長江口南槽地區(qū)導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)選型研究

黃建玲，李鵬飛，陳海峰

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200000；2.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

引 言

導(dǎo)堤是設(shè)在河口的整治建筑物，起引導(dǎo)和集中水流、沖刷攔門沙及淺灘、維持和增加航深的作用，又稱導(dǎo)流堤。長江口南槽地區(qū)是進(jìn)出長江的重要通道，研究該地區(qū)的導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)選型有助于提升長江口航道能力，緩解北槽深水航道超寬船舶會遇矛盾，還可以分流北槽船舶，保障長江口航道暢通、沿線港口正常生產(chǎn)的需要。本文將結(jié)合長江口南槽航道治理一期工程，對導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行探討。

1 工程概況

長江河口呈“三級分汊、四口入海”的格局，其入海通道自北向南依次為北支、北港、北槽和南槽。南槽航道的規(guī)劃目標(biāo)水深8 m，滿足萬噸級船舶乘潮通航。長江口南槽航道治理一期工程包括江亞南沙和九段沙兩區(qū)段。整治建筑物包括江亞南沙護(hù)灘堤、九段沙護(hù)灘堤和6條丁壩，整治建筑物總長度45 850 m。

主要整治建筑物特征如下：

1）江亞南沙護(hù)灘堤

限流段：布置限流段4.0 km（上端順接分流魚嘴南線堤，下段順接江亞南沙高灘0 m線），封堵江亞南沙沙頭竄溝。限流段高程2.0 m（吳淞基面，下同）。

護(hù)灘段：沿江亞南沙南緣6 m等深線布置4.7 km長的1.0 m高程江亞南沙護(hù)灘堤護(hù)灘段。護(hù)灘段頭部與限流段相連，設(shè)置200 m由2.0 m至1.0 m過渡段。尾部設(shè)置1.2 km過渡段，高程由1.0 m均勻過渡至自然泥面-2.0 m。

2）九段沙護(hù)灘堤

在九段沙自然保護(hù)區(qū)外側(cè)，沿九段沙南緣6 m等深線布置約29.8 km長的2.0 m高程九段沙護(hù)灘堤。護(hù)灘堤頭部以弧段設(shè)計與九段沙自然銜接，銜接區(qū)域設(shè)置500 m長1.0 m至2.0 m過渡段。

3）丁壩群

在九段沙護(hù)灘堤南側(cè)，布置丁壩群。丁壩群包含6條丁壩，長度分別為650 m、950 m、1 200 m、1 250 m、1 400 m、1 500 m。丁壩高程2.0 m。

2 工程建設(shè)條件

2.1 設(shè)計流速

根據(jù)本工程三維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究成果，取江亞南沙堤頭及西側(cè)堤身設(shè)計流速為3.0 m/s、東側(cè)堤身設(shè)計流速為2.0 m/s；九段沙護(hù)灘堤堤頭設(shè)計流速為3.0 m/s、北側(cè)堤身設(shè)計流速為2.0 m/s、南側(cè)堤身設(shè)計流速為1.8 m/s。

四要定期適當(dāng)?shù)卣{(diào)整班級座位。座位編排需要隨時調(diào)整，并注意間隔時間，通常每隔一個月調(diào)整一次比較適宜。調(diào)整時不僅要左右輪換，還要前后輪換，在此過程中一定要積極接納學(xué)生的意見。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)水深地形圖顯示的擬建堤軸線處天然泥面高程和堤頂設(shè)計高程，對整個堤身高度進(jìn)行區(qū)段劃分：泥面相對平緩，堤身高度較大處劃為同一區(qū)段；泥面高程變化較大，堤身較小處劃為同一區(qū)段。再根據(jù)區(qū)段內(nèi)地質(zhì)分層的差異進(jìn)行細(xì)分。

江亞南沙段天然泥面高程約為-9.0～-0.1 m，堤頂高程1.0～2.0 m，下游堤頂高程逐步降低至天然泥面。地基表層覆蓋有0.6～5 m厚度以Ⅱ3-b灰黃色粉細(xì)砂為主的硬土層，其下為軟土層，軟土層主要為Ⅲ1灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、Ⅳ1-b灰色淤泥層和Ⅳ1-a灰色淤泥質(zhì)黏土層。

