潮汐汊道水工建筑物与动力地貌相互作用的应用研究

2023-12-27周嬴涛徐青山冯曦朱钰金言王为群冯卫兵何俊彪

中国港湾建设 2023年12期

周嬴涛，徐青山，冯曦，朱钰，金言，王为群，冯卫兵，何俊彪

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098；2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125；3.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；4.海南省海洋地质调查院，海南海口 570206；5.大连理工大学建设工程学院，辽宁大连 116024）

0 引言

城市核心区滨水绿廊建设是滨水城市提升形象的重要举措[1-2]，上海黄浦江滨江贯通工程[3-6]，为潮汐河口地区的人行步道工程提供了很好的借鉴作用。滨河栈道结构设计与码头护岸等具有相似性，但结构更为轻巧美观，需要满足承载力和外观的双重要求，因此，因地制宜的改造和外拓，成为滨河栈桥平台工程中特别需要关注的要点和难点[7]。潮汐汊道因其复杂的水流和波浪特征[8-9]，导致在此区域进行水上栈桥平台设计时不仅要考虑到结构稳定和美观耐用，还要考虑施工的可操作性，而目前的工程案例也不具有普适性。因此文章以海口湾畅通工程二期中的滨河人行栈桥平台设计要点为例，针对潮汐汊道往复流的特征，总结了在土层地质软弱条件下，结合对现状护岸的利用和加固改造，提出基于市政管线不搬迁，不影响滨河道路交通等为前提的栈道平台设计方案，为河口潮汐汊道区域的离岸水上结构的建设提供借鉴。

1 研究概述

1.1 研究区域

海南省海口市海甸溪南北岸堤防工程从上世纪60 年代开始建设，现状已经全线建成，但防洪标准由于各时期建设标准不同，南岸现状为20～50 a 一遇，北岸部分旧堤防洪标准为20～50 a 一遇，局部达到100 a 一遇的防洪标准，现状堤防结构形式基本为直立式浆砌块石结构。

图1 海口湾畅通工程位置Fig.1 Location of Haikou Bay Smooth Traffic Project

1.2 数据来源

通过对工程区域沿岸现状的梳理，因地制宜地进行片区划分结合景观设计进行栈桥平台结构设计，满足景观三道贯通布局要求，对现状陆域场地不足之处以栈桥平台形式补充。

工程地形采用实测1 ∶1 000 地形图，工程区域潮位属于不规则日潮混合潮，一个月内日潮天数为15～18 d，其它时间为正规半日潮，且潮汐不等现象显著。海甸溪在一个大潮周期中[10]，东向纳潮量为54.4×105m3/d，西向纳潮量46.7×105m3/d，其净输运量为7.7×105m3/d，方向由西向东。龙塘站为南渡江流域的控制站[11]，横沟河与海甸溪的分流比为76 ∶24。海甸溪内涨潮时，潮流方向由西向东，涨急时刻最大流速为22.5 cm/s；落潮时，海甸溪内潮流方向由东向西，落急最大流速为44.8 cm/s，涨落急最大流速均出现在人民桥桥下段，且落急最大流速大于涨急最大流速[12]。

根据湾口东侧白沙门站（110°20'E，20°04'N，1984 年5 月—1985 年4 月）和西侧后海站（110°12'E，20°04'N，1977 年5 月—1979 年4 月）两个短期波浪测站的资料统计表明[13]：该湾全年波浪以风浪为主，风浪频率76%～85%；风浪以冬季出现最多，频率为82%～93%，春、夏较少；海口湾及其湾口东、西两侧岸段的波浪场主要受北向风浪场控制。常浪向和次常浪向以NE 和ENE 向为主，后海站这两个方向波浪合计频率为54%，白沙门合计频率为43%；由表1 可见，常浪期间两波浪测站的波高均较小，周期在3.0～6.0 s 之间。其中，白沙门站强浪向为N 向，最大波高3.0 m，最大周期6.0 s；后海站强浪向为ENE 向，最大波高2.0 m，最大周期6.1 s。工程区域附近月均波高为0.2～0.7 m。因此采用定常波浪进行研究，取有效波高1.0 m 的不规则波；波浪谱峰周期取海域平均周期3.6 s 为特征周期；来波波向选取代表性的W 向，并同时组合W 向6.0 m/s 定常风况和实测历时潮位组合作为边界条件。

