大潮差粉砂底质环境下海堤的防冲刷措施

李雅婷，王骋环

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

大潮差粉砂底质环境下海堤的防冲刷措施

李雅婷，王骋环

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

辐射沙洲海岸水体含沙量高，水沙动力条件复杂，滩槽边界易发生变化。通州湾港区位于南通市腰沙、冷家沙区域，地处辐射沙洲南缘，低潮时滩面出露，潮差大。通州湾港区需通过大面积围填高滩形成港区陆域，海堤建设是陆域回填的前提条件，防止堤前冲刷是保证海堤安全的关键问题。结合波浪、潮流、地形变化情况等基础资料，分析海堤堤前冲刷形态、影响范围，研究确定海堤防冲刷措施。经过比选，工程中采用了砂肋软体排结合块石压载预防护方式，达到了预期的防护效果。

通州湾港区；大潮差；粉砂底质；海堤；冲刷深度；措施

海堤工程是沿海地区或涉海工程防御潮（洪）水侵袭的重要工程设施，是港区陆域围填的前提条件。为确保海堤工程在设计条件下安全使用，有效防御潮（洪）水危害，海堤设计时应满足稳定、渗流、变形、抗冲刷等涉及工程安全的基本要求。

通州湾港区位于南通市腰沙、冷家沙区域，地处辐射沙洲南缘，为粉砂质海岸，潮汐作用强烈、潮差大，泥沙运动与波浪、潮流、潮位等因素密切相关。规划港区体量巨大，需在陆域吹填前形成约150 km的岸线。粉砂地质环境下防止堤前冲刷是保证海堤安全的关键问题。本文以通州湾腰沙围垦一期通道一阶段工程为背景，结合波浪、潮流、地形变化情况、潮流数值模拟等基础资料，分析海堤堤前冲刷形态、影响范围，研究确定海堤防冲刷措施。

1 基础资料分析

1）泥沙

腰沙西部近岸区的沙体底质中值粒径0.059耀0.120 mm，为典型的粉砂质岸滩。粉砂质泥沙易起动、动态性强，沉降速度大、易于沉降。水动力较强时泥沙快速起动、随着波浪潮流作用移动至其他海域；水动力减弱时，泥沙又快速沉降。因此工程区域的泥沙动态性表现为快冲快淤，在工程建设前后的地形变化中得到了验证。

工程区域原始滩面较高，水深相对稍浅，堤前波浪作用以破碎波为主，由于底沙较细，回落波将大量泥沙带离堤脚，堤脚发生冲刷，距堤稍远处形成淤积，随着时间推移，堤脚处冲刷坑加不断加深[1]，形成顺岸沿堤潮沟，成为涨落潮流的主要通道。在波浪往复流作用影响下堤前冲刷发展迅速，堤前水深加深后，堤前冲淤形态随之发生变化，随着建设后半年间进行着地形-水流的自行反馈调整，潮沟宽度呈现缩窄、滩面回淤趋势。

2）水动力

淤波浪

工程位于辐射沙洲南翼，水下地形较为复杂。外海偏北向及偏东向的波浪进入该地区后，一方面在受到地形、底部摩阻等多种因素的作用，波浪发生较大的变形，波高衰减较快；另一方面波浪在传播过程中沿程继续受到风的作用，相当一部分风能转化为波能，使波高又有所增加。

工程区域冬季以偏北方向波浪为主，夏季以偏东南向浪为主，外海NE、E和SE向的涌浪亦可传入该水域。一期通道一阶段工程堤线为“L”形布置，由西向东筑堤5 km后向南筑堤2.5 km至腰沙砂脊线，堤身两侧受到各向波浪的影响，其中最大波浪为NE向3.18 m（25 a一遇）。在多个方向的波浪同时作用下，堤头或堤前水流紊乱，易形成回漩水流，形成复杂的冲刷过程[2]。

于潮流

工程区域主要受东海前进波控制，外海潮波进入浅水区后，在近岸地形影响下形成驻波，表现出中潮位附近流速最大；潮汐调和常数比值小于0.5，潮汐性质属正规半日潮。潮汐作用强烈，浅滩区潮流主要表现为涨潮漫滩和落潮归槽的运动形式，平均潮差3.53 m，最大潮差可达7.31 m。

