长江口深水航道南导堤上段整治建筑物损坏原因及对策*

唐晓峰

(交通运输部长江口航道管理局，上海 200003)

从长江口深水航道治理一期工程算起，长江口深水航道最早建设并发挥作用的整治建筑物已建成18年(2001—2019年)。期间，不可避免地出现了一些局部损坏。在发现损坏和修复过程中，总结出一些经验：整治建筑物结构的损坏，很大程度上与余排范围内的地形变化有关，余排内的地形变化与周边流场的变化有关，周边流场的变化又与大河势的变化有关。本文提供一种查找整治建筑物损坏原因的思路，供技术人员参考。

1 工程背景

长江口深水航道南导堤上段是指在长江口深水航道治理一期工程中建成的20 km整治建筑物(2002年竣工验收)。南导堤上段整治建筑物的功能是：1)导流；2)拦截北槽沿程由北向南的落潮漫滩(九段沙)流;3)拦沙;4)稳定河势，形成归顺的南、北二槽，以避免江亚北槽的变化可能带来的河势不稳定[1]。

该段南导堤在设计时考虑较为充分，虽然竣工时间较长，但总体结构完好，建成后较好地发挥了整治功能。但由于长江口水域自然条件复杂，人类活动频繁，受自然和人为因素影响，至今已开展过多次局部区段的修复。

2018年4—8月，陆续在南导堤上段发现南侧护面的扭王字块有7处出现塌陷(堤身完好)，见图1。为确保整治建筑物功能的正常发挥，须对损坏的整治建筑物进行修复，以使结构安全稳定。

图1 南导堤上段损坏情况

2 损坏状况

2.1 损坏情况的发生

2018年4月，在南导堤S6+300～S6+600区段发现3处南侧护面的扭王字块体塌陷(堤身完好)，损坏长度均在20 m左右；同年8月，在该区段的上、下游各发现一处情况基本相同的损坏；8月底又在前述区段间新发现2处损坏，同时，4月发现的3处损坏范围均有所扩大，见表1。

表1 损坏情况及发现过程

南导堤损坏的部位均位于南侧扭王字块护面，损坏发现的时间是4—8月，且有不断发展的趋势，即损坏的发生和发现之间的时间间隔较短，损坏的发现比较及时，为后续工作的开展赢得了时间。

2.2 原结构情况

原南导堤南侧的余排宽度为25～29 m，结构为有压顶和护面的抛石斜坡堤结构[2]，见表2。

表2 南导堤上段余排结构

原南导堤上段典型结构见图2。

注：括号内高程为建筑物设计高程，其他均为施工控制高程。

2.3 现场勘查

损坏发生后，采取潜水探摸、水深测量等手段对现场情况进行勘查。结果显示，南导堤轴线南侧有大幅的地形变化，综合边坡最陡处约为1:2，护面扭王字块体和护脚块石散落在损坏后的边坡上且范围很大，护底混凝土联锁块排存在且基本完整。典型损坏断面结构见图3[3]。

图3 损坏断面结构

3 损坏原因

3.1 损坏部位附近地形状况分析

对损坏区段进行水下地形测量，并绘制了地形图，见图4。

从图4可知：

1)S4+500～S7+000存在沿堤的冲刷沟，该冲刷沟在S7+000以东开始偏离南导堤，成为江亚北槽的一部分；

2)S7+000以上，冲刷沟深槽贴近南导堤，在S6+000～S6+500(堤身塌陷处附近)段，7 m深槽已紧贴余排边。

注：地形采用吴淞基面;根据2018年5月18—26日测量成果绘制。

图4 2018年5月损坏区段地形图

3.2 附近水动力特征分析

在收集整理近几年损坏区段附近的水文观测资料[4]后进行分析。损坏部位附近的水文调查站位情况见图5。

由垂线平均流速、流向结果可知(表3)：大潮期，江亚南沙头部窜沟附近JY1测点落潮平均流速在0.87～1.05 m/s，涨潮平均流速在0.68～0.77 m/s，落潮平均流速约为涨潮的1.3倍；近南导堤JY2测点落潮平均流速为1.40 m/s，涨潮平均流速为0.99 m/s，落潮平均流速为涨潮的1.4倍；江亚北槽内JY3测点落潮平均在0.90～1.07 m/s，涨潮平均流速在0.78～0.95 m/s，落潮平均流速约为涨潮的1.2倍；九段沙中部南沿JY5测点落潮平均流速为1.07 m/s，涨潮平均流速为0.83 m/s，落潮平均流速为涨潮的1.3倍。

