分汊河道汇流口下游码头桩基冲刷防护措施研究

张喜宝

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430071)

港口的生产发展与码头泊位的建设密不可分。码头是港口供轮船或渡船停泊、乘客上下、货物装卸而修建的构筑物[1]。码头的建设与安全运行对于港口企业的经济发展至关重要，其安全性与水流条件等密切相关[2]。长江分汊河道众多，分汊河道汇流区水流现象、泥沙特征及河床形态均具有复杂多变的特点[3]。何伟、吴迪等[4-5]研究表明汇流口下游水流发生分离，分离区内流速较低，但流动紊乱，甚至有回流现象。当码头位于分汊河道汇流口下游时，受分离区复杂水沙条件影响，码头前缘将受到强烈淘刷，形成局部冲刷坑，严重威胁码头结构稳定，给港口的生产带来安全隐患[6-7]，因此开展分汊河道汇流口下游码头冲刷防护工程措施的相关研究具有重要意义。

冲刷防护一般分为主动防护和被动防护。主动防护指人为改变水流流态及流向，达到减弱水流冲刷的目的。被动防护是在其冲刷区域布设具有抗冲、抗蚀的工程结构物[8-9]，传统的港口水工结构防冲刷措施主要包括三种：一是块石护底，二是镀锌钢丝笼内填装块石，三是软体排柔性护底[10]。这类被动防护法在冲刷防护工程中已得到广泛应用。史青法和李富会[11]基于码头基床现状提出两点防护建议：在码头基床冲刷坑内填充碎石，以粗糙的石块减缓流速，降低水流挟沙能力，遏制码头基床的冲刷；也可以在冲刷坑抛掷粗砂袋，表层布设水泥连锁排进行防护。王丽和莫秋荣[12]在辐射沙洲海域码头建设中将级配碎石组成的回填料兼反滤层用于码头冲刷坑防护。邵荣顺[13]提出在南通狼山港区码头防护中对于码头冲刷的防护要考虑到码头的使用要求，一般采用平行抛石护岸，在平抛护岸设计中，要加强护岸中坡脚和岸坡的层次。王多银等[14]指出在三峡库区港口码头建设中要遵循滑坡处治原则，合理地进行港口平面布置，除满足港口功能外，还应根据地形、地质特点，结合滑坡治理、冲刷防护工程的建设，选择合理的码头型式。

对于位于分汊河道交汇口下游的码头，其水动力特性较复杂，还需专门分析和研究。本文以孟家港码头为例，通过综合考虑分汊河道汇流口下游码头附近水动力特征、河床冲淤变化及边坡情况，确定了码头冲刷防护范围、防护措施及防护结构，以保障港口码头的安全运行，研究成果可为类似工程案例提供参考。

1 基本情况

孟家港码头位于长江下游镇江河段大港水道北岸(图1)，和畅洲左、右汊汇流口下游。大港水道上起和畅洲未，下讫五峰山，长约9.5 km，平均河宽为1 500 m左右，为曲率适度的弯曲河道。河道南岸有五峰山等丘陵，北岸为冲积平原。

图1 孟家港码头位置

大港水道地处长江下游，径流量大，江阔水深。据长江下游大通水文站1950年—2017年水文资料统计，多年平均流量28 600 m3/s，最大流量92 600 m3/s，最枯流量4 620 m3/s，多年平均含沙量为0.464 kg/m3，多年平均输沙量4.26亿t。2003年6月三峡工程蓄水运用后，长江下游水沙条件出现变化，主要是来沙量大幅度减小，仅为三峡工程蓄水前的三分之一左右。

大港水道属于感潮河段，全年受长江口潮汐影响，平均潮差0.96 m，最大潮差2.32 m，平均落潮时间9 h 10 min，平均涨潮时间3 h 15 min，全年除枯季大潮有上溯潮流外，基本上为单向下泄流，水文泥沙特性主要受长江径流控制。大港水道悬移质平均中值粒径为0.006～0.009 mm，床沙平均中值粒径为0.064～0.204 mm，河床极易产生冲淤变形。

孟家港码头共建有3个50 000 DWT散货泊位，靠船装卸平台长度为790 m，宽度为32 m，采用高桩梁板式结构，排架间距为7 m，桩基采用Φ1 000 mm高强预应力砼(PHC)管桩(深槽处采用Φ1 000 mm钢管桩)，平台上部结构由现浇横梁、预制纵向梁系、迭合面板和靠船构件组成(图2)。

图2 码头结构剖面示意图(单位：mm)

2 码头附近水动力与河床冲淤特征

2.1 码头附近水动力特征

长江下游镇江河段水流弯曲分汊，主流出六圩弯道后，分为左右两股分别进入和畅洲左、右汊，其中左汊水流沿和畅洲北缘至和畅洲东北角又从右过渡至左岸孟家港下行，右汊水流折向南至谏壁再向东贴南岸下行，在大港附近两汊道水流汇合，沿南岸再折向北五峰山下泄进入扬中河段。

