挑流丁坝在海港工程中的应用

米刘芳

（天津港航工程有限公司，天津 300457）

0 引言

挑流丁坝是一种应用广泛的整治建筑物，在航道整治、防洪护岸、桥渡和促淤保滩等工程中发挥着重要的作用。丁坝冲刷的研究是一个非常复杂的课题，自20世纪20年代初著名的水工专家H．Engels对此进行过试验以来，围绕丁坝冲刷已经开展了不少试验研究。由于研究方法和试验条件的差异，虽然目前已经取得了一定的研究成果，但各研究者的观点与所得到的结果都存在着很大的差异[1-2]。在如东县小洋口（洋口镇）重装设备成套基地项目工程中，考虑布设挑流丁坝，防止潮沟内高流速落潮流对引堤、护岸及围埝进行直接冲刷与掏蚀，保证工程安全稳定。

1 工程概况

1.1 工程简介

如东县小洋口（洋口镇）重装设备成套基地工程位于南通市如东县海滨辐射沙洲中的黄沙洋水道西部，见图1。

图1 工程位置Fig.1 Project position

工程区西距小洋口港约3 km，东南距吕四港约70 km，西南距如东县约32 km，在小洋口化工园区北侧，与一期实施的如东县小洋口（洋口镇）综合下海通道、栈桥及配套设施建设工程（引堤与作业场地）相距约2 km。

1.2 工程特点

建设工程区为粉砂淤泥质潮滩，潮沟系统发育。如图1所示，本工程范围内分布有数条潮沟，潮沟深度为0.2～1.0 m，宽度3～150 m，其中潮沟与引堤相交夹角为15°～35°，潮沟与护岸围埝相交夹角为50°～90°，且护岸围埝周边分布有多条与之平行潮沟，潮沟流速为0～2.2 m/s。

潮沟的横向运动和溯源侵蚀可能会威胁到本工程的安全。研究发现江苏中部海堤大规模外迁前后潮沟两侧原有的平衡被打破，激活了部分潮沟的发育，特别当海堤建设在潮沟凸岸一侧，则会加快潮沟向围堤一侧弯曲，对工程安全危害极大。潮沟存在明显的沟渠效应，在原始起伏的滩面上，落潮时初始薄层水向低洼处流动，汇合成线流，受线流冲刷，滩面沟槽加深，从而越来越有利于滩面薄层水的汇流。在汇流中水流梢部向周围滩面呈掌状或扇面状溯源侵蚀，扩大汇流面积，形成树枝状分叉，塑造出潮沟系统，同时产生了沟渠水流，对潮沟边界的不均匀作用使潮沟本身也开始迁移运动，造成了滩面的不稳定性。同时，本工程的形成会改变涨落潮流的流向，在堤身特定部位形成强劲的沿堤流。从维护堤身稳定与安全的角度出发，应当采取适当措施，减缓或消除沿堤流对堤身的不利影响[3-4]。

2 挑流丁坝防护设计

2.1 平面位置

本工程考虑布设挑流丁坝，见图2，改变沿堤流流向并使其与堤身（埝体）保持安全距离，保证护底工程施工前，筑堤施工过程的安全。丁坝设计根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》的规定，丁坝设计的平面布置应根据河道整治规划、水流流势、河岸冲刷情况和已建同类工程经验确定。

本工程处在潮滩区域，不同于河道工程治理，丁坝垂直水流方向长度河道工程治理经验并不适用本工程，因此在本工程中，丁坝垂直水流方向长度按照以能够有效覆盖潮沟冲刷重点区域程，阻断潮流对围堤及引堤的冲刷侵蚀为原则进行设计。各丁坝长度及夹角设计如下：

图2 挑流丁坝平面布置Fig.2 Plane layout of spur dike

1） 1号挑流丁坝：长260 m，布置于二期引堤西侧，东起二期引堤1 800 m处，与引堤轴线呈93°角向西延伸。

2） 2号挑流丁坝：总长350 m，布置于二期引堤西侧，东起二期引堤2 250 m处，与引堤轴线呈90°角向WNW向延伸320 m后，转23°角至W向，并向W向延伸30 m。

3） 3号挑流丁坝：总长590 m，布置于二期引堤西侧，东起十工区南围堤距引堤440 m处，与南围堤轴线呈49°角向WSW延伸120 m后，转133°角至NW向，并向NW向延伸470 m。

4） 4号挑流丁坝：长220 m，布置于二期引堤西侧，东起距直立式护岸北端99 m处，与直立式护岸轴线呈92°角。

5） 5号挑流丁坝：长200 m，布置于二期引堤北侧，南起引堤堤头护坡处，与引堤轴线呈145°角向N延伸。

6） 6号挑流丁坝：长150 m，布置于二期引堤东侧，西起北护岸、东护岸相交处，与东护岸轴线呈115°角向W延伸。

挑流丁坝间距设计：丁坝间距取为170～360 m。

2.2 断面设计

本工程挑流丁坝为工程建设期临时使用结构，考虑构造、设施的临时性，按临时结构标准设计，因此本丁坝材料选用相对便宜且来源丰富的袋装砂作为筑坝材料。

挑流丁坝坝顶高程设计：丁坝分淹没丁坝和非淹没丁坝，本工程按照淹没丁坝设计。本工程设计高水位为3.77 m，设计低水位-3.85 m，丁坝坝顶高程通常等于或略高于常水位（中、低水位），本工程丁坝坝顶高程取2.0 m。

挑流丁坝宽度设计：丁坝顶宽通常为1～3 m，考虑到袋装砂受损后填料易于流失，在本工程中丁坝宽度增大为15 m。

综上，结合各位置处丁坝泥面高程情况，各挑流丁坝高度及坝顶宽度设计如下，典型断面见图3。

图3 挑流丁坝典型横断面（m）Fig.3 Typical cross section of spur dike(m)

