大型軟基堵港工程的堵口及抗沖水力穩(wěn)定設(shè)計(jì)

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大型軟基堵港工程由于潮差和內(nèi)港吞吐潮量比較大，因此在堵口平堵拋石抬升口門(mén)底檻高程的過(guò)程中會(huì)引起內(nèi)外水位差和口門(mén)流速不斷增大。如果設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)，會(huì)使口門(mén)的水力條件惡化，大量已拋下的塊石會(huì)被沖出壩體設(shè)計(jì)斷面以外，有時(shí)需要大量的重型拋投材料才能抵卸高流速的沖刷，給堵口造成比較大的困難。根據(jù)我省已建幾座軟基堵港工程堵口設(shè)計(jì)和施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)堵口工程抗沖水力穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析。

      1、口門(mén)型式選擇     堵口段的口門(mén)型式一般可分為兩種：一是“窄深式”，二是“寬淺式”。
    “窄深式”口門(mén)寬度比較小，底檻高程比較低，這種口門(mén)型式會(huì)造成內(nèi)外水位差、口門(mén)陡坡流速和單寬流量三者都大的很不利的水力條件，水流沖刷的能量很大，將給口門(mén)渡汛和平堵抬升塊石的防沖帶來(lái)很大的困難，往往需要大量的重型拋投材料才能解決。例如70年代初的象山縣大塘港堵港工程中的岙孟門(mén)堵口，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的口門(mén)寬度為100m，底檻高程-4.0m(黃海標(biāo)高，下同)，屬“窄深式”口門(mén)。設(shè)計(jì)中外海側(cè)采用拋填200多只直徑1.0m、長(zhǎng)2.6m、重量約3.5t的竹籠保護(hù)。結(jié)果在渡汛過(guò)程中，退潮情況下內(nèi)外最大水位差達(dá)到3.65m，實(shí)測(cè)最大流速7.8m/s，竹籠全部被沖走或沖散，口門(mén)被刷深2m左右。一次大潮4d時(shí)間沖走塊石約2萬(wàn)m³，大潮過(guò)后試圖加大平堵拋石力度盡快抬升口門(mén)底檻高程減少單寬流量(即減少?zèng)_刷能量)，均未能成功。大量拋下的塊石又被沖走。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最后采用小潮汛小斷面立堵結(jié)合拋填鉛絲籠突擊合龍的方案，經(jīng)過(guò)3d立堵進(jìn)占，完成100m口門(mén)的合龍。由于地基刷深后尚比較穩(wěn)定，故未造成一次立堵加荷8m而引起地基失穩(wěn)的情況。如果地基差，這種方案不可行。
    “寬淺式”口門(mén)的寬度要求比較大，底檻高程盡可能高，但往往受拋石船只吃水深度的限制?？陂T(mén)的寬度是根據(jù)潮差、吞吐潮量和塊石重量大小確定的。例如寧?？h胡陳港堵口工程，潮差與大塘港一樣，吞吐潮量比大塘港約大3000萬(wàn)m³，達(dá)1.0億³。接受大塘港堵口的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在原華東水利學(xué)院汪龍騰老師的指導(dǎo)下，采用“寬淺式”口門(mén)型式。渡汛口門(mén)寬度400m(壩長(zhǎng)1138m)，底檻高程0m，以平堵抬升口門(mén)并采用水力擴(kuò)展斷面的方法，把外海側(cè)陡坡流速控制在5.0m/s以下。在平堵高程到-3.0m以上時(shí)(采用塊石重量在200kg左右，直至抬升到0m高程)，結(jié)果當(dāng)口門(mén)底檻高程平堵到0m時(shí)，外海側(cè)塊石形成約1∶10的坡度，所有塊石都是在地基抗滑穩(wěn)定要求的范圍內(nèi)，內(nèi)港側(cè)沒(méi)有發(fā)生水力擴(kuò)展情況，即不發(fā)生塊石移動(dòng)擴(kuò)展，按抗滑穩(wěn)定斷面的要求進(jìn)行拋填。成功地解決了大型堵口工程的抗沖水力穩(wěn)定問(wèn)題。避免采用大量的重型拋投材料，節(jié)省工程投資，并為堵口合龍的立堵進(jìn)占施工創(chuàng)造極為有利的水力條件。主要是口門(mén)底檻達(dá)0m，小潮汛堵口合龍時(shí)，口門(mén)最大水深在2m以下，水流沖刷能量較小，一般稍大尺寸的塊石都不會(huì)被沖走。     