樁式離岸堤保灘促淤工程消浪效果試驗(yàn)研究

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波浪是造成海灘侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩刂?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(kuò)散運(yùn)移,造成海灘前緣的不斷淘刷后退,進(jìn)而威脅海堤安全。因此,必須采取工程措施對海灘加以保護(hù)。

    海灘防護(hù)工程的關(guān)鍵是消浪,同時(shí)還應(yīng)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(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)在于堤身護(hù)面塊石的重量需達(dá)數(shù)百公斤,一般施工條件下難以達(dá)到,較小的護(hù)面塊石又易被波浪打壞,如果采用異形塊體加固,則造價(jià)較高。有鑒于此,一種新型的保灘促淤離岸堤結(jié)構(gòu)——透空樁式離岸堤已經(jīng)開始受到人們的重視,這種結(jié)構(gòu)的主體為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁,將其間隔排列即構(gòu)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(dá)到保護(hù)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(yīng)用,取得了令人滿意的效果。     關(guān)于透空樁式堤,國外學(xué)者曾經(jīng)做過一些試驗(yàn)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(jì)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(guān)課題研究非常必要。本文結(jié)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(diǎn)研究近岸淺區(qū)的水深、堤高以及樁式離岸堤結(jié)構(gòu)對波浪衰減的影響,同時(shí)就樁式離岸堤堤后波浪底流速進(jìn)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(yàn)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(gòu)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(diǎn),下同),堤頂高程Z₀=+4.0ｍ,樁的自由端長ｈ=3.0ｍ。為了保護(hù)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(shè)一段平拋塊石護(hù)底,寬度分別為10.0ｍ和5.0ｍ,樁基處拋石頂標(biāo)高+2.0ｍ,設(shè)計(jì)高潮位為Z=6.15ｍ,設(shè)計(jì)波高Ｈ₀=3.60ｍ,設(shè)計(jì)波周期Ｔ=6.8ｓ?？紤]到離岸堤處的灘面高程為Z_t=+1. 0ｍ,設(shè)計(jì)高潮位時(shí)的水深為ｄ=5.15ｍ,此時(shí)的設(shè)計(jì)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?yàn)┑靥运⒍惶钥?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(yàn)     按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。取模型幾何比尺λ_Ｌ=20。試驗(yàn)在長40ｍ、寬0.5ｍ、深0.9ｍ的波浪水槽中進(jìn)行,水槽一端裝置懸掛式推板生波機(jī)。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(jì)算機(jī)完成。試驗(yàn)時(shí)緊靠樁式離岸堤之前和堤后1.25ｍ(對應(yīng)于原體25ｍ)處設(shè)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(yù)制樁徑Ｄ=600ｍｍ的成品管樁,故試驗(yàn)中不考慮樁徑變化的影響。將上述函數(shù)中的變量進(jìn)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(jìn)行了試驗(yàn),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(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果列于表1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(shè)計(jì)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(shí),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(shí),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(dá)到最小值,消浪效果最佳。從工程實(shí)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(hù)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(shè)計(jì)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(shí),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(shí),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(qiáng),在接近樁頂高程時(shí)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(jié)構(gòu),消浪效果有增強(qiáng)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(shí)的效果基本相同,詳見表3。在實(shí)際工程中,可根據(jù)上述結(jié)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(dòng)力條件又較為惡劣,應(yīng)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(dāng)?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(shí),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(shí),從節(jié)約工程造價(jià)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(yīng)該注意的是:試驗(yàn)是在波浪水槽中進(jìn)行的,波浪正向作用于離岸堤。而實(shí)際情況中,波浪常為斜向波,應(yīng)當(dāng)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(dāng)波浪為Ｓ～ＳＳＥ向時(shí),才符合波浪正向作用于離岸堤的條件。當(dāng)波浪斜向作用于透空樁式離岸堤時(shí),應(yīng)對樁間距進(jìn)行修正,此時(shí)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(jì)算結(jié)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(yīng),其消浪效果應(yīng)該有所增強(qiáng)。以方案4為例,其樁徑為Ｄ=600ｍｍ,樁間距ｂ=0.4ｍ,當(dāng)波浪入射角α=30°、40°和50°時(shí),有效樁間距為ｂ′=0.27、0.17和0.04ｍ,分別相當(dāng)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?jiǎng)恿σ蛩?。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?jiǎng)恿σ蛩亍２ɡ嗽诘灼螺^平緩的淺灘上傳播,當(dāng)灘地水深小于2倍波高(ｄ>2 0Ｈ0)時(shí),波浪將發(fā)生破碎,波浪的破碎引起水體的劇烈紊動(dòng),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(shí)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(dòng)的破波轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水推進(jìn)波,從而達(dá)到保護(hù)岸灘的目的。根據(jù)波浪理論,當(dāng)水深ｄ大于2倍波高(ｄ≥2Ｈ0)時(shí),波浪基本上屬于淺水推進(jìn)波,波動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng),在水底則作水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(橢圓短軸長度為零)。當(dāng)波面出現(xiàn)波峰或波谷時(shí),相應(yīng)波浪底流速達(dá)到最大值,其值可用下式計(jì)算:     其中,Ｌ為波長;Ｔ為波周期,?。?0.68ｓ;Ｈ為波高,取堤后25ｍ處波高Ｈ′。     根據(jù)波浪試驗(yàn)結(jié)果(見表1),除個(gè)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(jìn)波計(jì)算堤后最大波浪底流速,計(jì)算結(jié)果見表5。結(jié)果表明:在試驗(yàn)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(shí)潮位Ｚ=5.50ｍ、堤后波高Ｈ′=2.40ｍ(方案5);極小值為0.58ｍ/ｓ,此時(shí)潮位Ｚ=3.50ｍ、堤后波高Ｈ′=0.63ｍ(方案1)。當(dāng)潮位位于4.0ｍ(略高于平均高潮位3.75ｍ)或以下時(shí),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(qiáng)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(jìn)的條件較多,最大波浪底流速還有可能進(jìn)一步降低,灘面泥沙也就更不容易淘刷下切。     當(dāng)波浪斜向作用于透空樁式離岸堤時(shí),同樣應(yīng)考慮樁間距的修正問題。以方案4為例,當(dāng)波浪入射角α=20°、30°和40°時(shí),有效樁間距為ｂ′=0.30、0.19和0.03ｍ,分別相當(dāng)于波浪正向作用時(shí)方案3、方案2及連續(xù)板樁的水流條件,此時(shí)堤后水域最大波浪底流速可取相應(yīng)方案的值。 表5　樁式離岸堤堤后最大波浪底流速     4、結(jié)　語     通過對樁式離岸堤消浪效果的試驗(yàn)研究及離岸堤堤后水域波浪底流速的分析,可得如下幾點(diǎn)結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)闇\水推進(jìn)波,改善了灘上的水流波浪等動(dòng)力條件,從而達(dá)到保護(hù)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(guān)。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(shí)潮位越接近于堤頂高程,亦即堤身相對高度趨近于1時(shí),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(yàn)是在水槽中進(jìn)行的,僅適用于波浪正向作用情形。如為斜向波,應(yīng)對樁間距進(jìn)行修正。由于修正后間距減小,相當(dāng)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(yàn)結(jié)果表明,樁式離岸堤堤后水域的水深和波浪滿足淺水推進(jìn)波條件(ｄ≥2Ｈ₀),可用相應(yīng)公式計(jì)算最大波浪底流速值。以奉賢南門港樁式離岸堤為例,當(dāng)潮位位于平均高潮位附近及其以下時(shí),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。