桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究

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波浪是造成海滩侵蚀的主要动力因素之一,在开敞式海岸地区尤为明显。在近岸潮间带,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输沙情况下,大部分被侵蚀泥沙向外海扩散运移,造成海滩前缘的不断淘刷后退,进而威胁海堤安全。因此,必须采取工程措施对海滩加以保护。

    海滩防护工程的关键是消浪,同时还应阻止潮流输沙。对于正向波浪作用为主的海滩,通常使用离岸堤消减波浪。传统的离岸堤大多采取斜坡式抛石方案,堤身不透水,消浪效果较佳。然而,这种消浪结构的主要缺点在于堤身护面块石的重量需达数百公斤,一般施工条件下难以达到,较小的护面块石又易被波浪打坏,如果采用异形块体加固,则造价较高。有鉴于此,一种新型的保滩促淤离岸堤结构——透空桩式离岸堤已经开始受到人们的重视,这种结构的主体为预应力高强钢筋混凝土管桩,将其间隔排列即构成离岸堤,可用于消减近岸区浅水波浪的波高,改变波态,以达到保护海滩的目的。目前已在上海、南汇东滩二期围垦促淤工程、奉贤南港及青年河、宝山横沙保滩工程和江苏滨海六合庄、响水保滩工程等多处应用,取得了令人满意的效果。     关于透空桩式堤,国外学者曾经做过一些试验研究和理论探讨,取得了一定的成果。但这些研究主要局限于水深较大和非淹没状态的防波堤,其成果难以推广到近岸浅水区的保滩促淤工程中。通常,离岸堤都是修建在近岸破波带内,而且由于经济上的原因,堤顶高程一般较低,允许越浪,经常处于淹没状态。因此,开展相关课题研究非常必要。本文结合上海市奉贤南门港段的保滩工程,研究透空桩式离岸堤的消浪效果,重点研究近岸浅区的水深、堤高以及桩式离岸堤结构对波浪衰减的影响,同时就桩式离岸堤堤后波浪底流速进行分析探讨。     奉贤南门港段保滩工程长766.2ｍ,采用桩式离岸堤方案作为保滩试验工程,以取代传统的斜坡式抛石离岸堤。离岸堤堤轴线距主海堤约50ｍ,堤身由圆形管桩间隔排列构成,以减少作用于桩体的波浪压力。堤线处滩面高程为Z_b=+1.0ｍ(吴淞零点,下同),堤顶高程Z₀=+4.0ｍ,桩的自由端长ｈ=3.0ｍ。为了保护离岸堤附近滩面免受因波浪破碎而造成的冲刷,在其前后各布设一段平抛块石护底,宽度分别为10.0ｍ和5.0ｍ,桩基处抛石顶标高+2.0ｍ,设计高潮位为Z=6.15ｍ,设计波高Ｈ₀=3.60ｍ,设计波周期Ｔ=6.8ｓ。考虑到离岸堤处的滩面高程为Z_t=+1. 0ｍ,设计高潮位时的水深为ｄ=5.15ｍ,此时的设计波高Ｈ₀=0.7ｄ,已为极限波高。奉贤南门港段在修建透空桩式离岸堤之前,海堤部分堤脚已因滩地淘刷而被淘空,修建桩式离岸堤保滩工程一年后,堤后滩面已淤高1.0ｍ左右,起到了明显的消浪保滩效果。     1、模型试验     按重力相似准则设计模型。取模型几何比尺λ_Ｌ=20。试验在长40ｍ、宽0.5ｍ、深0.9ｍ的波浪水槽中进行,水槽一端装置悬挂式推板生波机。采用电容式波高仪测量波浪要素,数据采集和分析处理由计算机完成。试验时紧靠桩式离岸堤之前和堤后1.25ｍ(对应于原体25ｍ)处设置1#和2#波高仪,测定在各潮波组合条件下堤前、堤后的波高值,以对比分析各方案的消浪效果(见图1)。              根据分析,影响桩式离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,桩径Ｄ以及桩间距ｂ等。定义桩式离岸堤堤后波高Ｈ′与堤前波高Ｈ0之比为波高透射率Ｋ,其可表示为以下函数: Ｋ=Ｈ′/Ｈ₀=ｆ(ｄ,ｈ,Ｈ₀,ｂ,Ｄ)     由于桩式离岸堤采用混凝土预制桩径Ｄ=600ｍｍ的成品管桩,故试验中不考虑桩径变化的影响。将上述函数中的变量进行无因次变换,可得: Ｋ=ｆ(ｈ/ｄ,Ｈ₀/ｄ,ｂ/ｂ+Ｄ)     其中,ｈ/ｄ为堤身相对高度,表示在水深方向上桩式离岸堤所占的比例;Ｈ₀/ｄ为相对波高;η=ｂ/(ｂ+Ｄ)为桩的相对间距,表示桩式离岸堤的透空率。     