粉砂淤泥质匡围工程中滩涂变形特征及相关应对措施

蔡丽忠，胡 正

（中交上航局上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

粉砂淤泥质匡围工程中滩涂变形特征及相关应对措施

蔡丽忠，胡 正

（中交上航局上海交通建设总承包有限公司，上海 200136）

江苏沿海粉砂淤泥质海岸由于滩涂条件、土质条件的特殊性，对水流变化敏感，滩涂受干扰极易发生变形破坏。通过总结破坏类型，归纳应对措施，研究破坏影响因素，希望引起相关单位重视对滩涂变形破坏内在机理的理论研究，也为后续相关工程的实施积累经验。

粉砂淤泥质滩涂；变形破坏；理论研究

0 引言

江苏沿海粉砂淤泥质滩涂海岸总长884 km，约占全省总岸线长度的93%，是江苏沿海最主要的海岸类型[1]。相关地质资料表明：江苏沿海滩涂淤积物颗粒组成特殊、土层深厚、场地表层主要为粉细砂层，颗粒细小，分布均匀，无黏性[2]。而江苏沿海浅滩区均表现为涨潮漫滩和落水归槽的运动形式[3]，表层土对水流变化反应强烈，容易发生冲刷等地形变化；同时由于土质无黏性，堤基易发生渗透破坏，渗透变形机理复杂，难以定量甚至定性分析。因此急需通过分析海洋动力作用与大范围粉沙淤泥质潮滩、潮沟等动力地貌的响应机制，归纳破坏原因、类型，为现场采取应对措施提供决策[4]。

1 江苏沿海粉砂淤泥质滩涂变形破坏类型

江苏沿海粉砂淤泥质滩涂变形破坏主要有冲刷破坏和渗透破坏两种类型。其中冲刷破坏根据破坏原因又可分为表层低滩水冲刷破坏以及堤身翻水冲刷破坏。

1.1 冲刷破坏情况

1.1.1 低滩表层水的冲刷破坏

低潮滩面存在较多的冲刷凹地，一些凹地在潮滩淤长过程中因汇水性较差而淤积消失，一些汇水性较好的凹地则不断向岸延展伸长，并在滩地微地貌的影响下出现分汊型冲沟，各冲沟支汊不断溯源侵蚀发育成滩面水流冲刷型或潮流辐聚侵蚀型潮沟系统[5]。

根据沟槽和围堤主体相对位置关系，冲刷破坏类型主要包括：

1）形成与堤身平行的沿堤流冲沟，侵蚀堤脚，危及堤身安全，见图1；

2）形成与堤身垂直的贯通槽，冲毁地基，最终发展为龙口口门，见图2；

3）堤身推进过程中，堤头绕堤流破坏地基土，形成端部深坑。

图1 滩地发生冲刷破坏形成沿堤河（顺堤轴方向）Fig.1 Scouring and destruction of the beach area along the dike(along the dike axis)

图2 堤基发生冲刷破坏（垂直堤轴方向）Fig.2 Scour destruction of embankment (vertical dike axis direction)

低滩水流冲刷破坏发生于开工后的各个时期，几乎伴随工程全过程。工程实施过程中，两个时期的冲刷变化破坏影响程度最大：

1）围堤急剧抬升过程中，设计口门与大型沟槽连通过程中，龙口形成前；

2）围区形成基本轮廓形状，但未完成封堵前。

1.1.2 堤身翻水冲刷破坏

围区堤身未到顶前，涨潮过程中，已初具形状的围区将对进出水流造成阻碍，导致围区内外水位差增大。当外侧水位涨至与已有堤身袋体齐平高程后，继续上涨的潮水翻过堤身涌向围区内，形成跌水现象。翻跌入库的水流由于蕴含巨大的能量，冲击棱体内侧堤脚袋体和滩涂，由此造成相应的破坏，见图3、图4。

图3 围堤内侧堤脚被冲刷破坏图Fig.3 The embankment toe on the inner side of the embankment was destroyed by erosion

图4 顶层袋体拼缝处被翻水扯撕Fig.4 Top of the pouch at the seam was turned the water off to tear

翻水破坏主要发生与堤身抬升过程中，在棱体顶部临时实际高程低于现场高潮位时，其发生概率较大。

1.2 渗透破坏

1.2.1 江苏沿海滩涂常见渗透破坏类型及特点

管涌与流土是工程中常见的两类渗透破坏类型，通常发生在堤基土。但工程中，常把流土现象也归结到管涌中。管涌发生后随着砂粒的不断析出流失，孔洞的直径逐渐增大，它的深度也逐渐向堤身或堤基土内部不断延伸增大。一旦与土体内部的已有孔洞连通，迅速发展为管道内集中涌水流土的现象，严重后果是堤下土体内渗水通道的塌陷，造成堤防不均匀沉降和整体失稳[6]。

