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开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡研究

2016-12-21张建锋王玉东侯海伟丁琦郭冬冬马兴华

中国港湾建设 2016年12期
关键词:水深连云港航道

张建锋,王玉东,侯海伟,丁琦,郭冬冬,马兴华

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002)

开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡研究

张建锋1,王玉东2,侯海伟1,丁琦1,郭冬冬1,马兴华1

(1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002)

安全、经济地确定航道边坡坡度意义重大。依托连云港徐圩港区5万~10万吨级航道工程,在现场观测分析的基础上,从岩土整体稳定角度和波浪动力角度,研究提出了开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡设计方法。结果表明,在连云港徐圩航道区域,航道边坡坡比采用1∶7是基本稳定的;选用无侧限抗压试验指标作为航道边坡岩土稳定分析计算参数,提升了岩土整体稳定分析手段在航道边坡设计的作用;首次采用波浪摩阻流速研究了不同浪级、波向、坡度、航道等级条件下波浪动力对航道稳定性的影响。

航道边坡;设计方法;开敞海域;深挖槽

稳定边坡与水深、地质、开挖厚度、潮流、波浪、船行波等因素有关,而现行规范仅根据地质资料采用查表法确定,因此有必要开展航道疏浚边坡试验观测及研究。

本次研究在连云港徐圩港区5万~10万吨级航道疏浚边坡连续观测的基础上,开展分析研究岩土整体稳定计算和波浪动力影响计算,确定了设计边坡,并形成了开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡设计方法,经实践验证,可为同类工程航道疏浚边坡的确定与评价所借鉴。研究成果已纳入863成果《开敞海域淤泥质浅滩深水航道建设关键技术研究》[1]。

1 依托工程概况及自然条件

1.1 依托工程概况

研究依托连云港徐圩港区5万~10万吨级航道疏浚工程。其中5万吨级航道设计底标高-11.5 m,10万吨级航道设计底标高-13.3 m。徐圩航道平面布置见图1。

图1 航道平面布置示意图Fig.1 Layout of the channel

1.2 风、潮流、波浪情况

工程区域常风向为偏E向,ESE向出现频率为11.4%,E向出现频率次之,为10.3%。强风向为偏N向,6级以上(含6级)大风NNE向出现频率为1.9%。6级以上大风一般发生在7月中旬—9月上旬(台风)和11月—翌年3月(寒潮)[2]。

连云港海区潮流为不正规半日潮流,外海为逆时针旋转流,近岸过渡为往复流,流向顺岸,流速分布近岸小、外海大,垂线平均流速一般都在0.5 m/s以下,最大不到1 m/s。

波型主要为风浪,占62.6%;以涌浪为主的混合浪次之,占27.9%,其它为混合浪。常浪向为偏NE向,出现频率26.41%,E向次之,为18.40%。强浪向为偏N向,1.5 m以上的波高NNE向出现频率为2.13%,NE向次之,为1.79%。大于2 m波高出现率为1.5%,波高大于0.5 m的出现率占44.2%。

1.3 工程地质情况

疏浚范围基本为①层淤泥,灰色,饱和,流塑,土质均匀,局部间夹粉砂薄层[2]。工程地质性质差。

2 航道疏浚边坡现场观测

2.1 航道边坡

徐圩港区5万吨级航道边坡为1∶7,10万吨级航道试验边坡为里段1∶7,外段1∶10[2-3]。

2.2 观测成果

结合5万~10万吨级航道疏浚工程进行的观测,获得的可适用的观测数据见表1所示[2-3]。

表1 观测成果情况一览表Table 1 List of observation information

3 航道疏浚边坡稳定性分析

3.1 疏浚边坡成槽情况

对比设计断面和浚挖断面(固定断面D6')边坡情况,浚挖后的边坡坡度基本与设计一致,可以据此进行边坡研究的统计分析。断面比较图详见图2。

图2 断面比较图Fig.2 Comparison of design section and dredged section

3.2 测量数据的边坡概化处理

获得的边坡观测数据,存在如下问题:

1)一般而言,疏浚施工浚挖边坡,是采用分层台阶状浚挖,导致浚挖后的边坡与设计边坡线存在一定的差异,局部区域存在一定的台阶形状。

2)限于浚挖、测量等条件,边坡数据存在一定的起伏,难以如设计边线成一直线。

3)限于现场测量技术水平,边坡数据在同一断面位置,存在横向或纵向上的偏差。

上述问题,为边坡变化的定量分析带来了困难,为解决上述问题,本次分析引进概化的方法。

概化方法:根据边坡观测数据,采用线性回归分析的方法,确定一个概化边坡,边坡概化示意图见图3。

图3 边坡概化示意图Fig.3 Slope generalization plot

概化的合理性:从统计分析来看,相关性在0.9~0.99,说明概化后的边坡对实际边坡的代表性较好,采用该种方法研究是合理的。

概化后边坡研究的可行性:经过概化后,任何测量的边坡均变为一直线,代表了一个坡值,从观测时间上来看,可以较为简单的直接进行对比分析,其研究方法具有较好的可行性。

3.3 概化后的边坡稳定性分析

经对分组1~3边坡稳定性进行分析(图4所示为分组2边坡变化情况),有如下结论:

图4 分组2概化边坡变化图Fig.4 Variations of generalized slope of group 2

1)总体上来看,边坡基本稳定,无论是1∶7或者1∶10的浚挖边坡,未发现有坍塌的现象;

2)按照1∶7设计并进行浚挖的边坡,虽然浚挖后边坡各不相同,但大都与之相近,基本上有一定幅度的变缓;

3)按照1∶10设计并进行浚挖的边坡,总体上比较稳定;

4)有变化的边坡,经过一定时间,边坡能够趋于稳定,从上述观测资料来看,8个月后基本能够稳定;

5)稳定的边坡,与最初浚挖成型的边坡,有一定的关系,原本浚挖的陡坡断面,稳定后的边坡相对要陡,并非不同的边坡稳定后均趋向于同一个值。

4 航道疏浚边坡岩土整体稳定性分析

4.1 计算方法及计算公式

根据相关规范及经验,考虑采用毕肖普条分法作为航道疏浚边坡岩土稳定分析方法。计算公式采用JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》规定公式。

4.2 抗剪强度指标的确定

开挖后航道边坡属于卸荷边坡,在选用验算边坡稳定指标时,三轴不固结不排水剪和三轴固结不排水剪指标均不符合实际情况,而无侧限抗压强度是围压为零的总强度,与边坡开挖的情况较为接近。因此,航道边坡岩土稳定分析可采用无侧限抗压强度指标,其他作为对比。

4.3 徐圩航道疏浚边坡整体稳定性分析

4.3.1 土层物理力学指标

土层物理力学指标见表2。

表2 土层物理力学指标Table 2 Physical and mechanical indexes of soil

4.3.2 计算结果

计算工况及计算成果见表3。

表3 计算工况及计算结果Table 3 Calculation conditions and reckoned results

4.3.3 物理力学指标及计算结果选用

综上所述,本文推荐采用无侧限抗压强度指标计算γR:

当m=1∶5时,γR基本在1.2~1.35;

当m=1∶7时,γR基本在1.5~1.6;

当m=1∶10时,γR基本在2.0~2.1。

考虑到航道的情况比较复杂,受风浪、水流等的作用,条件非常恶劣,因此综合考虑γR抗力分项系数取JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》规定的上限,即取1.5较为合适。根据整体稳定分析计算结果及抗力分项系数取值,航道稳定边坡宜取1∶7。

5 航道疏浚边坡波浪动力影响分析

5.1 研究方法及内容

波浪动力影响分析采用南京水利科学研究院波浪模型所推算的连云港海域的波要素[4],根据公式计算大、中风天波浪条件下,滩面、航道边坡及航道底部的波浪底摩阻流速,分析航道典型横断面上的波浪底摩阻流速分布特征,并结合连云港、徐圩海域泥沙水动力特性试验中泥沙起动的研究成果,分析各种波浪条件对航道疏浚边坡上泥沙起动的影响程度,从而判别其对开挖边坡稳定的影响[3]。