模型中,共对5种桩间距:ｂ=0.00、0.20、0.30、0.40和0.60ｍ,6级潮位:Ｚ=6.15、5.50、5.00、4.50、4.0和3.50ｍ,每级潮位下包含极限波高在内的多组波高进行了试验,其中,桩间距ｂ=0 00ｍ的桩式离岸堤为连续板桩离岸堤。     2、试验结果与分析     上述5种桩式离岸堤、15组潮位波浪组合条件下堤后波高和波高透射率Ｋ的试验结果列于表1。根据试验结果,就相对波高(Ｈ₀/ｄ)、堤身相对高度(ｈ/ｄ)以及透空率(η)的变化对波浪透射率的影响进行讨论。     1) 相对波高(Ｈ₀/ｄ)     在堤身相对高度和透空率一定的情况下,相对波高越大,波高透射率越小,消浪效果也就越好。例如,对于堤身相对高度ｈ/ｄ=0.58(设计高潮位Ｚ=6.15ｍ,堤身处于淹没状态)不变的情况下,方案3在相对波高为0.39(波高Ｈ₀=2.0ｍ)时,桩式离岸堤堤后波高由堤前的2 00ｍ变为1.96ｍ,两者差值仅为0.04ｍ,波高透射率为0.98,消浪效果较差;而在极限波高(波高Ｈ₀=3 60ｍ,Ｈ0/ｄ=0 7)时,波高由堤前的3.60ｍ衰减为2.48ｍ,两者差值增加到1.12ｍ,波高透射率为0.69,消浪效果较好,详见表1和图2。由此可见,随着相对波高的增加,离岸堤的消浪效果逐渐明显,在极限波高情况下,波高透射率达到最小值,消浪效果最佳。从工程实际的角度来看,桩式离岸堤不仅适用于保滩工程,同样也可用于保护海塘海堤工程,通过桩式离岸堤的消浪作用,可以有效地减小位于其后的海塘海堤设计波高,减轻波浪作用力,从而减少工程投资。        表1　桩式离岸堤堤后波高Ｈ′及波高透射率     2)堤身相对高度(ｈ/ｄ)     在淹没状态下,潮位越接近堤顶高程,亦即堤身相对高度趋近于1时,桩式离岸堤的消浪效果越好。例如,在极限波高(Ｈ₀/ｄ=0 7)的情况下,堤身相对高度ｈ/ｄ=0.58、0.67、0.75、0.86和1.00时,方案3所得的波高透射率分别为Ｋ=0.69、0.71、0.68、0.58和0.56,表明随着潮位的降低,桩式离岸堤的波高透射率逐渐减小,消浪效果逐步增强,在接近桩顶高程时消浪效果最佳,详见表2和图3。桩式离岸堤出水后,对于方案1和方案2这样的透空率较小的堤身结构,消浪效果有增强的趋势,而对于透空率相对较大的桩式离岸堤来说,消浪效果与潮位接近堤顶时的效果基本相同,详见表3。在实际工程中,可根据上述结论来确定桩式离岸堤的堤顶高程。就保滩工程来说,平均高潮位经常出现,且波浪动力条件又较为恶劣,应作为主要防御潮位,因此,可将桩顶高程选在平均高潮位附近,以期取得较好的消浪效果。     3)桩式离岸堤透空率(η)就桩式离岸堤的透空程度来说,在潮位和波浪条件一定的情况下,连续板桩堤的消浪效果较透空堤要好,而透空堤之间差别不大。例如,在极限波高情况下,当堤身相对高度ｈ/ｄ=0.86(潮位Z=4 50ｍ,堤身处于淹没状态)时,方案1～方案5的波高透射率分别为Ｋ=0.49、0.56、0.58、0.59和0.63。显然,连续板桩的消浪效果较透空堤要好,而透空堤中方案4(ｂ=0.4ｍ)虽较方案2(ｂ=0.2ｍ)的桩间距大一倍,但其消浪效果相差无几,详见表2和图4。因此,在确定工程方案时,从节约工程造价的角度出发,可以采用间距较大的桩式离岸堤,对于奉贤南门港段可选取桩间距ｂ=0.4ｍ,透空率η=40%,即每延米一根外径Ｄ=600ｍｍ的混凝土圆管桩。       表2　极限波高条件下的波高透射率     表3　不同堤身相对高度条件下堤后波高和波高透射率     应该注意的是:试验是在波浪水槽中进行的,波浪正向作用于离岸堤。而实际情况中,波浪常为斜向波,应当有所区别。如奉贤南门港段保滩工程的离岸堤轴线为东偏北10°,只有当波浪为Ｓ～ＳＳＥ向时,才符合波浪正向作用于离岸堤的条件。当波浪斜向作用于透空桩式离岸堤时,应对桩间距进行修正,此时的有效间距ｂ′(见图5)为:     ｂ′=ｂ×ｃｏｓα-Ｄ(1-ｃｏｓα)     其中,α为波向线(波浪作用方向)与透空桩式离岸堤堤轴线法线方向的夹角。     