分汊河道匯流口下游碼頭樁基沖刷防護措施研究

張喜寶

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430071)

港口的生產(chǎn)發(fā)展與碼頭泊位的建設(shè)密不可分。碼頭是港口供輪船或渡船停泊、乘客上下、貨物裝卸而修建的構(gòu)筑物[1]。碼頭的建設(shè)與安全運行對于港口企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，其安全性與水流條件等密切相關(guān)[2]。長江分汊河道眾多，分汊河道匯流區(qū)水流現(xiàn)象、泥沙特征及河床形態(tài)均具有復(fù)雜多變的特點[3]。何偉、吳迪等[4-5]研究表明匯流口下游水流發(fā)生分離，分離區(qū)內(nèi)流速較低，但流動紊亂，甚至有回流現(xiàn)象。當(dāng)碼頭位于分汊河道匯流口下游時，受分離區(qū)復(fù)雜水沙條件影響，碼頭前緣將受到強烈淘刷，形成局部沖刷坑，嚴(yán)重威脅碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，給港口的生產(chǎn)帶來安全隱患[6-7]，因此開展分汊河道匯流口下游碼頭沖刷防護工程措施的相關(guān)研究具有重要意義。

沖刷防護一般分為主動防護和被動防護。主動防護指人為改變水流流態(tài)及流向，達(dá)到減弱水流沖刷的目的。被動防護是在其沖刷區(qū)域布設(shè)具有抗沖、抗蝕的工程結(jié)構(gòu)物[8-9]，傳統(tǒng)的港口水工結(jié)構(gòu)防沖刷措施主要包括三種：一是塊石護底，二是鍍鋅鋼絲籠內(nèi)填裝塊石，三是軟體排柔性護底[10]。這類被動防護法在沖刷防護工程中已得到廣泛應(yīng)用。史青法和李富會[11]基于碼頭基床現(xiàn)狀提出兩點防護建議：在碼頭基床沖刷坑內(nèi)填充碎石，以粗糙的石塊減緩流速，降低水流挾沙能力，遏制碼頭基床的沖刷；也可以在沖刷坑拋擲粗砂袋，表層布設(shè)水泥連鎖排進(jìn)行防護。王麗和莫秋榮[12]在輻射沙洲海域碼頭建設(shè)中將級配碎石組成的回填料兼反濾層用于碼頭沖刷坑防護。邵榮順[13]提出在南通狼山港區(qū)碼頭防護中對于碼頭沖刷的防護要考慮到碼頭的使用要求，一般采用平行拋石護岸，在平拋護岸設(shè)計中，要加強護岸中坡腳和岸坡的層次。王多銀等[14]指出在三峽庫區(qū)港口碼頭建設(shè)中要遵循滑坡處治原則，合理地進(jìn)行港口平面布置，除滿足港口功能外，還應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)特點，結(jié)合滑坡治理、沖刷防護工程的建設(shè)，選擇合理的碼頭型式。

對于位于分汊河道交匯口下游的碼頭，其水動力特性較復(fù)雜，還需專門分析和研究。本文以孟家港碼頭為例，通過綜合考慮分汊河道匯流口下游碼頭附近水動力特征、河床沖淤變化及邊坡情況，確定了碼頭沖刷防護范圍、防護措施及防護結(jié)構(gòu)，以保障港口碼頭的安全運行，研究成果可為類似工程案例提供參考。

1 基本情況

孟家港碼頭位于長江下游鎮(zhèn)江河段大港水道北岸(圖1)，和暢洲左、右汊匯流口下游。大港水道上起和暢洲未，下訖五峰山，長約9.5 km，平均河寬為1 500 m左右，為曲率適度的彎曲河道。河道南岸有五峰山等丘陵，北岸為沖積平原。

圖1 孟家港碼頭位置

大港水道地處長江下游，徑流量大，江闊水深。據(jù)長江下游大通水文站1950年—2017年水文資料統(tǒng)計，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，多年平均含沙量為0.464 kg/m3，多年平均輸沙量4.26億t。2003年6月三峽工程蓄水運用后，長江下游水沙條件出現(xiàn)變化，主要是來沙量大幅度減小，僅為三峽工程蓄水前的三分之一左右。

大港水道屬于感潮河段，全年受長江口潮汐影響，平均潮差0.96 m，最大潮差2.32 m，平均落潮時間9 h 10 min，平均漲潮時間3 h 15 min，全年除枯季大潮有上溯潮流外，基本上為單向下泄流，水文泥沙特性主要受長江徑流控制。大港水道懸移質(zhì)平均中值粒徑為0.006～0.009 mm，床沙平均中值粒徑為0.064～0.204 mm，河床極易產(chǎn)生沖淤變形。