采用张瑞瑾公式[3]计算工程区域泥沙启动流速为0.35~0.40 cm/s。

根据实测资料，表层海水大潮期间涨潮最大流速1.14 m/s、落潮最大流速0.93 m/s，小潮期间涨潮最大流速0.42 m/s、落潮流速0.48 m/s；底层海水大潮期间涨潮最大流速0.69 m/s、落潮最大0.55 m/s，小潮期间涨潮最大0.35 m/s、落潮最大0.39 m/s。实测流速大部分时间均高于泥沙的启动流速，工程区域的潮流水流动力和挟沙能力强，对底沙的影响程度较大。

3）工程建设影响

通州湾港区位于开敞海域，工程建设过程中海堤与潮流、波浪形成一定的角度。根据地形和潮流特征，在高潮转低潮或低潮转高潮过程中，都会产生漫滩水流，当工程逐步推进时会改变漫滩水流的流向，海堤施工后将产生一定的堤头绕流和沿堤流，对堤外滩地产生冲刷作用，同时海堤转角及堤头附近因局部挑流流速增大。因此无论是施工过程中还是建成后，同样会面临堤身坡脚滩面冲刷问题。

2 确定冲刷影响范围

目前国内外研究提出的计算堤岸防护工程冲刷深度的公式繁多，主要有经验公式、半理论半经验公式和规范公式。经验公式一般是根据一定的野外和室内实测或调查资料、利用量纲和谐和多变量回归的方式得出，如前苏联马卡维也夫、南科院应强等推导出的公式[4]。半理论半经验公式多以泥沙起动平衡理论为基础、假定后推导出的公式，并根据试验、现场资料或调查资料确定有关参数，如前苏联阿尔图宁、方达宪、张红武等推导出的公式[4]。规范公式要求根据水流条件、边界条件以及观测资料分析、验证选用。各类公式的侧重点不同，计算结果差值较大，因此考虑结合工程区域的实际情况采用规范公式推算冲刷深度、并根据一期通道一阶段工程工前工后实测地形对比验证推算结果。

1）规范公式推算冲刷深度

淤JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》

本工程堤前沙质海底冲刷形态为相对细沙型（见图1）。根据规范公式[5]，推算堤前冲刷范围为5~19 m，冲刷谷最大深度为0.5~1.4 m。

图1 堤前沙质海底冲刷形态Fig.1 The scouring form of sandy bed in front of sea dike

于GB 50286—2013《堤防工程设计规范》

工程区位于腰沙根部，50%~70%时间处于露滩状态，工程建设对周边区域的水动力环境影响较大，由于一期通道实施过程中未形成封闭围区，因此施工推进过程中的堤身两侧及堤头冲刷按非淹没式丁坝冲刷形态考虑。

根据规范公式[6]，推算东西向通道堤头冲刷深度8.2~9.8 m，南北向堤头冲刷深度10 m；堤身顺岸方向冲刷深度1.7~2.5 m。

2）工程建设过程中的地形变化情况

一阶段工程施工过程中，通道两侧形成了沿堤潮沟，并在东西向堤头、南北向堤头形成了较大的冲刷坑。

根据2014年8月实测地形图，通道两侧沿堤潮沟冲刷深度2~3 m，潮沟至堤脚距离6~15 m。东西向堤头滩面（见图2）最大冲刷深度8.3 m，冲刷坑至堤头距离20~105 m、冲刷影响范围>200 m；堤头受N、NE、E、SE方向波浪影响，其中N、NE为强浪向，由于预留了向东延伸的衔接段，在涨落潮流作用下冲刷坑位于堤头的东侧、南侧。南北向堤头滩面（见图3）最大冲刷深度7.9 m，冲刷坑至堤头距离27~65 m、冲刷影响范围>160 m；堤头受NE、E、SE、SW等方向波浪影响，其中NE、E为强浪向，在涨落潮流作用下冲刷坑位于堤头的东南侧。

图2 东西向堤头实测地形图Fig.2 The measured topographic map of the east-west dike head

图3 南北向堤头实测地形图Fig.3 The measured topographic map of the south-north dike head

3）规范公式计算结果与实测资料对比分析

根据《防波堤设计与施工规范》公式计算的堤前冲刷范围与堤身两侧的实测资料较为接近，但冲刷谷最大深度偏差较大。根据《堤防工程设计规范》公式计算的堤头冲刷深度比实测资料略大、顺岸冲刷深度略小。