2、水力穩(wěn)定斷面的選擇     根據(jù)堵港工程的水力條件和地基條件，一般均以平堵為主的堵口方式。即以抬高拋石底檻高程后，設(shè)置適當(dāng)大的口門(mén)寬度再進(jìn)行立堵截流。如果拋石在抬升過(guò)程中，隨著水流流速的增大而增大塊石重量，使之不被水流推動(dòng)，稱(chēng)為密集斷面截流。這種型式一般適用于巖基或地基很好的堵港工程，需要大量的重型拋投材料。在軟基堵口工程中難以采用，尤其是密集斷面的堆石重量也是地基穩(wěn)定所不允許的。所以在軟基堵口中大多采用水力擴(kuò)展斷面的型式，它是以延展外海側(cè)坡面長(zhǎng)度來(lái)減緩坡面上的流速，使得能以較小的塊石在外海側(cè)坡面上呈穩(wěn)定狀態(tài)。坡面愈擴(kuò)展即塊石坡度愈緩，則所需的石塊重量愈小。在軟土地基上堵口，可以根據(jù)地基抗滑穩(wěn)定斷面的要求來(lái)確定拋投石料的重量，一般情況下，采用200kg左右的塊石，它的水力擴(kuò)展斷面層延長(zhǎng)度大致與抗滑穩(wěn)定斷面所要求的長(zhǎng)度相等。     3、水力擴(kuò)展斷面設(shè)計(jì)     水力擴(kuò)展斷面設(shè)計(jì)需要確定堵口過(guò)程的各種水力要素，包括口門(mén)內(nèi)外水位差Z、堰頂流速V_A、擴(kuò)展斷面均勻急流段流速V_B(即坡面塊石穩(wěn)定流速)、口門(mén)單寬流量q和均勻急流段長(zhǎng)度L等(圖1)。 圖1　水力擴(kuò)展斷面示意圖     根據(jù)口門(mén)尺寸，設(shè)計(jì)潮位過(guò)程線(xiàn)、內(nèi)港庫(kù)容曲線(xiàn)，泄水閘規(guī)模采用水量平衡公式進(jìn)行水量調(diào)節(jié)計(jì)算，求出內(nèi)港水位過(guò)程線(xiàn)與潮位過(guò)程線(xiàn)之差，即可求出各時(shí)段的內(nèi)外水位差Z，同時(shí)求出口門(mén)單寬流量q和堰頂流速V_A。
    水量平衡公式：
    根據(jù)堵口工程的實(shí)踐，塊石擴(kuò)展發(fā)生在口門(mén)外海側(cè)，包括口門(mén)加速段和均勻急流段(近似)。內(nèi)港水流溢過(guò)口門(mén)頂?shù)牧魉贋閂_A，以后加速到A點(diǎn)達(dá)到V_B(當(dāng)坡面塊石重量已達(dá)穩(wěn)定時(shí))，并以近似均勻水流流經(jīng)均勻急流段，以面流形式與下游連接，在溢流面上加速段的落差為Z_B，則均勻急流段分擔(dān)的落差為Z-Z_B。設(shè)均勻急流段的邊坡為i，則均勻急流段的長(zhǎng)度L為：L=(Z-Z_B)/i。
式中： (φ-流速系數(shù)，取0.8～0.85)
　　　
　　　C-謝才系數(shù)　(n為坡面塊石糙率，一般取0.04)
　　R-水力半徑　
　　h-均勻急流段坡面水深　h=q/V_B
　　則
　　最后得：
    擴(kuò)展斷面邊坡均勻急流段的水流速V_B是確定塊石坡面穩(wěn)定的流速。為避免采用大量的重型拋投材料，根據(jù)地基抗滑穩(wěn)定斷面的尺寸和采石場(chǎng)可以開(kāi)采到的塊石重量，V_B一般控制在5m/s左右，相應(yīng)的塊石重量在230kg左右。實(shí)際上在開(kāi)始平拋時(shí)的流速比較小，小尺寸的塊石就可滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。只是當(dāng)口門(mén)底檻抬升到一定高程以上才需用較大的塊石。塊石的重量與流速V_B的關(guān)系按依茲巴士公式計(jì)算。
　　
　　式中：r_石-塊石容重，取2.5t/m³
　　　　　r_水-海水容重，取1.03t/m³
　　　　　d-塊石當(dāng)量直徑，
塊石重量     4、結(jié)語(yǔ)     綜上所述，對(duì)于潮差和吞吐潮量較大的軟基堵港工程，應(yīng)采用“寬淺式”口門(mén)和水力擴(kuò)展斷面型式，才能有效解決堵口過(guò)程中的塊石抗沖穩(wěn)定問(wèn)題，避免采用大量重型拋投材料?？陂T(mén)寬度、底檻高程和水力擴(kuò)展斷面長(zhǎng)度是根據(jù)堵口水力計(jì)算成果、塊石重量和基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定斷面的尺寸來(lái)確定的。一般情況下，水力擴(kuò)展斷面不宜超過(guò)基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定斷面，否則必須加大塊石重量或口門(mén)寬度。