施震余，張志杰，舒葉華

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

上海地處長(zhǎng)江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，北界長(zhǎng)江入?？?，每年汛期均不同程度地遭受臺(tái)風(fēng)、暴雨、海潮的襲擊，有時(shí)還受龍卷風(fēng)、冰雹的威脅。上海市“千里海塘”分處長(zhǎng)江口及杭州灣北岸。堤前灘勢(shì)的穩(wěn)定對(duì)主海塘(一線海塘)的運(yùn)行安全具有重要意義，在徑流、漲落潮流、波浪等因素的作用下，海塘堤前岸灘會(huì)出現(xiàn)淤漲、沖刷、沖淤交替等復(fù)雜的過(guò)程，若堤前的灘涂不斷受到?jīng)_刷，堤腳將會(huì)出現(xiàn)淘空失穩(wěn)現(xiàn)象，危及堤身安全，故“護(hù)堤先護(hù)腳”“護(hù)腳先保灘”。采取科學(xué)合理的保灘措施，是確保海塘及防汛安全的重要手段。

1 常見(jiàn)的保灘類型

在上海海塘建設(shè)和維護(hù)工作中，積累了不少保灘護(hù)底工程經(jīng)驗(yàn)。近60年來(lái)，在長(zhǎng)江口及杭州灣北岸陸續(xù)興建了大量丁壩、順壩、護(hù)坎等保灘工程，對(duì)所處岸段的堤前灘地保護(hù)及大堤堤身安全的保護(hù)發(fā)揮了巨大的作用[1]。目前，上海海塘前沿保灘丁壩共計(jì)352道，總長(zhǎng)41.0 km；順壩共計(jì)153條，總長(zhǎng)191.3 km。[2]

保灘工程按護(hù)岸機(jī)理分類，通常有挑流式、緩流落淤式、覆蓋保護(hù)式等；按防護(hù)對(duì)象與功能的不同而有丁壩、順壩、護(hù)坎等；從材料結(jié)構(gòu)上又可分為拋石、柴排、人工水草、軟體排、樁列和沉井等。

2 保灘類型的適用性淺析

2.1 挑流式

以實(shí)體結(jié)構(gòu)將主流挑離河岸堤防或來(lái)波削減，并盡量爭(zhēng)取在壩田區(qū)形成淤積，常見(jiàn)的有順壩、丁壩及其組合等，壩的結(jié)構(gòu)形式主要有拋石和樁列。

2.1.1 丁壩保灘

丁壩主要建在受徑流、潮流沖蝕的岸線，是上海地區(qū)最常用的保灘措施(見(jiàn)圖1)。它的保灘機(jī)理主要是將主流挑離堤防，從而降低壩田區(qū)水流流速，使泥沙在壩田區(qū)淤積，從而降低堤前灘地沖刷的風(fēng)險(xiǎn)[2]。上海地區(qū)保灘丁壩大都為淹沒(méi)丁壩，當(dāng)挑流的作用太大時(shí)，由于壩頭對(duì)水流具有頂沖作用，同時(shí)潮流受到丁壩的阻擋，往往會(huì)產(chǎn)生沿堤流，在壩頭外側(cè)產(chǎn)生渦流，不斷掏刷壩頭灘面，在壩頭外側(cè)會(huì)形成沖坑，沖坑逐步變大致使壩頭坍塌失穩(wěn)[3]。一旦形成上述情況，將使壩頭修復(fù)變得十分困難，工程造價(jià)大幅增加。因此對(duì)于新建丁壩，當(dāng)潮流作用很強(qiáng)時(shí)，不宜采用長(zhǎng)丁壩挑流型式，而應(yīng)選用短丁壩群組合挑流的型式[4]。但為了避免丁壩頭部形成沖刷坑，進(jìn)而連片形成近岸沖刷槽，宜采用勾壩型式，當(dāng)漲落潮潮流作用相差不大的情況下采用T型勾壩型式，對(duì)單個(gè)丁壩則加強(qiáng)壩頭的護(hù)底保護(hù)措施。

圖1 保灘丁壩照片

2.1.2 順壩保灘

順壩保灘主要適用于風(fēng)浪剝?yōu)┳饔脼橹?，具有向岸流作用的岸段，在杭州灣北岸上海地區(qū)應(yīng)用較普遍，長(zhǎng)江口亦有部分岸段應(yīng)用(見(jiàn)圖2)。順壩對(duì)堤前的波浪可以起到一定削減，降低壩田區(qū)的流速，起到促進(jìn)落淤的效果。

圖2 保灘順壩照片

2.1.3 樁式丁(順)壩

對(duì)于堤前灘面很低而潮流作用又很強(qiáng)，若在傳統(tǒng)的拋石壩上設(shè)置塊體消浪，為保證塊體穩(wěn)定，往往需要重量較大的塊體，且對(duì)施工和地基處理提出更高要求，往往會(huì)增加工程投資和施工難度，則可以考慮采用管樁丁(順)壩(見(jiàn)圖3)。由于傳統(tǒng)的拋石壩壩體高，拋石量大，不僅工程投資大幅增加，而且還涉及軟弱地基承載力問(wèn)題，必須進(jìn)行地基處理，增加施工難度。管樁壩不僅可使拋石工程量大量減少，降低工程投資，還能提高壩體的穩(wěn)定性。