孟家港码头位于和畅洲左、右汊汇流口下游的左岸(北岸)，以往研究结果表明，该处水流条件十分复杂。目前其上游和畅洲左汊为主汊、右汊为支汊，近期左汊分流比在65%～70%，相应右汊分流比在30%～35%。

孟家港码头附近典型流场分布见图3，从图中可看出，左、右汊汇流后，主流逐渐从左侧过渡到大港水道的右侧深槽，在孟家港码头上游侧(西南侧)存在一定的从左向右(偏向深槽)的水流，对码头西南直角形成顶冲态势，且流速相对较大，有时可超过2.0 m/s，尤其是在落急时刻，局部最大流速甚至可达2.5 m/s左右。

2.2 码头附近河床近期冲淤变化

码头所在大港水道多年来河势总体较为稳定，两岸岸线基本变化不大，虽河床冲淤交替，但深泓点的纵向与横向变化都不太。多年来尽管上游和畅洲汊道左右汊分流比变化明显，但和畅洲汇流点上提下挫幅度不大，基本上稳定在黄港附近，汇流点附近的深泓略有左摆，但汇流点以下大港水道的深泓线基本稳定在南岸，左摆右移幅度也不大，多年的摆动幅度不足100 m。

然而，孟家港码头因处于和畅洲左、右汊交汇口下端，由于水流条件十分复杂，码头附近局部河床则存在明显的冲淤变化，表现为码头局部水深条件变化较为剧烈，冲淤交替，且局部变幅较大。从该河段以往研究中的总体冲淤变化来看，2010年—2014年码头工程附近河床存在明显的冲淤变化，局部最大冲刷甚至可达10 m以上，局部最大淤积同样亦较大。2015年11月—2017年11月，冲淤幅度略小些，码头附近河床总体以冲刷为主，冲刷幅度在2.0 m左右。2017年11月—2019年4月码头附近冲淤平面分布见图4所示，如图可见：码头上游侧(西南侧)存在较明显的冲刷，最大冲刷深度可达6 m以上，其余区域有冲有淤，最大冲淤幅度一般在3 m左右。

依据近期码头附近局部地形测量结果，对码头附近的-16 m等高线进行了套绘，如图5所示。从码头建成以来(2016年—2019年)多个测次地形测量数据来看，受主流逐渐从左侧过渡到大港水道的右侧深槽的影响，码头上游侧(西南侧)存在一定的从左向右(偏向深槽)的水流，对码头西南直角形成顶冲态势，且流速相对较大，-16 m等高线出现冲刷的部位主要集中在码头上部约200 m的范围内(码头全长约790 m)。因此从防护的角度来看，这一冲刷范围亦是防护的重点区域，即码头的西南侧区域应加强防护。

码头附近河床冲淤的影响因素主要包括河道边界条件及来水来沙条件两大方面。具体而言，孟家港码头因处于和畅洲左、右汊交汇口下端，由于水流条件十分复杂，码头附近局部河床存在明显冲淤变化；受主流逐渐从左侧过渡到大港水道的右侧深槽的影响，码头上游侧(西南侧)存在一定的从左向右(偏向深槽)的水流，对码头西南直角形成顶冲态势，易出现冲刷；另一方面，因上游梯级水库建设，使得下游河道来沙量减少，也会造成河床的进一步冲刷；此外，随着和畅洲河段水利工程和航道整治工程的实施，也会带来新的河床冲淤调整，引起局部河床的冲淤变化。因此，受这些因素的影响，在未来一定时期内，和畅洲水道、大港水道仍会出现一定的冲淤变化。

综上所述，结合历史及最新测量资料来看，码头附近局部河床冲淤存在较大(>6 m)的变化。考虑后期码头投入运营后，该地形变化可能会对码头安全稳定产生不利影响。此外，随着流域来沙持续减少以及人类活动影响，将来有可能会引发局部河床的进一步大幅度冲刷。因此，非常有必要及时实施河床冲刷的防护措施，以确保码头工程的安全运营，其中码头上游侧(西南侧)区域是防护的重点区域。

3 冲刷防护措施研究

3.1 平面防护范围

依据前文码头工程附近多个测次的地形测量结果可见，码头上游段(尤其是西南侧)冲刷严重，比如2019年4月测量的数据显示局部已冲刷至-24～-25 m，危及码头结构安全。从前述水动力特性和冲刷范围分析来看，码头上游侧(西南侧)存在一定的从左向右(偏向深槽)的水流，对码头西南直角形成顶冲态势，且流速相对较大，根据码头建成以来(2016年—2019年)多个测次地形测量数据，-16 m等高线出现冲刷的部位主要集中在码头上部约200 m的范围内(码头全长约790 m)。因此，码头的中上段为防护的重点部位，其中码头上段则是重中之重，应优先对码头上段(200 m)加强冲刷防护，其他部位则需加强监测。