相关研究表明：苏南沿海滩涂垦区土壤多为高钠盐土粉（砂）土，结构性很差，坍塌淤积现象严重。沿海淤积土，土层具有成层性，管涌渗透破坏主要发生在粉砂中，而流土则主要发生在轻粉质砂壤土中[7]。

1.2.2 渗透破坏发生阶段

渗透破坏一般易发生于两个阶段：

1）合龙过程中：合龙过程中，围堤尚未实现设计断面前，此时堤身来不及加固，断面最小，渗透路径最小。一旦水位差增至临界时，堤基变形破坏将立即发生（图5）。需注意的是：在合龙过程中，龙口中用于封堵施工的抛石坝发生破坏的可能性也将显著增加。

图5 受渗透破坏后堤身塌陷Fig.5 The collapse of the embankment after infiltration damage

2）围区轮廓初成，堤身未加固前：合龙封堵完成初期，堤身加固未完成前，局部薄弱区段的堤身断面无法抵御过大水位差的影响，见图6。

相关工程实例表明，这两个阶段的堤基最容易突发渗透破坏现象。渗透破坏一般发生较为突然迅速，令人防不胜防。

图6 堤身渗透破坏扩大后生成新龙口Fig.6 Damage to the expansion of the infiltration of the body to generate new closure gap

2 滩涂变形破坏主要影响因素及破坏原因分析

2.1 表层低滩水冲刷破坏原因分析

由于落水归槽的影响，冲刷具有渐变性破坏特点。匡围工程堤身抬升，施工扰动致使流场改变，原有滩地动态平衡被打破后，导致地形变化，形成小窜沟，小窜沟汇聚滩涂低滩水流，进一步冲刷滩地，破坏范围增大，汇聚更多水流，能量加大，再冲刷滩涂，滚动发展，最终形成一定规模，影响较大的冲沟[8]。

落水归槽是高滩滩涂破坏的本质内因，扰动导致的流场改变是外因。外因破坏原有平衡，平衡调整过程中，滩涂原有平静被打破，破坏发生，进一步加剧外因变化，流场、滩涂地形、扰动三者处于一种动态相互影响中。

2.2 堤身翻水破坏原因分析

翻水过程中，流速急剧增加，冲刷围区棱体内侧袋体，造成翻水冲刷破坏现象。由于水流能量集中于短时间内释放，巨大的冲能使棱体内侧袋体从拼缝处撕裂，使滩涂突然冲刷形成深坑。具体变化情况及相关分析见图7。

图7 围堤棱体未出水前，涨潮过程中流速变化示意图Fig.7 The flow velocity change during the flood tide before the embankment prism is not out of water

翻堤身跌水破坏尤其对棱体内侧堤脚袋体及内侧滩涂，破坏最为明显。下层袋体破坏或内侧滩涂变形破坏后，导致棱体内侧堤脚大范围破损，继而影响整个堤身袋体安全。同时，流速的急剧增加，水流冲刷顶层尚未固结的袋体，造成扯撕现象。过程迅速，破坏剧烈。

2.3 渗透破坏原因分析

研究堤基土体的渗透破坏特征，其目的是为控制堤坝的渗透破坏、制定防渗措施提供科学依据。对于沿海滩涂围垦工程中的堤防堤基渗透破坏的研究目前极少。尚不能从机理上对渗透破坏的成因进行分析，更无法采用通用的简单化公式判别堤基渗透变形的类型及发生渗透变形的动力条件[10]。

颗粒级配分布特征决定了土体发生渗透破坏的临界水力坡降，苏北沿海土体颗粒粒径为0.005~0.075 mm的含量高，几乎达到50%以上，土的渗透系数在10-5~10-4之间，渗透性中等。因此，土体发生渗透破坏的临界水力坡降较大[11]。渗透破坏主要影响分析具体见图8[9]。

图8 渗透破坏分析鱼刺图Fig.8 Fishbone diagram of penetration damage analysis

3 江苏沿海滩涂匡围工程变形破坏的应对措施

3.1 滩地冲刷破坏

施工扰动发生后，滩涂表层地基土的冲刷破坏几乎不可避免，只能通过采取相关措施降低破坏影响，减少相应损失。应对的主要措施包括：

1）重视护底，增强堤基抵抗冲刷破坏能力。

护堤先护脚，护底措施是隔绝水流对地基的影响，维护土体的稳定，确保堤身稳定的关键手段。一般采用铺设软体进行护底防护。从施工图设计阶段开始，就必须重视护底方案的设计：设计护底材料、验算压载方式，重点关注护脚平台及护滩余排的设计方案，充分留有余量。