1号挑流丁坝泥面高程约1.0 m，设计坝顶高程2.0 m，坝顶高于原泥面1 m，坝顶宽度15 m。

2号挑流丁坝泥面高程约1.0 m，设计坝顶高程2.0 m，坝顶高于原泥面1 m，坝顶宽度15 m。

3号挑流丁坝坝顶宽度15 m，其中距堤头127～272 m段为港汊加宽段泥面高程约0.0 m，设计坝顶高程2.0 m，坝顶高于原泥面2 m，其余段泥面高程约1.0 m，坝顶高于原泥面1 m。

4号挑流丁坝坝顶宽度15 m，其中距由堤根起105 m长为港汊加宽段泥面高程约0.0 m，设计坝顶高程2.0 m，坝顶高于原泥面2 m，其余段泥面高程约1.0 m，坝顶高于原泥面1 m。

5号挑流丁坝坝顶高于原泥面1 m，坝顶宽度15 m。

6号挑流丁坝坝顶高于原泥面1 m，坝顶宽度15 m。

2.3 局部冲刷深度计算

关于淹没丁坝的局部冲刷研究多适用于河道，对于海域中建筑结构丁坝掩护局部冲刷研究尚没有参考依据，本文以雅罗斯拉夫采夫局部冲刷深度计算公式为参考，对本工程中6条丁坝局部冲刷深度分别予以计算，以供工程实践参考[5-8]。

式中：hpj为丁坝迎水面局部冲刷坑深度，m；v为丁坝迎水面附近水流的局部流速，m/s；g为自由落体加速度，9.81 m/s2；α为水流方向与丁坝迎面切线夹角；m为丁坝边坡坡率，等于建筑物边坡坡角余切；d为冲刷过程中裸露出来的铺在冲刷坑底的土颗粒粒径，用土中占有15%以上重量的最大粒径的直径，mm。

根据室内试验颗粒分析试验结果及水流观测记录，丁坝表层土质中占有15%以上重量的最大粒径的直径d=0.015 mm，测流流速0～2.2 m/s，暂取丁坝迎水面附近水流的平均流速v=1.0 m/s。根据丁坝轴线与周围潮沟水流方向夹角α，分别可得各丁坝位置处局部冲刷深度，见表1。

表1 丁坝局部冲刷深度计算Table 1 Calculation of local scour depth of spur dike

1—6号丁坝迎水面局部冲刷深度为0.1～0.7 m，水流流向与丁坝轴线夹角越大，局部冲刷深度也越大。

2.4 沉降估算

1—6号丁坝长宽比均≥10，挑流丁坝沉降采用分层总和法按照《建筑地基基础设计规范》条形基础进行估算。由于丁坝沿轴线方向横断面主要为1 m厚底宽15 m充填袋，局部横断面为2 m厚底宽25 m充填袋，该处按照1 m厚充填袋取b=15 m，按照下式确定沉降变形计算深度：

沉降变形计算深度18 m范围内土质主要为：2 m厚②1粉土（标贯3击）、6 m厚②2粉土（标贯7击）、10 m厚②4粉土（标贯13击），粉土压缩模量按照下式进行估算：

丁坝沉降按照下式进行计算：

因兴建挑流丁坝而产生的地基沉降变形为8.6 mm。

3 丁坝建设防护效果监测

3.1 丁坝建成前后地形观测

丁坝建成前后对地形进行了观测，除5号丁坝以外，其余丁坝坝前坝后均存在不同程度的积淤，积淤深度为11～62 cm，挑流丁坝的建设对二期围堤工程起到了较好的促淤保滩作用。6号丁坝坝头实测冲刷深度为12～26 cm，与预计15 cm冲刷深度基本相符。5号丁坝距离二期围堤212 m，在布置时基本平行于既有潮沟，因此5号丁坝其布置不符合丁坝布置原则，其两侧出现冲刷是可以理解的。

3.2 丁坝建成前后潮沟流速观测

分别在丁坝建成前后，对图2潮沟1、2位置处水流流速进行观测，观测时间均选择在上午11时潮位120 cm，对比分析丁坝建成前后潮流流速变化，评估丁坝对二期围堤的防护效果。

根据观测数据，测点1处水流流速因丁坝阻流作用，使得水流流速由1.75 m/s减少为1.225 m/s，降幅为30%，测点2处水流流速因丁坝阻流作用，使得水流流速由1.24 m/s减少为0.555 m/s，降幅为39%。通过对水流流速的观测记录，可以看出丁坝对削减水流流速作用明显。

3.3 丁坝防护效果评价

在丁坝修建前，围堤施工土工布铺设因受沿堤流作用几乎难以平整铺展，现场施工极为困难，在丁坝建成后，由于水流流速的削弱，土工布得以顺利施工铺展。

通过对丁坝建成前后泥面高程观测，可以看出本工程中丁坝两侧泥面均实现不同程度淤积，丁坝对于本工程促淤保滩发挥了较好作用。

通过对丁坝建成前后水流流速观测，可以看出本工程中丁坝对于削减水流流速，减少水流对二期围堤堤身的冲刷侵蚀发挥了较好作用。

4 结语

本工程位于江苏岸外辐射沙洲区的岸边浅滩上。该区潮差大，潮流动力强；底质为细砂和粉砂，起动流速小，在人工建筑物迎水侧堤跟附近极易产生淘刷，处理不当甚至会威胁到建筑物的安全。通过合理布设挑流丁坝来对主体工程形成防护，较好的实现了促淤保滩、减少水流冲刷和侵蚀作用的目的，对该地区同类工程设计和施工具有一定的借鉴意义。