码头桩基防护平台高程以达到码头稳定需达到的高程为准，对于目前冲刷深度较大的部位，可考虑先采用充沙后的沙袋回填到一定高程，再在沙袋上进行冲刷防护结构的施工。除了做好上述码头桩基防护平台外，还应做好防护平台与周边河床的平顺衔接，尤其是要做好与码头上游侧及外侧(深槽侧)河床的平顺衔接。最新实测地形资料表明，码头前沿河床断面横向水下平均坡度为1:12～1:13，西南角强冲区域最大坡度则约为1:4，因此平顺防护区与河床衔接处的坡度设置为1:4～1:5。码头平台以外的防护范围(平顺防护)宽度不宜小于80 m，西南角强冲区域则应适当加宽至100 m。码头冲刷防护方案布置如图6所示。

6-a 平面布置 6-b 断面布置

3.2 防护结构形式

冲刷防护结构一般由反滤层和护面层组成；反滤层可采用级配碎石，也可采用软体排或沙袋等材料；护面层可采用块石、钢筋笼装块石、砼联锁块等材料。反滤层的主要功能是保土和排水，即反滤层实施后可保护河床基土减少冲蚀。护面层压载材料则可抵抗水流冲刷。

根据本项工程的实际情况，考虑到防护结构应具有适应变形能力强、施工快的特点，且较为经济实用，并利于今后对冲刷防护工程的维护。因而，采用灌装沙袋或级配碎石作反滤层，采用块石作为护面层压载材料。这两种材料结构均具有施工快捷、造价较低的优点，是一种较为理想的选择，但随着河床的冲刷和变形，也存在抛石流失的问题，需加强监测，必要时进行及时补抛和维护。另一种方案则是建议采用软体排作为反滤层材料，具有整体性强的优点，但施工难度大、费用偏高。

码头冲刷防护结构断面布置如图6-b所示，具体为：码头平台处-18 m高程以下抛投沙袋，沙袋顶部抛投2.0 m厚的块石，并与河床平顺衔接，平顺防护区底部采用级配碎石作为反滤层，上部护面层则同样采用块石，平顺抛石水下末端外侧设置防崩层，采用抛投四面六边体框架结构，码头西南角强冲区域宽度5～10 m，其余区域3～5 m，密度应大于2架/m2。

3.3 防护块石大小与稳定

护面层抛石能起到减小工程附近河床冲刷的作用，本次研究中从块石稳定角度对其粒径和重量进行计算。块体失稳的研究由来已久，虽然不同研究对块体的受力情况和失稳情况有不同的假定，但所得出的失稳公式的结构型式基本相似，主要可分为二类：以起动流速为变量的块石稳定性计算公式；以单宽流量为变量的块石稳定性计算公式。本研究选择以块石起动流速为变量的Gerritsen公式来计算

(1)

式中：γs为床沙颗粒容重，kg/m3；γ为水的容重，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d为块石粒径，m；K为待定系数，对于块石滑动时取1.22。

以上为采用具体流速与公式计算的块石稳定最小值，在具体防护时，还应考虑其他因素的影响进行确定，如地形坡度的影响，边坡上的块石起动存在重力在斜坡上的分力，起动更容易，块石起动流速随坡度的增大而减少。本工程考虑斜坡影响系数1.3，亦即最小稳定粒径不宜小于0.38 m(或0.26 m)的1.3倍，即最小稳定粒径应大于0.50 m(或0.34 m)。换算成重量，则块石最小重量应大于173 kg(或55 kg)。因此，护面层抛石重量应控制在60～200 kg，且要求为非均匀级配(即60～200 kg的各种块石大小都有)。石料不允许使用风化石、泥岩以及薄片、条状、尖角等形状的块石。

基于上述分析确定的防护措施实施后，通过初步试验结果表明，码头附近河床冲刷可得到较好的抑制，可起到保障码头桩基安全的作用。

4 结论

(1)孟家港码头位于和畅洲左、右汊汇流口的下游端左岸，左、右汊汇流后，主流逐渐从左侧过渡到大港水道的右侧深槽，在孟家港码头上游侧(西南侧)存在一定的从左向右(偏向深槽)的水流，对码头西南直角形成顶冲态势，且流速相对较大，因此，码头西南侧易出现明显冲刷。

(2)依据实测地形数据，出现冲刷的部位主要集中在码头上部约200 m的范围内(码头全长约790 m)。因此，建议码头的中上段为防护的重点部位，其中码头上段则是重中之重，应优先对码头上段(200 m)加强冲刷防护。

(3)防护结构由反滤层和护面层组成；反滤层采用级配碎石，也可采用软体排或沙袋等材料；护面层采用块石等材料。反滤层实施后可保护河床基土减少冲蚀；护面层压载材料可抵抗水流冲刷。防护措施的实施，可较好地抑制河床冲刷，起到保障码头桩基安全的作用。