5.2 航道横断面波浪底摩阻流速分布特征

波浪作用下的底摩阻流速

式中:fw为波浪底摩阻系数,取0.01;H为波高,采用波浪模型推算的H1/10;T为波浪周期;k为波数;h为水深。

1)不同浪级、波向影响

波浪底摩阻流速受水深和波高的直接影响,反映出滩面大于航槽、低水位大于高水位、10级风浪大于7级风浪的规律,不同波向下横断面的分布规律很接近。

在边坡附近,波浪底摩阻流速由滩面向航槽有较为明显的减小,其分布线的形态与航道设计断面的形态十分接近。

总体而言,迎波面边坡附近的波浪底摩阻流速要略大于背波面,高水位时此现象更明显。

徐圩10万吨级航道4 m水深断面波浪底摩阻流速分布(N向风,边坡1∶5)见图5。

图5 波浪底摩阻流速分布示意图Fig.5 Wave friction velocity distribution

2)不同边坡坡度影响

边坡的差异仅影响坡面附近的波浪底摩阻流速,两种边坡坡度下,波浪底摩阻流速的分布均在边坡处有较为明显的突变,且基本随水深的变化而线性变化,分布线的形态与航道设计断面的形态也十分接近。

3)不同航道等级影响

航道等级的差异对两侧滩面波浪底摩阻流速的影响很小,而对坡肩线以内的波浪底摩阻流速的分布影响很大,其分布线形态与航道设计断面基本保持一致。

4)航道沿程变化

滩面处的波浪底摩阻流速随滩面水深的增加而变小;坡肩以内的波浪底摩阻流速随水深增大而减小;而坡底线以内,波浪底摩阻流速的沿程变化不大。波浪底摩阻流速的分布形态总体上依然与航道设计断面基本保持一致。

5.3 波浪动力作用边坡深度的确定

泥沙的临界起动摩阻流速参考了中科院力学研究所连云港主航道淤泥临界起动试验成果[5]、天科所连云港主航道及徐圩航道泥样的泥沙水动力特性试验成果[6-7]以及其它与连云港相关的泥沙研究成果[8]。本次研究中取5 cm/s和3 cm/s两组起动摩阻流速进行分析。

表4列出了徐圩10万吨级航道在NE向波浪作用下,5 cm/s的临界起动摩阻流速对应的临界起动水深。“>”或“<”代表该断面上的波浪底摩阻流速均大于或小于临界起动摩阻流速;灰色格代表临界起动水深位于滩面上。

表4 航道边坡泥沙临界起动水深 mTable 4 Critical depth where sediment incipient motion happens on the slope of channel

7级风作用下,波浪底摩阻流速能达到5 cm/s的水深范围较小,且基本发生在低水位时刻,出现位置大致在8 m等深线以内。10级风的影响深度要显著大于7级风,高水位下泥沙能起动的范围为11~13 m等深线,而低水位下15 m等深线以内的均能出现泥沙起动。7级风和10级风作用下,随着滩面水深的变小,对应边坡上的临界起动水深均会减小。迎波侧边坡上的临界起动水深总体上要大于背波侧边坡上的临界起动水深。航道浚深后,边坡上的临界起动水深总体上略有减小;1∶5与1∶10的坡度相比,边坡上的临界起动水深相差不大。

3 cm/s临界起动摩阻流速对应起动水深的规律与5 cm/s临界起动摩阻流速类似,由于临界起动摩阻流速较小,各种工况、波浪条件作用下的临界深度均有所增大。

6 结语

开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道疏浚边坡坡度关乎开挖后的航道稳定性和航道的正常营运,也与基建及维护费用息息相关,因此,安全、经济地确定航道边坡坡度意义重大。本文依托连云港徐圩5万~10万吨级航道工程开展了航道疏浚边坡研究。

1)改进了观测方法和分析方法,采用岩土整体稳定分析方法研究了航道边坡稳定坡度,采用波浪摩阻流速研究了波浪动力对航道稳定性的影响,在此基础上,提出了疏浚边坡设计流程,形成了开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡设计方法,为合理确定开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道边坡提供技术依据。

2)本次航道疏浚边坡现场观测及稳定性分析表明,在连云港徐圩航道区域,航道边坡坡比采用1∶7是基本稳定的。

3)本次研究开展了航道疏浚边坡岩土整体稳定性分析。通过全面分析比较工程中常用物理力学指标的试验方法及特点,结合航道疏浚开挖特点,研究明确提出选用无侧限抗压试验指标作为航道边坡岩土稳定分析计算参数,提升了岩土整体稳定分析手段在航道边坡设计中的作用。