九段沙JD0+000～JD16+000區(qū)段天然泥面高程約為-7.5～1.50 m，地基表層覆蓋有2～4 m厚度以Ⅱ3-b灰黃色粉細(xì)砂和Ⅱ3-c灰黃色砂質(zhì)粉土為主的硬土層，其下為軟土層，軟土層主要為Ⅲ1灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、Ⅳ1-a灰色淤泥層和Ⅳ1-b灰色淤泥質(zhì)黏土層。

九段沙JD16+000～JD30+200區(qū)段天然泥面高程約為-7.5～-6.2 m，地基表層基本無硬土覆蓋，主要為Ⅲ1灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、Ⅳ1-a灰色淤泥層和Ⅳ1-b灰色淤泥質(zhì)黏土層。

2.3 波浪條件

根據(jù)長江口南槽航道治理一期工程設(shè)計波浪要素推算報告，對各個方向的波浪進(jìn)行統(tǒng)計和分析，確定各個區(qū)段設(shè)計波要素，并結(jié)合地質(zhì)條件，進(jìn)行區(qū)段劃分。

選取50年一遇設(shè)計高水位H1%波高值進(jìn)行統(tǒng)計和分析，江亞南沙和九段沙護(hù)灘堤工程實施前各向波浪統(tǒng)計見圖1，九段沙護(hù)灘堤和丁壩在工程實施后各向波浪統(tǒng)計見圖2和圖3。

圖1 護(hù)灘堤各向波浪統(tǒng)計（施工前）

圖2 護(hù)灘堤各向波浪統(tǒng)計（施工后）

圖3 丁壩各向波浪統(tǒng)計（施工后）

根據(jù)波向和堤軸線方向，按地質(zhì)和堤高劃分后，對每個區(qū)段進(jìn)行多方向波浪力計算確定設(shè)計波要素。波向和堤軸線法線夾角在 45°內(nèi)，直接按該向波要素計算波浪力，波向和堤軸線法線夾角大于45°，計算波浪力并進(jìn)行折減，各項波浪力進(jìn)行比較，選最大波浪力方向數(shù)值作為該區(qū)段設(shè)計波要素。

根據(jù)長江口南槽航道治理一期工程設(shè)計波浪要素推算，本工程50年一遇設(shè)計波要素見表1～表3。

表1 江亞南沙計算波要素

表2 九段沙計算波要素

表3 九段沙丁壩計算波要素

3 整治建筑物結(jié)構(gòu)選型

3.1 江亞南沙區(qū)段結(jié)構(gòu)選型

江亞南沙區(qū)域表層土為粉砂層，表層砂厚度為2～5 m，向下分布著厚度約16 m的淤泥質(zhì)黏土層。天然泥面最低處高程約為-9.0 m，最高處約為-0.1 m，多數(shù)區(qū)段在-6.0 m左右。因此，堤身高度小于5 m區(qū)段采用拋石斜坡堤，其余區(qū)段采用半圓體構(gòu)件堤。

圖4 半圓體結(jié)構(gòu)斷面示意

圖5 拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)斷面示意

3.2 九段沙區(qū)段及丁壩群結(jié)構(gòu)選型

從西側(cè)零點至16.0 km區(qū)段，表層砂和粉土厚度基本為2～4 m，向下分布著厚度約18 m的淤泥土或淤泥質(zhì)黏土層。天然泥面高程在-6.0 m左右。本區(qū)段堤身高度小于5 m區(qū)段采用拋石斜坡堤，其余區(qū)段采用半圓體預(yù)制構(gòu)件堤。

16.0～30.2 km區(qū)段，段采用了塑料排水板加固地基的空心塊體斜坡堤結(jié)構(gòu)，大幅減輕堤身重度，以適應(yīng)軟土地基。

本工程16.0～30.2 km范圍內(nèi)地形、地質(zhì)和波浪條件和NIIC區(qū)段較為類似，一般的預(yù)制構(gòu)件堤或斜坡堤方案適用困難。由于長江口周邊區(qū)域砂石料來源匱乏，該區(qū)段波浪大，施工條件較差，結(jié)合連云港徐圩港區(qū)防波堤工程在淤泥質(zhì)軟土地基上采用桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成功實施經(jīng)驗，采用桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)堤的主要優(yōu)點有：構(gòu)件大，很大一部分水上工作量轉(zhuǎn)為陸上預(yù)制，浮運至現(xiàn)場采用負(fù)壓下沉安裝，施工受自然條件影響小，速度快；不要對地基進(jìn)行加固處理，可節(jié)省大量的地基處理費用及時間；采用拋石量少，對石料依賴少。連云港徐圩防波堤總長21.78 km，其中約7 580 m采用了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直立堤，典型斷面見圖7，工程區(qū)段泥面表層為一定厚度的軟土層，土體為含水量達(dá)到64.5 %，粘聚力6.5 kPa，內(nèi)摩擦角2.5°；設(shè)計波要素見表4。