圖3 樁式壩保灘結(jié)構(gòu)

在堤前設(shè)封閉板樁、沉井等方式屬“硬性結(jié)構(gòu)”，投資較高，適用于灘地沖刷變化范圍大，深度深，堤前灘地或環(huán)境受限制的堤段。但水下沉樁施工難度較大，且對(duì)樁壩外側(cè)的土體不能起到保護(hù)作用，對(duì)板樁壩與堤腳間的灘地沖刷也不能起到保護(hù)作用，可能在板樁的施打過(guò)程中還會(huì)加速外側(cè)土體的流失。封閉板樁可阻止外側(cè)深槽的繼續(xù)內(nèi)逼，但是板樁外側(cè)需拋投一定厚度及寬度的拋石護(hù)底加以保護(hù)。板樁壩內(nèi)側(cè)輔以緩流的隔壩以促進(jìn)壩頭間的淤積。

2.2 緩流式

采用拋投緩流塊體，對(duì)局部水流進(jìn)行擾動(dòng)，改變其流態(tài)，從而降低流速，使岸邊的沖淤態(tài)勢(shì)發(fā)生改變，來(lái)保護(hù)堤前灘地。常見(jiàn)的有榪槎、柴排、人工水草等。

榪槎即鋼筋混凝土四面六邊透水框架，其結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。榪槎保灘的優(yōu)點(diǎn)是榪槎重心低，自身穩(wěn)定，不易下沉，不易翻滾，框架透水，受力小，不會(huì)被水流沖走流失，有明顯的分散水流，消殺能量，降低流速的作用，減速率可達(dá)30%～70%，框架群自身在水中的穩(wěn)定坡度，由于其單體體形的穩(wěn)定性及相互間的嵌入、套疊等約束，可以構(gòu)成很陡的坡度[5]。相同保護(hù)面積下，榪槎保灘與混凝土聯(lián)鎖塊軟體排及拋石護(hù)灘比，具有其更好的穩(wěn)定性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，性價(jià)比較高。但對(duì)水下地形復(fù)雜的工程區(qū)域，榪槎保灘護(hù)岸經(jīng)驗(yàn)不多，特別是水深流急條件下還存在施工質(zhì)量難以控制，也難以檢測(cè)等問(wèn)題。

圖4 榪槎結(jié)構(gòu)圖

在長(zhǎng)江口南匯東灘促淤一期中，運(yùn)用了一種新型的塊體結(jié)構(gòu)——六面體透空塊體[6]。透空塊體為空腔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，重量較小[7]，施工安裝方便。透空塊體通過(guò)一定的擺放方式，具有較好的阻水和消浪作用，在低灘、軟基、風(fēng)浪較大的區(qū)域替代傳統(tǒng)拋石堤，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，且有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 六面體透空塊體結(jié)構(gòu)圖

柴排、人工水草的材料難以采購(gòu)，使用上同樣有不斷維護(hù)的困難，目前此類保灘結(jié)構(gòu)已基本不再使用。

2.3 覆蓋保護(hù)式

采用抗沖材料將沖刷的區(qū)域覆蓋，如軟體排、拋石護(hù)底、土工枕和混凝土模袋等。

2.3.1 軟體排

軟體排主要適用于堤前灘地高程較低，岸坡坡比較緩的區(qū)域。護(hù)底結(jié)構(gòu)受波浪作用力小，且軟體排為柔性結(jié)構(gòu)具有施工快，適應(yīng)地形能力強(qiáng)，對(duì)河床邊界條件改變較小，對(duì)區(qū)域河勢(shì)灘勢(shì)的影響也較小，對(duì)于低灘岸段是較為理想的保灘護(hù)底方式。軟體排護(hù)底是在傳統(tǒng)的柴排拋石基礎(chǔ)上進(jìn)化而來(lái)，它的保灘機(jī)理主要是利用抗沖材料——軟體排直接鋪設(shè)在堤前灘地的一定范圍內(nèi)，形成連續(xù)的覆蓋式護(hù)底從而使灘地免受水流和波浪的沖刷?；炷谅?lián)鎖塊軟體排具有較好的整體性和適應(yīng)變形的能力，可隨河床刷深而下沉，排布對(duì)被保護(hù)的下部土體有可靠的封閉作用，防止土體被水流帶走，上層的混凝土聯(lián)鎖塊可有效抵御水流的沖刷及波浪的掀動(dòng)，從而保證排布對(duì)下部土體的有效覆蓋。但排體作為保灘結(jié)構(gòu)其使用壽命實(shí)際工程檢驗(yàn)少，特別是水深較淺處排布在紫外線作用下的抗老化能力難以確定。

