04ｍ,波高透射率為0.98,消浪效果較差;而在極限波高(波高Ｈ₀=3 60ｍ,Ｈ0/ｄ=0 7)時,波高由堤前的3.60ｍ衰減為2.48ｍ,兩者差值增加到1.12ｍ,波高透射率為0.69,消浪效果較好,詳見表1和圖2。由此可見,隨著相對波高的增加,離岸堤的消浪效果逐漸明顯,在極限波高情況下,波高透射率達到最小值,消浪效果最佳。從工程實際的角度來看,樁式離岸堤不僅適用于保灘工程,同樣也可用于保護海塘海堤工程,通過樁式離岸堤的消浪作用,可以有效地減小位于其后的海塘海堤設計波高,減輕波浪作用力,從而減少工程投資。        表1　樁式離岸堤堤后波高Ｈ′及波高透射率     2)堤身相對高度(ｈ/ｄ)     在淹沒狀態(tài)下,潮位越接近堤頂高程,亦即堤身相對高度趨近于1時,樁式離岸堤的消浪效果越好。例如,在極限波高(Ｈ₀/ｄ=0 7)的情況下,堤身相對高度ｈ/ｄ=0.58、0.67、0.75、0.86和1.00時,方案3所得的波高透射率分別為Ｋ=0.69、0.71、0.68、0.58和0.56,表明隨著潮位的降低,樁式離岸堤的波高透射率逐漸減小,消浪效果逐步增強,在接近樁頂高程時消浪效果最佳,詳見表2和圖3。樁式離岸堤出水后,對于方案1和方案2這樣的透空率較小的堤身結構,消浪效果有增強的趨勢,而對于透空率相對較大的樁式離岸堤來說,消浪效果與潮位接近堤頂時的效果基本相同,詳見表3。在實際工程中,可根據(jù)上述結論來確定樁式離岸堤的堤頂高程。就保灘工程來說,平均高潮位經(jīng)常出現(xiàn),且波浪動力條件又較為惡劣,應作為主要防御潮位,因此,可將樁頂高程選在平均高潮位附近,以期取得較好的消浪效果。     3)樁式離岸堤透空率(η)就樁式離岸堤的透空程度來說,在潮位和波浪條件一定的情況下,連續(xù)板樁堤的消浪效果較透空堤要好,而透空堤之間差別不大。例如,在極限波高情況下,當?shù)躺硐鄬Ω叨龋?ｄ=0.86(潮位Z=4 50ｍ,堤身處于淹沒狀態(tài))時,方案1～方案5的波高透射率分別為Ｋ=0.49、0.56、0.58、0.59和0.63。顯然,連續(xù)板樁的消浪效果較透空堤要好,而透空堤中方案4(ｂ=0.4ｍ)雖較方案2(ｂ=0.2ｍ)的樁間距大一倍,但其消浪效果相差無幾,詳見表2和圖4。因此,在確定工程方案時,從節(jié)約工程造價的角度出發(fā),可以采用間距較大的樁式離岸堤,對于奉賢南門港段可選取樁間距ｂ=0.4ｍ,透空率η=40%,即每延米一根外徑Ｄ=600ｍｍ的混凝土圓管樁。       表2　極限波高條件下的波高透射率     表3　不同堤身相對高度條件下堤后波高和波高透射率     應該注意的是:試驗是在波浪水槽中進行的,波浪正向作用于離岸堤。而實際情況中,波浪常為斜向波,應當有所區(qū)別。如奉賢南門港段保灘工程的離岸堤軸線為東偏北10°,只有當波浪為Ｓ～ＳＳＥ向時,才符合波浪正向作用于離岸堤的條件。當波浪斜向作用于透空樁式離岸堤時,應對樁間距進行修正,此時的有效間距ｂ′(見圖5)為:     ｂ′=ｂ×ｃｏｓα-Ｄ(1-ｃｏｓα)     其中,α為波向線(波浪作用方向)與透空樁式離岸堤堤軸線法線方向的夾角。     各方案不同波浪入射角條件下有效樁間距的計算結果列于表4。由表可見,隨著波浪入射角的偏離,透空離岸堤的有效樁間距迅速減小,與此相應,其消浪效果應該有所增強。以方案4為例,其樁徑為Ｄ=600ｍｍ,樁間距ｂ=0.4ｍ,當波浪入射角α=30°、40°和50°時,有效樁間距為ｂ′=0.27、0.17和0.04ｍ,分別相當于波浪正向作用下方案3、方案2以及連續(xù)板樁的消浪效果。          3、樁式離岸堤堤后波浪底流速分析     一般情況下,潮流和波浪是造成海岸和河口段海堤前沿灘地沖刷的主要動力因素。