上海常见保滩类型及其适用性浅析

2020-06-11施震余张志杰舒叶华

浙江水利水电学院学报 2020年2期

施震余，张志杰，舒叶华

(1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

上海地处长江三角洲前缘，东濒东海，南临杭州湾，北界长江入海口，每年汛期均不同程度地遭受台风、暴雨、海潮的袭击，有时还受龙卷风、冰雹的威胁。上海市“千里海塘”分处长江口及杭州湾北岸。堤前滩势的稳定对主海塘(一线海塘)的运行安全具有重要意义，在径流、涨落潮流、波浪等因素的作用下，海塘堤前岸滩会出现淤涨、冲刷、冲淤交替等复杂的过程，若堤前的滩涂不断受到冲刷，堤脚将会出现淘空失稳现象，危及堤身安全，故“护堤先护脚”“护脚先保滩”。采取科学合理的保滩措施，是确保海塘及防汛安全的重要手段。

1 常见的保滩类型

在上海海塘建设和维护工作中，积累了不少保滩护底工程经验。近60年来，在长江口及杭州湾北岸陆续兴建了大量丁坝、顺坝、护坎等保滩工程，对所处岸段的堤前滩地保护及大堤堤身安全的保护发挥了巨大的作用[1]。目前，上海海塘前沿保滩丁坝共计352道，总长41.0 km；顺坝共计153条，总长191.3 km。[2]

保滩工程按护岸机理分类，通常有挑流式、缓流落淤式、覆盖保护式等；按防护对象与功能的不同而有丁坝、顺坝、护坎等；从材料结构上又可分为抛石、柴排、人工水草、软体排、桩列和沉井等。

2 保滩类型的适用性浅析

2.1 挑流式

以实体结构将主流挑离河岸堤防或来波削减，并尽量争取在坝田区形成淤积，常见的有顺坝、丁坝及其组合等，坝的结构形式主要有抛石和桩列。

2.1.1 丁坝保滩

丁坝主要建在受径流、潮流冲蚀的岸线，是上海地区最常用的保滩措施(见图1)。它的保滩机理主要是将主流挑离堤防，从而降低坝田区水流流速，使泥沙在坝田区淤积，从而降低堤前滩地冲刷的风险[2]。上海地区保滩丁坝大都为淹没丁坝，当挑流的作用太大时，由于坝头对水流具有顶冲作用，同时潮流受到丁坝的阻挡，往往会产生沿堤流，在坝头外侧产生涡流，不断掏刷坝头滩面，在坝头外侧会形成冲坑，冲坑逐步变大致使坝头坍塌失稳[3]。一旦形成上述情况，将使坝头修复变得十分困难，工程造价大幅增加。因此对于新建丁坝，当潮流作用很强时，不宜采用长丁坝挑流型式，而应选用短丁坝群组合挑流的型式[4]。但为了避免丁坝头部形成冲刷坑，进而连片形成近岸冲刷槽，宜采用勾坝型式，当涨落潮潮流作用相差不大的情况下采用T型勾坝型式，对单个丁坝则加强坝头的护底保护措施。

图1 保滩丁坝照片

2.1.2 顺坝保滩

顺坝保滩主要适用于风浪剥滩作用为主，具有向岸流作用的岸段，在杭州湾北岸上海地区应用较普遍，长江口亦有部分岸段应用(见图2)。顺坝对堤前的波浪可以起到一定削减，降低坝田区的流速，起到促进落淤的效果。

图2 保滩顺坝照片

2.1.3 桩式丁(顺)坝

对于堤前滩面很低而潮流作用又很强，若在传统的抛石坝上设置块体消浪，为保证块体稳定，往往需要重量较大的块体，且对施工和地基处理提出更高要求，往往会增加工程投资和施工难度，则可以考虑采用管桩丁(顺)坝(见图3)。由于传统的抛石坝坝体高，抛石量大，不仅工程投资大幅增加，而且还涉及软弱地基承载力问题，必须进行地基处理，增加施工难度。管桩坝不仅可使抛石工程量大量减少，降低工程投资，还能提高坝体的稳定性。

图3 桩式坝保滩结构

在堤前设封闭板桩、沉井等方式属“硬性结构”，投资较高，适用于滩地冲刷变化范围大，深度深，堤前滩地或环境受限制的堤段。但水下沉桩施工难度较大，且对桩坝外侧的土体不能起到保护作用，对板桩坝与堤脚间的滩地冲刷也不能起到保护作用，可能在板桩的施打过程中还会加速外侧土体的流失。封闭板桩可阻止外侧深槽的继续内逼，但是板桩外侧需抛投一定厚度及宽度的抛石护底加以保护。板桩坝内侧辅以缓流的隔坝以促进坝头间的淤积。

2.2 缓流式

采用抛投缓流块体，对局部水流进行扰动，改变其流态，从而降低流速，使岸边的冲淤态势发生改变，来保护堤前滩地。常见的有杩槎、柴排、人工水草等。

杩槎即钢筋混凝土四面六边透水框架，其结构(见图4)。杩槎保滩的优点是杩槎重心低，自身稳定，不易下沉，不易翻滚，框架透水，受力小，不会被水流冲走流失，有明显的分散水流，消杀能量，降低流速的作用，减速率可达30%～70%，框架群自身在水中的稳定坡度，由于其单体体形的稳定性及相互间的嵌入、套叠等约束，可以构成很陡的坡度[5]。相同保护面积下，杩槎保滩与混凝土联锁块软体排及抛石护滩比，具有其更好的稳定性、耐久性、经济性等特点，性价比较高。但对水下地形复杂的工程区域，杩槎保滩护岸经验不多，特别是水深流急条件下还存在施工质量难以控制，也难以检测等问题。