4)本次研究开展了航道疏浚边坡波浪动力影响分析。从对本海域地形塑造起主要作用的波浪这一动力因素上着手,首次采用波浪摩阻流速研究了不同浪级、波向、坡度、航道等级条件下波浪动力对航道稳定性的影响,有效地填补了这一研究领域的空白。

[1] 中交上海航道勘察设计研究院有限公司.开敞海域淤泥质浅滩深挖槽航道总体设计关键技术研究[R].上海:中交上海航道勘察设计研究院有限公司,2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.A study on key technologies for the master design of a deepcutchannelintheexposedshallow shoal[R].Shanghai:CCCCShanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2014.

[2]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.连云港港30万吨级航道一期工程初步设计[R].上海:中交上海航道勘察设计研究院有限公司,2010. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.Engineering design for Phase I of the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2010.

[3]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.连云港港30万吨级航道工程科研项目航道疏浚边坡观测研究[R].上海:中交上海航道勘察设计研究院有限公司,2014. CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co., Ltd.An observational study for the dredged slope in the 300 000 DWT approach channel to Lianyungang Port[R].CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2014.

[4] 南京水利科学研究院.水动力条件下深挖槽稳定边坡研究波浪场推算[R].南京:南京水利科学研究院,2015. Nanjing Hydraulic Research Institute.Wave field projections for slope stability study of deep-cut channel under the hydrodynamic conditions[R].Nanjing:NanjingHydraulicResearchInstitute,2015.

[5] 中国科学院力学研究所.连云港航道底泥及浮泥的临界起动条件试验研究[R].北京:中国科学院力学研究所,2010. Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences.An experimental study on the incipient motion condition of sediment and floating sludge in Lianyungang channel[R].Beijing:Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2010.

[6]交通运输部天津水运工程科学研究所.连云港主港区航道淤积泥沙水力特性试验研究报告[R].天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,2008. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O. T.Anexperimental study on hydraulic characteristics of silt deposits in Lianyungang main port channel[R].Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,2008.

[7]交通运输部天津水运工程科学研究所.连云港徐圩港航道泥沙水力特性试验研究报告[R].天津:交通运输部天津水运工程科学研究所,2009. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T. An experimental study on hydraulic characteristics of sediments in the approach channel to Xuwei Terminal of Lianyungang Port[R]. Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,2009.

[8] 虞志英,陈昌德,张勇,等.连云港淤泥质岸滩水动力特征及人工吹泥条件下的岸滩演变[C]//连云港回淤研究论文集.南京:河海大学出版社,1990:56-68. YU Zhi-ying,CHEN Chang-de,ZHANG Yong,et al.The hydrodynamic characteristics of the muddy coast in Lianyungang and the coastal evolution under artificial mud blowing[C]//Pro-ceedings of siltation study for Lianyungang Port.Nanjing:Hohai University Press,1990:56-68.

Study on slope for deep-cut channel in exposed muddy shallows

ZHANG Jian-feng1,WANG Yu-dong2,HOU Hai-wei1,DING Qi1,GUO Dong-dong1,MA Xing-hua1
(1.CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China; 2.CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200002,China)

It is of great significance to determine the gradient of channel slope on a stable and cost-effective basis.Based on the 50 000~100 000 DWT channel project in Xuwei Terminal of Lianyungang Port as well as the analysis of site findings and measurements,we proposed the methods for the design of slope gradient of the deep-cut channel in the exposed muddy shallows from the view of overall soil stability and wave dynamics.The results show that it is stable to set the channel slope at 1∶7 in the area of Xuwei Terminal of Lianyungang Port;choosing the unconfined compressive test index as the calculation parameter of stability analysis of rock slope enhances the role of geotechnical stability analysis in the design of channel slope; the influence of wave motions on channel stability under different waves,wave directions,gradients and channel gradients was studied for the first time.

channel slope;design methods;open sea;deep-cut channel

U612.32

A

2095-7874(2016)12-0008-06

10.7640/zggwjs201612002

2016-07-22

2016-08-26

国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA112509)

张建锋(1979— ),男,浙江桐乡人,高级工程师,研究方向为航道和疏浚工程。E-mail:1042173535@qq.com

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