图5 损坏部位附近水文站位

表3 各垂线涨、落潮平均流速、流向特征值

续表3

时间垂线号涨潮平均流速∕(m·s-1)落潮平均流速∕(m·s-1)落潮平均流速∕涨潮平均流速涨潮平均流向∕(°)落潮平均流向∕(°)JY10.771.051.362921042017年洪季大潮JY30.951.111.17318139JY50.831.071.29298117JY10.460.641.392891032017年洪季小潮JY30.540.651.20311136JY50.520.601.15294119

从表4可知：大潮期，JY1测点涨落流速均在1.5 m/s左右(2017年)；JY2测点落急流速为2.25 m/s，涨急流速为1.60 m/s，落急流速约为涨急流速的1.4倍；JY3测点涨落急流速接近1.6 m/s(2017年)；JY5测点落急流速为1.78 m/s，涨急流速为1.48 m/s，落急流速约为涨急流速的1.2倍。

表4 各垂线涨落流速、流向特征值

3.3 近堤水动力模型分析

基于2018年5月的地形测图，利用三维潮流数学模型进行水动力模型计算和分析。导堤损坏区域的涨、落急流速分布见图6,涨、落急流速矢量图分布见图7。

从图6、7可知，导堤损坏区域的近堤处动力较强，为1.0～1.2 m/s。从流速矢量图看，落潮动力的矢量方向沿江亚南沙头部窜沟指向导堤损坏区域；而涨潮动力越堤流明显，其矢量方向也指向导堤损坏区域；上述2个动力主流方向均不利于该处整治建筑物的安全稳定。

图6 导堤损坏局部的涨、落急流速分布

图7 导堤损坏区域附近的涨、落急流速矢量图分布

3.4 分析讨论

1)从地形看，损坏区段沿线存在冲刷沟，边坡较陡。

2)从水动力的沿程分布看，导堤损坏区域的动力最大。

3)从数模分析可知，损坏区段的涨落潮动力均比较强，涨落潮动力均比较大。

4)从流速矢量图看，落潮动力的矢量方向沿江亚南沙头部窜沟指向导堤损坏区域；涨潮动力越堤流明显，其矢量方向也指向导堤破坏区域；上述2个动力主流方向均不利于该处导堤的稳定。

5)可以推断：在河势条件、水动力因素综合作用下，南导堤上段近堤处边坡不断变陡，导致部分区段塌陷。如果堤身南侧坡度继续变陡，目前出现的局部护脚护面塌陷现象在以后还可能在本堤段内其他位置处出现。为使结构在自然条件

作用下不再发生此类损坏，确保结构安全，不仅需要修复已发生破坏的局部堤段、加固边坡较陡区段，还应针对采水动力较强且坡度较大的堤段进行堤身结构加固设计。

4 结构修复

4.1 修复原则

1)损坏区段堤身南侧涨落潮动力均比较强，涨、落潮动力的矢量方向均指向损坏区段，水动力分布也不利于该处导堤的稳定。同时，考虑到江亚北槽7 m河槽呈冲刷发展趋势，7 m等深线贴近修复区段。因此，修复区段在损坏区段的基础上须向上、下游方向适当延伸。

2)保持原结构形式基本不变，整体加固、部分修复，保证堤身安全稳定。

3)便于施工，造价合理。

4.2 修复方案

1)在堤身南侧高程-2.0 m处(距轴线11～19 m)向外补抛小砂袋，形成高程-2.0 m边坡1:4的砂袋平台至现状泥面；

2)在平台上加铺混凝土联锁块软体排至设计位置；

3)在砂袋平台上抛200～300 kg块石至0.4 m；

4)损坏区段按原结构恢复上部护面(2 t钩连块体)。

典型修复断面见图8[5]。

图8 修复断面

4.3 修复效果

2018年4月发现第1处损坏后，航道维护单位开展损坏原因的分析及修复设计方案的编制工作,2018年11月—2019年5月完成修复。经现场检查及测量验收，修复取得较好的效果。修复效果见图9、10。

图9 修复后现场(右侧浅色钩连块体为新抛投块体)

图10 修复后断面

5 结语

1)除人为原因外，整治建筑物结构损坏的直接原因很可能与余排内的地形变化有关。

2)余排内的地形变化与堤身附近的流场及周边河势的变化有关。

3)修复区段在损坏区段的基础上向上、下游方向适当延伸，修复后取得较好效果。