图4 杩槎结构图

在长江口南汇东滩促淤一期中，运用了一种新型的块体结构——六面体透空块体[6]。透空块体为空腔结构(见图5)，重量较小[7]，施工安装方便。透空块体通过一定的摆放方式，具有较好的阻水和消浪作用，在低滩、软基、风浪较大的区域替代传统抛石堤，具有经济实用性，且有效降低施工风险。

图5 六面体透空块体结构图

柴排、人工水草的材料难以采购，使用上同样有不断维护的困难，目前此类保滩结构已基本不再使用。

2.3 覆盖保护式

采用抗冲材料将冲刷的区域覆盖，如软体排、抛石护底、土工枕和混凝土模袋等。

2.3.1 软体排

软体排主要适用于堤前滩地高程较低，岸坡坡比较缓的区域。护底结构受波浪作用力小，且软体排为柔性结构具有施工快，适应地形能力强，对河床边界条件改变较小，对区域河势滩势的影响也较小，对于低滩岸段是较为理想的保滩护底方式。软体排护底是在传统的柴排抛石基础上进化而来，它的保滩机理主要是利用抗冲材料——软体排直接铺设在堤前滩地的一定范围内，形成连续的覆盖式护底从而使滩地免受水流和波浪的冲刷。混凝土联锁块软体排具有较好的整体性和适应变形的能力，可随河床刷深而下沉，排布对被保护的下部土体有可靠的封闭作用，防止土体被水流带走，上层的混凝土联锁块可有效抵御水流的冲刷及波浪的掀动，从而保证排布对下部土体的有效覆盖。但排体作为保滩结构其使用寿命实际工程检验少，特别是水深较浅处排布在紫外线作用下的抗老化能力难以确定。

2.3.2 抛石护底

在滩地及其岸坡上直接抛石形成防冲保护层，是最古老而常用的保滩方法，在不易建坝或不宜建坝、又不具备铺软体排的时候，抛石护底仍是一种较为合适的方法，常辅以柴排等，施工较为方便，效果也比较好，但抛石易滚落，维护工作量大，常常是一汛一修。

2.4 组合式

鉴于河势滩势的变化具有一定的复杂性，岸滩的侵蚀后退往往是潮流、波浪等多种因素共同作用的结果。由于不同类型的保滩措施的作用机理不同，对于这种多因素作用的区域，往往采用几种保滩措施组合保滩的方式。上海常见的组合型式有丁坝+顺坝组合、丁坝+覆盖式组合等。丁坝+顺坝组合保滩的型式可利用顺坝有效阻止波浪引起的滩地剥蚀、快速后退，同时采用丁坝挑流，促进丁坝间坝田区域滩地逐步淤积。丁坝+覆盖式组合的保滩方式往往在坝头外侧铺设混凝土联锁块排体，可有效解决坝头冲刷而引起的坝头坍塌。

3 典型案例

案例1丁坝+护坎保滩工程区域位于崇明岛西北端，属长江北支，海塘前沿滩地逐年冲深形成深槽，边滩冲刷后退形成陡坎，芦苇高滩逐步变窄。本区域主要受潮流及上游径流的双重作用，堤脚前沟槽较深，故采用短丁坝群保滩，促使丁坝间坝田区域滩地逐步淤积。鉴于丁坝建成初期，坝根高滩陡坎仍有被冲刷后退的可能，考虑采用护坎保护陡坎不被水流冲刷快速坍塌后退，见效较快。因此，本工程保滩方案结合两种结构形式各自的功能，采用护坎防止高滩陡坎快速后退，丁坝促进丁坝间坝田区域滩地逐步淤积的组合保滩方案，工程平面布置图(见图6)。保滩工程实施后保滩效果较为明显。

图6 工程布置图

案例2顺坝保滩工程位于杭州湾北岸，区域岸坡的冲刷主要受风浪影响较大，涨落潮流作用不大。顺坝保滩主要适用于风浪剥滩作用为主，主要应用于具有向岸流作用的岸段，如杭州湾北岸。就本工程而言，海塘外侧滩地较平缓，顺坝自身稳定较容易控制。顺坝对堤前的波浪具有一定的削减作用，可以降低坝田区的流速，起到促进落淤的效果。故在本工程区域采用顺坝保滩的型式，工程平面布置图(见图7)。

图7 工程布置图

案例3缓流式保滩工程位于长江口南北港分流口附近的新桥通道南侧，青草沙水库北堤上中段附近，主要表现为深槽冲刷逼岸，岸坡不断陡化。自然情况下河势极其不稳定，影响北堤上中段滩面演变的因素十分复杂，且滩地高程较低，滩地高程达-10～-15 m。若采用丁坝保滩，对本区域的河势有一定的影响，且滩面高程较低，坝体的稳定性较难控制，且工程投资较大。若采用覆盖式保滩，只能保护滩地不受冲刷，不能降低水流流速。故本区域采用杩槎的保滩型式，对河床起到了一定的保护作用，工程平面布置(见图8)。