表1 白沙门和后海站各向波高与周期统计表Table 1 Statistical table of wave height and period in each direction in Baishamen and Houhai stations

1.3 设计难点及创新

工程区域地质条件较差，土质软弱，淤泥层较厚，且感潮河口水文及潮流条件十分复杂，风大浪高，潮位涨落频繁，洪暴期间，洪峰下泄流量又是十分巨大，洪水流速猛增，对水上贯通平台的安全性均提出了较高的挑战。在提出设计方案前有必要进行防洪、防风暴潮等相关方面的充分论证。

海甸溪滨河沿岸两侧均设有城市道路，驳岸陆域腹地狭窄，且绝大部分赋予了滨河道路人行道的功能，种植有大型乔木，路面之下布设有大量市政管线（含燃气管、军用光缆等），沿河还设有城市排涝泵站及雨水排放口，工程实施期间不得影响沿河道路的交通功能，对排水设施均需予以重点保护，沿岸大型绿植一般不予搬迁或损坏；沿线老驳岸建于上世纪六七十年代，大多采用浆砌石挡墙结构，无桩基，长期沉降后受损严重，如何保护与修复老驳岸，增强工程区防洪潮安全也是件繁重的任务。

现状堤岸经检测，护岸结构整体基本完好，部分护岸结构存在墙身破损、淘空、坍塌等病害；护岸结构整体稳定，局部结构存在明显的不均匀沉降、变形和变位现象；贯通平台沿线断点众多，跨越海甸溪有人民桥、和平桥及新埠桥等3 座桥梁，桥下陆域空间狭窄，如何将贯通平台从已建桥台下方顺利穿越，也是难题。

在设计时首先对工程区域的整体流场进行研究，通过合理布局，合理确定水上贯通平台各分区顶高程，优化解决了工程区防洪、防风暴潮的安全性问题；结合景观总体要求，现状沿河防潮堤驳岸挡墙基本保留不动，对陆域贯通空间布设宽度不足之处按水上贯通平台方式予以适当拓宽，贯通平台采用水上透空式高桩多肋梁板结构，一次成型地完成三道贯通工程的景观平面布置，节省了二次砌石的工作量；通过合理设置每个结构分段的平面尺寸和桩基平面布置，避让和保护城市排涝泵站及雨水排放口；对于破损不严重、无崩塌仅外表面块石脱落严重的驳岸区段，设计建设性地提出采用原位加固方式，采取喷射混凝土作为粘合剂的方式，原位修复了浆砌石驳岸结构，不仅节省了拆除重建工法下面临的大量施工工序及开挖、砌筑等工作量，减少了对周边环境的影响，加快了工期，而且快速修复后驳岸结构均达到了规范要求；设计采用短桩基础连续梁板大跨结构，利用小巧式桩基施工设备，克服了桥梁下方净空狭小、水流冲击大的难题，圆满完成了桩基及贯通平台结构施工。

举世浑浊唯我独清，这是什么滋味，玉敏现在体会到了。还了钻戒，罗兰金店所有的人，从老总到员工，都很欣慰，喜悦之情溢于言表。他们不为钻戒愁也不为玉敏愁了，而玉敏依然心急如焚。而玉敏有愁却不能表现出来，丝毫马脚都不能露，必须藏着掖着，陪着一店人嘻嘻哈哈。花奴李琳她们不时还会说起这事，会为玉敏庆幸，玉敏不得不表现出冰火两重天的境界来——表面如火，内心如冰。