施工过程中，对于低滩区域及破坏严重的堤基位置尤其需要重视软体排的实施，防止滩面条件的进一步恶化。

2）保滩施工措施

高滩匡围过程中，新构筑的棱体附近滩涂极易生发形成沿堤轴方向的沿堤流沟槽，并且沟槽不断摆动导致围堤下蚀，最终造成堤身失稳而溃堤[12]。防范围堤实施过程中新生沟槽对堤身棱体的冲刷破坏影响相当关键。在工程实施过程中，需严密注意。

常见的保滩措施主要有以下几方面。

淤构筑丁坝。构筑丁坝的目的：对堤脚处沿堤流进行挑流作用，使沿堤流远离堤身，减小水流对堤脚的冲刷，以起到保护堤身结构的作用。丁坝最好在滩涂变形前构筑，实施难度小，效果好。丁坝数量，位置间距，结构形式以及具体尺寸需通过专业数模软件模拟后制定实施方案，见图9。

图9 构筑丁坝防护措施Fig.9 Protection measures of spur dike construction

于护底保滩。对于堤基范围外，变形破坏对堤身安全影响较大的滩涂区域，同样可通过护底方式护滩，见图10。

盂避免人为形成沿堤流沟槽。采取就地取砂施工的项目，在项目实施前，须选取适用的设备类型，严密规划设备布置位置，通过合理安排取砂方式、保持安全取砂距离和合理分布沙坑间距等措施防护滩面，避免人为形成贯通性沟槽。

图10 采取铺设排体护滩防护Fig.10 Take the laying row of beach protection

榆主动引导水流。在被动防护的同时，有条件的项目可在项目实施前，预先规划主动防护方案。如提前有预见性地开挖引流沟槽，使水流从预设沟槽汇集运动，有序引导限制水流走向，避免或降低沿堤流对滩涂和堤身安全的影响。

3）优化现场施工平面布局

当贯通过堤身的沟槽较大时，在堤身推进过程中，沟槽随堤身的推进而前移变化。因此在进行施工总平面安排时，须跳开沟槽，在未变化段进行施工。具体布局优化示意图见图11。

图11 现场施工平面布局优化示意图Fig.11 Optimized plan layout of on-site construction

强行封堵沟槽，不仅施工难度大，而且会造成推进后堤头的绕堤流继续前移，冲刷原始滩面，形成新沟槽，最终造成推进方向的滩地地形均遭破坏。因此可将沟槽作为过程中暂时预留口门，待沟槽前方滩涂完成防护或匡围堤身整体形成后再进行处理。

3.2 堤身翻水冲刷破坏

堤身翻水冲刷破坏只在围堤实施中间过程阶段发生，是可以避免消除的。主要措施包括：

1）采取措施加大口门进水量，尽可能使围区内外水位差保持在较低程度是关键。围区两侧水位同步上涨，在库区内外水位差较小时不会造成破坏；

2）时刻关注施工效率与现场进度的匹配性，加强进度管理核算，提前安排，关键阶段须增加施工力量，快速、安全、合理抬升堤身高程，规避因投入不足而导致的不应有的破坏；

3）进行施工总体安排时，合理分段和布置船机设备，控制单工作面的推进速度以及堤身抬升速度，以确保围堤层层抬高，整体平行抬升，从而避免施工速度不均匀而造成局部形成人为缺口，汇集水流导致过水冲刷破坏现象发生；

4）选择合理科学的时间段，利用自然条件降低堤身翻水冲刷现象的发生。如利用小汛或冬季等潮位较低的时段进行施工，降低外界水位因素的影响；

5）施工过程中，通过优化施工方式，降低风险。如堤身袋装砂填筑采用拼袋施工工艺：底部几层袋体可以将单个分割为小袋体，即使一个袋体损坏，也只是一侧损坏，不是一层损坏，不会形成相对缺口，不影响堤身安全。

3.3 渗透破坏

应对渗透破坏主要措施有：减少水位差或是延长渗径、加强土体抗比变形能力，降低土体发生渗透破坏的可能性[13-15]。

针对特殊地质条件，可采取合理的防范渗透破坏[16-18]，具体措施包括：

1）进行堤身设计断面的防渗验算，重视施工过程中的临时断面的防渗能力；

2）尽可能降低围区内外水位差，在围区合龙阶段，尤其需注意；

3）吸取深层砂作为袋装砂充灌砂源：深层砂颗粒粗，各项物理力学指标更好，有利于提高堤身密实度、消除堤身堤基隐患，避免土颗粒粒径与袋体袋布规格不匹配，提高堤身防渗能力；