各方案不同波浪入射角条件下有效桩间距的计算结果列于表4。由表可见,随着波浪入射角的偏离,透空离岸堤的有效桩间距迅速减小,与此相应,其消浪效果应该有所增强。以方案4为例,其桩径为Ｄ=600ｍｍ,桩间距ｂ=0.4ｍ,当波浪入射角α=30°、40°和50°时,有效桩间距为ｂ′=0.27、0.17和0.04ｍ,分别相当于波浪正向作用下方案3、方案2以及连续板桩的消浪效果。          3、桩式离岸堤堤后波浪底流速分析     一般情况下,潮流和波浪是造成海岸和河口段海堤前沿滩地冲刷的主要动力因素。对于奉贤南门港段来说,ＳＷ～ＥＳＥ向的波浪是岸滩侵蚀淘刷的主要动力因素。波浪在底坡较平缓的浅滩上传播,当滩地水深小于2倍波高(ｄ>2 0Ｈ0)时,波浪将发生破碎,波浪的破碎引起水体的剧烈紊动,造成岸滩淘刷。     修建桩式离岸堤可以有效地消减堤后波高,减少波浪作用力,同时还可在很大范围内改变波浪的形态,即由引起水体剧烈紊动的破波转变为浅水推进波,从而达到保护岸滩的目的。根据波浪理论,当水深ｄ大于2倍波高(ｄ≥2Ｈ0)时,波浪基本上属于浅水推进波,波动的水质点作椭圆运动,在水底则作水平直线往复运动(椭圆短轴长度为零)。当波面出现波峰或波谷时,相应波浪底流速达到最大值,其值可用下式计算:     其中,Ｌ为波长;Ｔ为波周期,取Ｔ=0.68ｓ;Ｈ为波高,取堤后25ｍ处波高Ｈ′。     根据波浪试验结果(见表1),除个别情况外,5种方案所列各潮波组合中的水深满足条件ｄ>2Ｈ′,可按浅水推进波计算堤后最大波浪底流速,计算结果见表5。结果表明:在试验条件范围内,堤后水域最大波浪底流速的极大值为1.54ｍ/ｓ,此时潮位Ｚ=5.50ｍ、堤后波高Ｈ′=2.40ｍ(方案5);极小值为0.58ｍ/ｓ,此时潮位Ｚ=3.50ｍ、堤后波高Ｈ′=0.63ｍ(方案1)。当潮位位于4.0ｍ(略高于平均高潮位3.75ｍ)或以下时,各方案堤后水域波浪底流速的最大值仅为1 05ｍ/ｓ,由于该最大波浪底流速仅在瞬间出现,而且强度有限,因此刷滩的可能性大为降低。此外,经过桩式离岸堤的消浪作用,堤后水深与波高的比值ｄ/Ｈ′(=2 3～4 0),偏离浅水推进的条件较多,最大波浪底流速还有可能进一步降低,滩面泥沙也就更不容易淘刷下切。     当波浪斜向作用于透空桩式离岸堤时,同样应考虑桩间距的修正问题。以方案4为例,当波浪入射角α=20°、30°和40°时,有效桩间距为ｂ′=0.30、0.19和0.03ｍ,分别相当于波浪正向作用时方案3、方案2及连续板桩的水流条件,此时堤后水域最大波浪底流速可取相应方案的值。 表5　桩式离岸堤堤后最大波浪底流速     4、结　语     通过对桩式离岸堤消浪效果的试验研究及离岸堤堤后水域波浪底流速的分析,可得如下几点结论:     1)桩式离岸堤既可有效地消减作用于滩地上的波浪,又能在较大范围内改变波浪形态,使其由破波转变为浅水推进波,改善了滩上的水流波浪等动力条件,从而达到保护海滩免受波浪淘刷的目的。     2)桩式离岸堤的消浪效果主要与波浪大小、堤身高度以及桩间间距有关。就相对波高而言,在堤身相对高度和桩堤透空率一定的情况下,相对波高越大,消浪效果越好,在极限波高情况下(Ｈ₀/ｈ=0.7),消浪效果最佳;就堤身相对高度而言,在相对波高和离岸堤堤型一定的情况下,淹没状态时潮位越接近于堤顶高程,亦即堤身相对高度趋近于1时,桩式离岸堤的消浪效果越好;就桩式离岸堤的透空程度来说,在潮位和波浪条件一定的情况下,连续板桩堤的消浪效果较好,透空堤的效果相对略差,但透空堤之间差别有限。     3)桩式离岸堤的消浪效果试验是在水槽中进行的,仅适用于波浪正向作用情形。如为斜向波,应对桩间距进行修正。由于修正后间距减小,相当于桩式堤桩间间距减少、密度增加,一定程度上可以提高消浪效果。     4)试验结果表明,桩式离岸堤堤后水域的水深和波浪满足浅水推进波条件(ｄ≥2Ｈ₀),可用相应公式计算最大波浪底流速值。以奉贤南门港桩式离岸堤为例,当潮位位于平均高潮位附近及其以下时,最大波浪底流速仅约1.05ｍ/ｓ,冲刷滩地的能力大为降低,从而可以起到保滩的作用。