根据项目区地勘报告，工程场地内土质组成从上到下依次为：杂填土、粉砂、淤泥、中砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、细砂、粉质黏土等。由于本工程范围较大，地质条件复杂，故考虑对不同区域的结构单体采用不同类型的桩基。水工结构工程中较常用的桩基包含钢管桩、混凝土预制管桩和钻孔灌注桩，由于本工程所在区域水体及淤泥腐蚀性较大，故考虑采用抗腐蚀性较好的混凝土预制管桩和钻孔灌注桩。

由于目前滨水栈桥的设计高程并无行业标准可以参考借鉴，因此在确定栈桥顶面高程时主要参考设计堤防顶高程与水位的关系；并同时考虑到亲水的需要，尽可能在满足结构耐久性的前提下降低顶高程。

针对难题与挑战，在设计时紧扣海口湾贯通主体功能，以安全为核心，对水上贯通平台建设展开了多维度的理论研究，合理确定了水上贯通平台的防洪标准、顶高程，优化水上贯通平台的结构形式，创造动感、休闲、人文的滨河海岸空间，增强工程区防洪潮安全、提高城市核心滨海区河岸生态带功能。

2 数值模拟

2.1 模型设计与验证

通过对区域水动力场的建模分析，进一步了解工程区域水动力特征，为栈桥平台的建设提供参考，通过动力-结构耦合模型，进一步优化结构，在稳定安全的基础上尽量减小结构外露面，优化设计。

建立区域二维XBeach 数学模型，对建设区域的动力环境进行模拟，模型计算范围以海甸河为中心，西边界为海口湾，东边界为横沟河。模型采用高分辨率四边形网格，网格间距为0.2～4 m。在计算域中，采用实测地形，该剖面的零点对应于85 高程基准。采用Surfbeat 模式。入射波边界允许斜入射和反射波穿过边境，沿河道方向的边界均采用的是二维弱反射边界，垂直河道的横向边界采用没有通量的wall 边界。主要的观测点选在区域特征段A、特征段B、C（图1），根据当地的水文资料设计了最不利的几种工况进行数值模拟。计算结构单桩竖向承载力特征值[14-15]，上部主要承受面板及种植荷载，计算时考虑荷载放大系数[16]，根据地勘资料，工程场地为中等液化场地，对于液化土层桩侧极限摩阻力[14-15]，土层液化影响折减系数取2/3；由于桩端持力层为黏土，计算桩端极限端阻力取折减系数0.6；考虑到当地地质条件以及施工条件，设计采用φ800 钻孔灌注桩，桩基按端承桩设计，且桩端进入持力层深度不小于2 倍桩径[17]，具体桩长逐段依据地质情况而定。在有效桩长均为17 m 的计算条件下，特征段A、B、C 通过经验公式计算所得单桩承载力设计值[14-15]分别为725.19 kN、723.52 kN、765.25 kN；而对应的模型计算值分别为692.1 kN、621.1 kN、639.8 kN。

下文选取3 个特征段（图2）进行有限元计算分析，纵向计算取一个分段长度15 m，上部荷载取结构自重+人群5 kPa+种植16 kPa；特征段A主要分布于海甸溪北岸海南大学门口段，该段水面较宽，易受海甸溪西侧口门潮流影响，水上栈道总长约402.8 m，布置于现状驳岸线外侧2.3～7.5 m 水域，平台上部结构为整体式梁板结构，上部结构规则，种植槽尺度约1.65 m；特征段B、C主要分布于海甸溪南岸沿长堤路，水上栈道总长1 603.8 m，布置于现状驳岸线外侧约12 m 水域，平台上部结构为整体式梁板结构，3 个特征段均布设花木种植槽；分别计算3 个特征段梁系的剪力、弯矩与桩基的轴力、桩顶位移。