4）选取合适的设备进行取砂作业：采用高效的设备进行堤身填筑及合龙土方作业，作业不受潮水涨落影响，吸砂质量好，同时避免了滩地表层发生冲刷破坏，工程效果好，在一定程度起到了快速加固堤身，提高防渗能力的作用；

5）堤身棱体施工过程中，严格控制推进速度，确保堤身在平面推进方向以及垂直高程方向进度实施的平衡性，形成良性的流水步距；快速加宽、加固特殊段堤身断面，延长渗径，减少或杜绝薄弱堤段；

6）合龙过程中，选用合适的合龙前堤身断面形状，避免特殊时段渗透破坏造成的二次影响。严格按既定计划实施，稳扎稳打，不冒进，降低渗透破坏风险。

4 结语

通过总结江苏条子泥匡围工程以及南通通州湾二港池匡围工程等相关工程实例，概括来讲江苏沿海滩涂的独特工况特点是：砂厚泥少，潮差大流速快，滩高水浅，易冲刷变形，渗透破坏大。破坏过程几乎伴随筑堤施工全过程，破坏影响力极大。粉砂淤泥层滩涂发生冲刷、渗透等破坏的内因是土层土质特点，深入研究破坏成因和破坏机理是解决地形演变的重要着手点，也是最终制定针对性解决措施的依据。

如何在总体平面规划中对各工序进行有机的组织安排，使之做到方案可行、衔接有序、工艺和施工计划合理以及满足工期的总体要求，是影响项目实施关键性技术问题。在江苏沿海滩涂匡围工程项目，一切施工工艺的选用，方案的编制，实施必须围绕“减少冲刷损失，预防渗透破坏”为核心。施工中结合施工期潮流数模分析，采取有效措施减弱施工过程中相关破坏作用对堤身结构稳定的影响。

[1] 张晓祥，严长清.近代以来江苏沿海滩涂围垦历史演变研究[J].地理学报，2013，68（11）：1 549-1 558.

ZHANG Xiao-xiang,YAN Chang-qing.Historical evolvement of tidal flat reclamation in Jiangsu coastal areas[J].Acta Geographica Sinica,2013,68(11):1 549-1 558.

[2]朱大奎，柯贤坤，高抒.江苏海岸潮滩沉积的研究[J].黄渤海海洋，1986（3）：19-27.

ZHU Da-kui,KE Xian-kun,GAO Shu.Tidal flat sedimentation ofJiangsu coast[J].Journal of Oceanography of Huanghai&Bohai Seas,1986(3):19-27.

[3]耿秀山，傅命佐.江苏中南部平原淤泥滩岸的地貌特征[J].海洋地质与第四纪地质，1988（2）：93-104.

GENG Xiu-shan,FU Ming-zuo.Geomorphic features of silt beach in central and southern Jiangsu Province[J].Marine Geology& Quaternary Geology,1988(2):93-104.

[4]陈君，赵磊，卫晓庆.江苏淤泥质潮滩及近岸沙洲的稳定性判别[J].水利经济，2012，30（3）：15-19.

CHEN Jun,ZHAO Lei,WEI Xiao-qing.Stability evaluation of muddy tidal flats and offshore sand bars in coastal areas of Jiangsu Province[J].Journal of Economics of Water Resources,2012,30(3): 15-19.

[5]吴德力，沈永明，方仁健.江苏中部海岸潮沟的形态变化特征[J].地理学报，2013，68（7）：955-965.

WU De-li,SHEN Yong-ming,FANG Ren-jian.A morphological analysis of tidal creek network patterns on the central Jiangsu coast [J].Acta Geographica Sinica,2013,68(7):955-965.

[6]时海东，沈永明，康敏.江苏中部海岸潮沟形态对滩涂围垦的响应[J].海洋学报，2016，38（1）：106-115.

SHI Hai-dong,SHEN Yong-ming,KANG Min.Rapid response of tidal creek network patterns to the reclamation on the central Jiangsu coast[J].Acta Oceanologica Sinica,2016,38(1):106-115.

[7]张弛，郑金海，刘桂平，等.江苏近岸海域水动力特征及其对围垦工程的响应[J].水利经济，2012，30（3）：6-9.