表4 連云港徐圩防波堤設(shè)計波要素

圖6 拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)斷面示意

圖7 桶式基礎(chǔ)直立堤結(jié)構(gòu)斷面示意

結(jié)合長江口地區(qū)半圓體實施的成功經(jīng)驗，利用半圓體結(jié)構(gòu)的抗波浪優(yōu)勢，擬采用上部半圓體和下部桶式基礎(chǔ)組合的結(jié)構(gòu)型式，尤為適應(yīng)該邊界條件下的導(dǎo)堤建設(shè)，相比于常規(guī)的預(yù)制構(gòu)件堤和斜坡堤方案，存在可一次成堤、施工速度快、現(xiàn)場工程量少、對石料依賴性低、無需采取防臺防潮措施和造價低、可控的諸多優(yōu)點。此區(qū)段采用半圓體桶式基礎(chǔ)組合導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)，堤頂高程為 2.0 m。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面尺度為30 m×20 m，為近橢圓形形狀，桶內(nèi)設(shè)格倉。上部結(jié)構(gòu)采用半圓體構(gòu)件，與基礎(chǔ)桶體形成整體，半圓體半徑為5 m，上部結(jié)構(gòu)總寬10 m。構(gòu)件在預(yù)制場制作成型，半潛駁運至現(xiàn)場下沉施工成堤，桶體基礎(chǔ)兩側(cè)鋪設(shè)聯(lián)鎖塊體軟體排護(hù)底，局部采用拋石護(hù)底銜接。

圖8 桶式基礎(chǔ)半圓體結(jié)構(gòu)斷面示意

拋石斜坡堤、半圓體預(yù)制構(gòu)件堤等整治建筑物結(jié)構(gòu)型式在長江口深水航道治理工程一期、二期類似工程中已有成功應(yīng)用，本文不再詳述。半圓體桶式基礎(chǔ)組合導(dǎo)堤作為新型結(jié)構(gòu)在長江口地區(qū)工程中首次應(yīng)用需進(jìn)行重點研究。

4 半圓體桶式基礎(chǔ)組合堤的研究

4.1 半圓體桶式基礎(chǔ)組合堤計算結(jié)果

半圓體桶式基礎(chǔ)組合堤使用期計算內(nèi)容主要包括堤身穩(wěn)定、地基承載力及沉降計算；施工期計算內(nèi)容主要包括浮游穩(wěn)定性及自重下沉力估算。

表5 穩(wěn)定計算結(jié)果

表6 地基承載力計算結(jié)果

表7 沉降計算結(jié)果

表8 浮游穩(wěn)定驗算結(jié)果

表9 施工期自重下沉力估算結(jié)果

4.2 桶式基礎(chǔ)直立堤在連云港的運用實例

連云港徐圩防波堤總長 21.78 km，其中約7 580 m采用了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直立堤，典型斷面見圖 7。工程區(qū)段泥面表層為一定厚度的淤泥層，淤泥土含水量達(dá)到64.5 %，持力層為粉質(zhì)黏土層。設(shè)計波要素見表 4。連云港徐圩防波堤桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉安裝采用負(fù)壓下沉方式，第一階段依靠自重排氣、排水下沉，第二階段利用排水泵對隔艙內(nèi)抽水形成負(fù)壓下沉到位。根據(jù)連云港實際使用經(jīng)驗，結(jié)合計算分析，本工程采用半圓體桶式基礎(chǔ)混合堤是可行的。

5 結(jié) 論

通過對本工程建設(shè)條件的研究，對導(dǎo)流堤整治建筑物常用結(jié)構(gòu)型式的分析比選，對新型半圓體桶式基礎(chǔ)混合堤的研究，本工程最終確定導(dǎo)流堤各區(qū)段的整治建筑物結(jié)構(gòu)型式：對于水深淺，堤身高度小，波浪小，地基基礎(chǔ)好的區(qū)段采用成熟的拋石斜坡堤和半圓體結(jié)構(gòu)堤，對于堤身高度大，波浪大，地質(zhì)條件差的區(qū)段采用新型半圓體桶式基礎(chǔ)混合堤結(jié)構(gòu)。