采用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH中的STATIC STRUCTURE 模块进行结构内力计算（图3），平台为高桩梁板式结构形式，主结构由面板、纵梁、横梁及桩组成。为提升计算效率及计算精度，将梁系与桩简化为一维梁模型，采用适用于分析细长梁的三维线性梁元beam188 元，梁系与桩的模型结构如图4 所示；将面板简化为二维壳模型，采用适用于分析薄壳的三维八节点有限应变壳元shell181 元，梁系与桩的连接为固接，地基采用地弹簧模型。高桩栈道平台有明确的力的传递路径，即面板将荷载传递给纵梁，纵梁将力传递给横梁，横梁将力传递给桩，最终由桩将力传递给地基土。

图3 结构模型网格Fig.3 Structural model grid

图4 海甸溪二维模型水深及潮位验证Fig.4 Verification of water depth and tidal level for the 2D model of Haidian River

动力模型与结构模型采用单向耦合，由XBeach 在指定点的输出水位、波高和流速作为ANSYS 的输入条件，由水位判断结构物的受力区域，水位低于面板时，主结构主要为群桩受波浪和水流作用的水平向荷载；水位较高时，面板会受浮托力作用产生向上的变形。

动力模型采用实测潮位站（图4）历时水位进行验证，可见模型网格的精度能大致反映潮位特征，但模拟结果的峰值与实测略有偏差，其原因可能是，该潮位站位于海甸溪河道束窄段，且地处紧邻和平桥的南岸下游，地形数据测量的精度可能存在偏差，但外海传入潮汐汊道的波流因地形原因在汊道束窄段前已逐步消散，故不影响模型对整体海甸溪动力特征的定性分析。

2.2 试验结果分析

2.2.1 水动力模拟结果

海甸溪潮汐通道从西至东呈喇叭形逐渐束窄状延伸，河面开阔处水深较深，西侧口门两侧两岸水深逐渐变浅且局部存在低潮位时露出水面的浅滩；波浪自西侧口门传入后逐渐减小，在特征段A 堤前波高衰减至0.2 m 以下，而流速分布则显现出在近岸水深浅处和东侧束窄河段内较大的特征。特征段A 堤前流速大于0.5 m/s，而特征段B、C 由于经历了河床断面束窄后增大，该区域堤前流速较小，约0.1 m/s。从特征段断面不同动力工况叠加的模拟数值来看，波流耦合对潮汐汊道的流速控制占主导作用，在全要素驱动下（潮位+波浪+风）河道横断面流速的变化最大，呈现流速强弱与水深大小呈负相关的趋势，即水深浅处的近岸及浅滩附近流速较大，水深较深的河道主槽流速较小。

结构模型所选特征段A、B、C 区域，将各区域指定位置输出的波高、流速、水位等作为边界输入条件驱动结构模型进行受力计算（图5）。

图5 涨急情况下波高流速分布Fig.5 Wave height and velocity distribution in spring tide

2.2.2 结构响应模拟结果

从上部结构的变形和应力情况来看，在持久作用下，特征段A 面板竖向位移近20 mm，而特征段B、C 面板竖向位移仅7 mm，原因可能是由于特征段A 纵向布置的种植荷载布置范围占比较大，且桩基础较特征段B、C 少，因此面板位移较大；特征段B、C 的桩顶位移较小而桩间位移较大，这与简支梁弯矩分布趋势相近，跨中弯矩最大使面板产生了较桩顶更大的位移，且临水面的位移大于背水面；特征段C 由于种植荷载平面分布不均匀，也导致了整个面板的位移不均匀，但总体变幅很小；从应力分布来看，各剖面桩顶横梁的应力较为集中，但均小于100 kPa，对结构沉降和稳定的影响很小。各特征段的弯矩、剪力、轴力、位移（见表2）均小于规范限值，因此总体来说栈桥设计结构的整体受力均匀稳定，变形协调，在持久稳定的上部荷载作用下，整体结构趋于稳定。结构持久作用下变形、应力云图见图6。