根据对比结果，工程区域堤身两侧冲刷影响范围采用《防波堤设计与施工规范》公式的计算结果是可行的，堤头及顺岸的冲刷深度采用《堤防工程设计规范》公式的计算结果更为合理。

3 冲刷防护措施

海堤堤前冲刷防护可采用抛石、砂肋软体排、混凝土铰链联锁板等主动防护形式，或者采取在海堤外侧修建与堤身成一定夹角的丁坝群的间接防护方式。工程区域为高滩区域，各种防护方式各有利弊（见表1），综合考虑防护效果、施工难度、工程造价等多方面因素，最终选用砂肋软体排结合块石压载的预防护方式（见图4）。通过堤身底部及两侧堤前滩面防护范围铺设砂肋软体排，堤前防护范围内的软体排上抛填块石压载层。防护结构层厚度较薄，不会加剧水流的紊动，可适应滩面冲刷变形，防止滩面粉砂层进一步流失，减弱沿堤流对堤身结构安全的影响；堤身底部的砂肋软体排既提高了海堤整体稳定性，又可作为施工过程中的堤头超前防护、减弱堤头绕流对滩面的冲刷。砂肋软体排结合块石压载的预防护方式在一期通道二阶段工程、二期通道工程、匡围工程等工程中均有运用，达到了预期的防护效果。

表1 冲刷防护措施比较表Table 1 Comparison of scour defense measures

图4 堤头防护示意图Fig.4 The sketch map of scour defense on the dike head

4 结语

潮流是影响大潮差粉砂底质海区的主要动力，随着通州湾港区大范围工程建设的开展，流场将持续处于动态变化过程中，工程水域也将不断进行地形-水流的自行反馈调整。因此堤前滩面冲刷始终是影响海堤安全的重要因素，在工程建设过程中应根据工程区域流场、泥沙特性、海堤布置形态，选择有效防护、经济合理的冲刷防护措施。

[1]高学平，张亚.波浪作用下堤前沙质海床冲淤形态[J].天津大学学报，2004，37（5）：459-465.

GAO Xue-ping,ZHANG Ya.Scouring patterns in front of break原waters under the action of different waves[J].Journal of Tianjin University,2004,37(5)：459-465.

[2]毛昶熙，段祥宝，毛佩郁，等.堤防渗流与防冲[M].北京：中国水利水电出版社，2003：419-450.

MAO Chang-xi,DUAN Xiang-bao,MAO Pei-yu,et al.Seepage of dikes&scour defence[M].Beijing:China Water&Power Press, 2003：419-450.

[3]GB/T 51015—2014，海堤工程设计规范[S]. GB/T 51015—2014,Code for design of sea dike project[S].

[4] 万艳春，黄本胜.丁坝坝头局部冲深计算方法综述[J].广东水利水电，2003（2）：52-54.

WAN Yan-chun,HUANG Ben-sheng.Review to calculation methods for the local scour depth of spur dike[J].Guangdong Water Resources and Hydropower,2003(2):52-54.

[5]JTS 154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S]. JTS 154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters [S].

[6]GB 50286—2013，堤防工程设计规范[S]. GB 50286—2013,Code for design of levee project[S].

Dike scour defense measures under large tidal range and silty-sand foundation

LI Ya-ting，WANG Cheng-huan
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The radial sandbar coast has the following hydraulic features:high sediment concentration,complex hydrosediment dynamic activities and changeable swale boundary.Tongzhou Bay port area is located in Yaosha and Lengjiasha area of Nantong city,stands on the southern margin of the radial sandbar with large beach surface exposure at low tide and large tidal range.It requires massive land reclamation to form the land area in the port,sea dike construction is the prerequisite of land reclamation,and to prevent scouring the dike front is the key to ensure the safety of sea dike.Combined with the basic data of wave,tidal current,topographical change and etc.,we analyzed the scouring pattern and influence scope of the sea dike front and determined anti-scour measures for the sea dike.After the selection,the sand rib soft mattress combined with stone ballast prevention and protection method is adopted in the project,and achieved the desired protective effect.

Tongzhou Bay port area;large tidal range;silty-sand foundation;sea dike;scouring depth;measure

U652；TV148

A

2095-7874（2017）04-0059-04

10.7640/zggwjs201704014

2017-02-27

2017-03-18

李雅婷（1974— ），女，福建漳州人，高级工程师，交通土建专业。E-mail：liyt@theidi.com