2.3.2 拋石護(hù)底

在灘地及其岸坡上直接拋石形成防沖保護(hù)層，是最古老而常用的保灘方法，在不易建壩或不宜建壩、又不具備鋪軟體排的時(shí)候，拋石護(hù)底仍是一種較為合適的方法，常輔以柴排等，施工較為方便，效果也比較好，但拋石易滾落，維護(hù)工作量大，常常是一汛一修。

2.4 組合式

鑒于河勢(shì)灘勢(shì)的變化具有一定的復(fù)雜性，岸灘的侵蝕后退往往是潮流、波浪等多種因素共同作用的結(jié)果。由于不同類型的保灘措施的作用機(jī)理不同，對(duì)于這種多因素作用的區(qū)域，往往采用幾種保灘措施組合保灘的方式。上海常見(jiàn)的組合型式有丁壩+順壩組合、丁壩+覆蓋式組合等。丁壩+順壩組合保灘的型式可利用順壩有效阻止波浪引起的灘地剝蝕、快速后退，同時(shí)采用丁壩挑流，促進(jìn)丁壩間壩田區(qū)域?yàn)┑刂鸩接俜e。丁壩+覆蓋式組合的保灘方式往往在壩頭外側(cè)鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖塊排體，可有效解決壩頭沖刷而引起的壩頭坍塌。

3 典型案例

案例1丁壩+護(hù)坎保灘工程區(qū)域位于崇明島西北端，屬長(zhǎng)江北支，海塘前沿灘地逐年沖深形成深槽，邊灘沖刷后退形成陡坎，蘆葦高灘逐步變窄。本區(qū)域主要受潮流及上游徑流的雙重作用，堤腳前溝槽較深，故采用短丁壩群保灘，促使丁壩間壩田區(qū)域?yàn)┑刂鸩接俜e。鑒于丁壩建成初期，壩根高灘陡坎仍有被沖刷后退的可能，考慮采用護(hù)坎保護(hù)陡坎不被水流沖刷快速坍塌后退，見(jiàn)效較快。因此，本工程保灘方案結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)形式各自的功能，采用護(hù)坎防止高灘陡坎快速后退，丁壩促進(jìn)丁壩間壩田區(qū)域?yàn)┑刂鸩接俜e的組合保灘方案，工程平面布置圖(見(jiàn)圖6)。保灘工程實(shí)施后保灘效果較為明顯。

圖6 工程布置圖

案例2順壩保灘工程位于杭州灣北岸，區(qū)域岸坡的沖刷主要受風(fēng)浪影響較大，漲落潮流作用不大。順壩保灘主要適用于風(fēng)浪剝?yōu)┳饔脼橹?，主要?yīng)用于具有向岸流作用的岸段，如杭州灣北岸。就本工程而言，海塘外側(cè)灘地較平緩，順壩自身穩(wěn)定較容易控制。順壩對(duì)堤前的波浪具有一定的削減作用，可以降低壩田區(qū)的流速，起到促進(jìn)落淤的效果。故在本工程區(qū)域采用順壩保灘的型式，工程平面布置圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 工程布置圖

案例3緩流式保灘工程位于長(zhǎng)江口南北港分流口附近的新橋通道南側(cè)，青草沙水庫(kù)北堤上中段附近，主要表現(xiàn)為深槽沖刷逼岸，岸坡不斷陡化。自然情況下河勢(shì)極其不穩(wěn)定，影響北堤上中段灘面演變的因素十分復(fù)雜，且灘地高程較低，灘地高程達(dá)-10～-15 m。若采用丁壩保灘，對(duì)本區(qū)域的河勢(shì)有一定的影響，且灘面高程較低，壩體的穩(wěn)定性較難控制，且工程投資較大。若采用覆蓋式保灘，只能保護(hù)灘地不受沖刷，不能降低水流流速。故本區(qū)域采用榪槎的保灘型式，對(duì)河床起到了一定的保護(hù)作用，工程平面布置(見(jiàn)圖8)。

圖8 工程布置圖

4 結(jié) 語(yǔ)

上海市“千里海塘”分處長(zhǎng)江口及杭州灣北岸，不同位置岸坡的沖蝕方式各有特點(diǎn)。不同的保灘工程類型，其保灘機(jī)理不盡相同。在保灘工程設(shè)計(jì)與布置過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)岸坡沖蝕區(qū)域的河灘灘勢(shì)演變規(guī)律，分析其岸坡沖蝕的主要原因，選用合理的保灘措施。

由于河勢(shì)變化具有復(fù)雜性，同時(shí)保灘工程實(shí)施前后灘勢(shì)發(fā)生了變化，進(jìn)而對(duì)河勢(shì)的變化造成一定的影響，從而反過(guò)來(lái)影響區(qū)域的灘勢(shì)，因此，在保灘工程實(shí)施的事前、事中、事后應(yīng)對(duì)工程周邊的灘勢(shì)定期、定斷面進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，掌握分析其演變規(guī)律，確保灘涂及海塘安全，同時(shí)為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。