表2 结构模拟值汇总Table 2 Summary of structural simulation values

图6 结构持久作用下变形、应力云图Fig.6 Deformation and stress cloud map under sustained structural action

高桩平台有明确的力的传递路径，即面板将荷载传递给纵梁，纵梁将力传递给横梁，横梁将力传递给桩，最终由桩将力传递给地基土。低潮位时，波浪力直接作用于群桩桩体，特征段A 区域水域开阔，近岸波浪水流作用较特征段B、C区域大，但由于常浪情况下整体动力情况偏小，且特征段A 区域近岸存在水深小于1 m 的浅滩，故桩柱绕流引起的响应也较小；当水位高于桩顶高程时，波浪浮托力作用在栈桥面板上，会对结构整体受力产生影响。由于地形原因，外场入射的波浪仅能影响河口地区，对束窄汊道内影响较小。因此只有位于河口敞开段的栈桥特征段A 需要考虑波浪浮托力的影响。由于结构位于岸边[18]，由斯奈尔定理可知当波浪传播至岸边时会因浅水变形而正向作用于岸边结构上；而栈桥结构为独立的桩基支撑，与原有驳岸之间没有联系；设计高水位1.51 m 时，由于面板底部超高较大，波峰无法作用在面板上，因此不需要计算波浪浮托力。当水位达到2.20 m，且面板底部高于静水位，因此需要考虑波浪浮托力作用，不需要考虑静水浮力作用。经计算[18]，面板底部纵向单位长度上的最大总浮托力为18.08 kN/m，面板底部均布压强3.23 kPa；当极端高水位2.93 m 时，淹没了栈桥结构，因此不需要计算波浪浮托力，但需要计算静水浮力。计算静水浮力时仅考虑面板下表面水压力，不考虑上表面水压力，增加计算安全冗余。当水位为2.93 m 时，面板下表面在水下-0.43 m处，此时下表面静水压强为4.3 kPa。

3 问题及讨论

台风期骤淤问题是研究潮汐汊道中开敞式航道冲淤变化的重要课题[19-21]，海甸溪西接海口湾，东连南渡江，其涨落潮期间的往复流特征明显，但由于海甸溪水深较浅，近岸床底淤泥层较厚，由于海口湾提供了较好的掩护条件，且河道逐渐蜿蜒曲折，导致常浪情况所能产生的近岸波流特征值并不大。202118 号台风“圆规”在海南岛登陆，产生的风浪冲击海口湾，导致海口湾万绿园及世纪大桥以西等设计高程为50 a 一遇的海堤出现越浪溢淹现象（图7），加之潮汐河道口门外风大浪急，造成堤后路面结构损毁，绿化植被倒伏；而潮汐汊河口内海甸溪沿岸堤防设计堤顶高程为100 a 一遇，且近岸水深较浅，低潮位时存在裸露浅滩，因此对台风浪的响应较弱。将202118 号台风对海甸溪的影响简化为强波浪要素+高潮位+强风速的边界条件，可见在极端天气作用下，海甸溪河口内存在骤淤趋势，其体现在特征段A 附近水深较浅处及河宽束窄处的泥沙近岸落淤，该两处均流速较大，主要原因一是由于该处河床表面为粉砂层，相较于黏结力较大的淤泥质海床，更易起动输运[22-23]；二是开敞段波高较大，近岸破碎后其掀沙作用强，在流速作用下进行输送。但总体淤积深度小于1 m（图8）；因此，初步判断极端天气对海甸溪潮汐汊道内的栈桥结构和航道床面稳定影响较小，结构建成后基本不会对原床面产生骤冲骤淤，但需关注A 区域和河宽束窄处的床面高程变化，由于海甸溪的航道靠近北岸，也需及时进行清淤保障航道水深。同时，方案设计阶段需要注意的是，在利用现有堤防进行景观化改造前，首先需要求堤顶高程与堤身稳定满足水利防洪要求。