對于奉賢南門港段來說,ＳＷ～ＥＳＥ向的波浪是岸灘侵蝕淘刷的主要動力因素。波浪在底坡較平緩的淺灘上傳播,當灘地水深小于2倍波高(ｄ>2 0Ｈ0)時,波浪將發(fā)生破碎,波浪的破碎引起水體的劇烈紊動,造成岸灘淘刷。     修建樁式離岸堤可以有效地消減堤后波高,減少波浪作用力,同時還可在很大范圍內(nèi)改變波浪的形態(tài),即由引起水體劇烈紊動的破波轉變?yōu)闇\水推進波,從而達到保護岸灘的目的。根據(jù)波浪理論,當水深ｄ大于2倍波高(ｄ≥2Ｈ0)時,波浪基本上屬于淺水推進波,波動的水質(zhì)點作橢圓運動,在水底則作水平直線往復運動(橢圓短軸長度為零)。當波面出現(xiàn)波峰或波谷時,相應波浪底流速達到最大值,其值可用下式計算:     其中,Ｌ為波長;Ｔ為波周期,取Ｔ=0.68ｓ;Ｈ為波高,取堤后25ｍ處波高Ｈ′。     根據(jù)波浪試驗結果(見表1),除個別情況外,5種方案所列各潮波組合中的水深滿足條件ｄ>2Ｈ′,可按淺水推進波計算堤后最大波浪底流速,計算結果見表5。結果表明:在試驗條件范圍內(nèi),堤后水域最大波浪底流速的極大值為1.54ｍ/ｓ,此時潮位Ｚ=5.50ｍ、堤后波高Ｈ′=2.40ｍ(方案5);極小值為0.58ｍ/ｓ,此時潮位Ｚ=3.50ｍ、堤后波高Ｈ′=0.63ｍ(方案1)。當潮位位于4.0ｍ(略高于平均高潮位3.75ｍ)或以下時,各方案堤后水域波浪底流速的最大值僅為1 05ｍ/ｓ,由于該最大波浪底流速僅在瞬間出現(xiàn),而且強度有限,因此刷灘的可能性大為降低。此外,經(jīng)過樁式離岸堤的消浪作用,堤后水深與波高的比值ｄ/Ｈ′(=2 3～4 0),偏離淺水推進的條件較多,最大波浪底流速還有可能進一步降低,灘面泥沙也就更不容易淘刷下切。     當波浪斜向作用于透空樁式離岸堤時,同樣應考慮樁間距的修正問題。以方案4為例,當波浪入射角α=20°、30°和40°時,有效樁間距為ｂ′=0.30、0.19和0.03ｍ,分別相當于波浪正向作用時方案3、方案2及連續(xù)板樁的水流條件,此時堤后水域最大波浪底流速可取相應方案的值。 表5　樁式離岸堤堤后最大波浪底流速     4、結　語     通過對樁式離岸堤消浪效果的試驗研究及離岸堤堤后水域波浪底流速的分析,可得如下幾點結論:     1)樁式離岸堤既可有效地消減作用于灘地上的波浪,又能在較大范圍內(nèi)改變波浪形態(tài),使其由破波轉變?yōu)闇\水推進波,改善了灘上的水流波浪等動力條件,從而達到保護海灘免受波浪淘刷的目的。     2)樁式離岸堤的消浪效果主要與波浪大小、堤身高度以及樁間間距有關。就相對波高而言,在堤身相對高度和樁堤透空率一定的情況下,相對波高越大,消浪效果越好,在極限波高情況下(Ｈ₀/ｈ=0.7),消浪效果最佳;就堤身相對高度而言,在相對波高和離岸堤堤型一定的情況下,淹沒狀態(tài)時潮位越接近于堤頂高程,亦即堤身相對高度趨近于1時,樁式離岸堤的消浪效果越好;就樁式離岸堤的透空程度來說,在潮位和波浪條件一定的情況下,連續(xù)板樁堤的消浪效果較好,透空堤的效果相對略差,但透空堤之間差別有限。     3)樁式離岸堤的消浪效果試驗是在水槽中進行的,僅適用于波浪正向作用情形。如為斜向波,應對樁間距進行修正。由于修正后間距減小,相當于樁式堤樁間間距減少、密度增加,一定程度上可以提高消浪效果。     4)試驗結果表明,樁式離岸堤堤后水域的水深和波浪滿足淺水推進波條件(ｄ≥2Ｈ₀),可用相應公式計算最大波浪底流速值。以奉賢南門港樁式離岸堤為例,當潮位位于平均高潮位附近及其以下時,最大波浪底流速僅約1.05ｍ/ｓ,沖刷灘地的能力大為降低,從而可以起到保灘的作用。