ZHANG Chi,ZHENG Jin-hai,LIU Gui-ping,et al.Hydrodynamic characteristics in nearshore sea areas in Jiangsu Privince and their responsestoreclamation[J].JournalofEconomicsofWaterResources, 2012,30(3):6-9.

[8] 纪为刚，付桂.南通通州湾港区水文泥沙特性分析[J].中国水运，2015，15（8）：204-208.

JI Wei-gang,FU Gui.Hydrological and sediment characteristics of Tongzhou Bay port area in Nantong[J].China Water Transport, 2015,15(8):204-208.

[9]黄惠明，王义刚，袁春光，等.江苏海岸动力地貌对滩涂围垦响应的关键科学问题[J].中国科技成果，2013（18）：57-60.

HUANG Hui-ming,WANG Yi-guang,YUAN Chun-gaung,et al. Key scientific issues of Jiangsu coastal dynamic geomorphology on the beach reclamation response[J].China Science and Technology Achievements,2013(18):57-60.

[10]江炳茂，黄海东，蒋基安.软基围海工程中的袋装砂围堤边坡稳定影响分析[J].水运工程，2010（5）：41-46.

JIANG Bing-mao,HUANG Hai-dong,JIANG Ji-an.Influence analysis of slope stability about sand-bagged dike in soft founda原tion reclamationengineering[J].Port&Waterway Engineering, 2010(5):41-46.

[11]张发明，龚政，陈国平，等.新型围垦堤防设防标准与设计方法研究[J].水利经济，2012，30（3）：26-30.

ZHANG Fa-ming,GONG Zheng,CHEN Guo-ping,et al.Design standards and methods for new type reclamation dykes[J].Journal of Economics of Water Resources.2012,30(3):26-30.

[12]罗玉龙，速宝玉，盛金昌，等.对管涌机理的新认识[J].岩土工程学报，2011，33（12）：1 895-1 902.

LUO Yu-long,SU Bao-yu,SHENG Jin-chang,et al.New under原standings on piping mechanism[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(12):1 895-1 902.

[13]庄志农.围海造陆工程中的防渗研究[J].中国港湾建设，2015，35（8）：29-31.

ZHUANG Zhi-nong.Seepage control for land reclamation project [J].China Harbour Engineering,2015,35(8):29-31.

[14]周健，姚志雄，白彦峰，等.砂土管涌的细观机理研究[J].同济大学学报自然科学版，2008，36（6）：733-737.

ZHOU Jian,YAO Zhi-xiong,BAI Yan-feng,et al.Meso-mechanism study on piping in sandy soils[J].Journal of Tongji University: Natural Science,2008,36(6):733-737.

[15]张炫，何良德，庄宁.苏北围垦大堤堤基土渗透破坏现场试验研究[J].中国水运，2011，11（7）：168-170.

ZHANG Xuan,HE Liang-de,ZHUANG Ning.Field test study on seepage failure of northern Jiangsu reclamation dike foundation soil [J].China Water Transport,2011,11(7):168-170.

[16]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.南通港通州湾港区二港池陆域形成工程可行性研究报告[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2014.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.The feasibility study re原port on the land formation project in the second harborof Tongzhou Bay in Nantong Port[R].Shanghai:CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,2014.

[17]上海勘测设计研究院.条子泥I期匡围工程初步设计报告[R].上海：上海勘测设计研究院，2011.

Shanghai Investigation,Design and Research Institute Co.,Ltd. Preliminary design report on the first phase construction of Tiaozini [R].Shanghai:Shanghai Investigation,Design and Research Insti原tute Co.,Ltd.,2011.

[18]中交上海航道勘察设计研究院.南通通州湾二港池匡围工程施工过程潮流数模成果[R].上海：中交上海航道勘察设计研究院，2016.

Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd. Numerical simulation results of tidal current during inning project construction process in Tongzhou Bay basin 2 of Nantong[R]. Shanghai:Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,2016.

Deformation features of silt-muddy beach in inning project and relevant solutions

CAI Li-zhong,HU Zheng
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Silt-muddy beach in Jiangsu coastal areas is sensitive to water flow variation due to the special conditions of beach and soil.With the beach interfered,it is prone to deformation and destruction.Through summarizing the types of destruction and the solutions,analyzing the impact factors of destruction,we hope that the relevant companies should pay attention to the theoretical research on the internal mechanism of deformation failure on the beach,and accumulate some experience for the implementation of the follow-up projects.

silt-muddy beach;deformation and destruction;theoretical research

U655.4

B

2095-7874（2017）04-0068-07

10.7640/zggwjs201704016

2017-02-27

蔡丽忠（1976— ），男，江苏海门人，高级工程师，港航专业。E-mail：2450764417@qq.com