孟家港碼頭共建有3個50 000 DWT散貨泊位，靠船裝卸平臺長度為790 m，寬度為32 m，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距為7 m，樁基采用Φ1 000 mm高強預(yù)應(yīng)力砼(PHC)管樁(深槽處采用Φ1 000 mm鋼管樁)，平臺上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱向梁系、迭合面板和靠船構(gòu)件組成(圖2)。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)剖面示意圖(單位：mm)

2 碼頭附近水動力與河床沖淤特征

2.1 碼頭附近水動力特征

長江下游鎮(zhèn)江河段水流彎曲分汊，主流出六圩彎道后，分為左右兩股分別進(jìn)入和暢洲左、右汊，其中左汊水流沿和暢洲北緣至和暢洲東北角又從右過渡至左岸孟家港下行，右汊水流折向南至諫壁再向東貼南岸下行，在大港附近兩汊道水流匯合，沿南岸再折向北五峰山下泄進(jìn)入揚中河段。

孟家港碼頭位于和暢洲左、右汊匯流口下游的左岸(北岸)，以往研究結(jié)果表明，該處水流條件十分復(fù)雜。目前其上游和暢洲左汊為主汊、右汊為支汊，近期左汊分流比在65%～70%，相應(yīng)右汊分流比在30%～35%。

孟家港碼頭附近典型流場分布見圖3，從圖中可看出，左、右汊匯流后，主流逐漸從左側(cè)過渡到大港水道的右側(cè)深槽，在孟家港碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢，且流速相對較大，有時可超過2.0 m/s，尤其是在落急時刻，局部最大流速甚至可達(dá)2.5 m/s左右。

2.2 碼頭附近河床近期沖淤變化

碼頭所在大港水道多年來河勢總體較為穩(wěn)定，兩岸岸線基本變化不大，雖河床沖淤交替，但深泓點的縱向與橫向變化都不太。多年來盡管上游和暢洲汊道左右汊分流比變化明顯，但和暢洲匯流點上提下挫幅度不大，基本上穩(wěn)定在黃港附近，匯流點附近的深泓略有左擺，但匯流點以下大港水道的深泓線基本穩(wěn)定在南岸，左擺右移幅度也不大，多年的擺動幅度不足100 m。

然而，孟家港碼頭因處于和暢洲左、右汊交匯口下端，由于水流條件十分復(fù)雜，碼頭附近局部河床則存在明顯的沖淤變化，表現(xiàn)為碼頭局部水深條件變化較為劇烈，沖淤交替，且局部變幅較大。從該河段以往研究中的總體沖淤變化來看，2010年—2014年碼頭工程附近河床存在明顯的沖淤變化，局部最大沖刷甚至可達(dá)10 m以上，局部最大淤積同樣亦較大。2015年11月—2017年11月，沖淤幅度略小些，碼頭附近河床總體以沖刷為主，沖刷幅度在2.0 m左右。2017年11月—2019年4月碼頭附近沖淤平面分布見圖4所示，如圖可見：碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在較明顯的沖刷，最大沖刷深度可達(dá)6 m以上，其余區(qū)域有沖有淤，最大沖淤幅度一般在3 m左右。

依據(jù)近期碼頭附近局部地形測量結(jié)果，對碼頭附近的-16 m等高線進(jìn)行了套繪，如圖5所示。從碼頭建成以來(2016年—2019年)多個測次地形測量數(shù)據(jù)來看，受主流逐漸從左側(cè)過渡到大港水道的右側(cè)深槽的影響，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢，且流速相對較大，-16 m等高線出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長約790 m)。因此從防護的角度來看，這一沖刷范圍亦是防護的重點區(qū)域，即碼頭的西南側(cè)區(qū)域應(yīng)加強防護。

碼頭附近河床沖淤的影響因素主要包括河道邊界條件及來水來沙條件兩大方面。具體而言，孟家港碼頭因處于和暢洲左、右汊交匯口下端，由于水流條件十分復(fù)雜，碼頭附近局部河床存在明顯沖淤變化；受主流逐漸從左側(cè)過渡到大港水道的右側(cè)深槽的影響，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢，易出現(xiàn)沖刷；另一方面，因上游梯級水庫建設(shè)，使得下游河道來沙量減少，也會造成河床的進(jìn)一步?jīng)_刷；此外，隨著和暢洲河段水利工程和航道整治工程的實施，也會帶來新的河床沖淤調(diào)整，引起局部河床的沖淤變化。因此，受這些因素的影響，在未來一定時期內(nèi)，和暢洲水道、大港水道仍會出現(xiàn)一定的沖淤變化。

綜上所述，結(jié)合歷史及最新測量資料來看，碼頭附近局部河床沖淤存在較大(>6 m)的變化?？紤]后期碼頭投入運營后，該地形變化可能會對碼頭安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。此外，隨著流域來沙持續(xù)減少以及人類活動影響，將來有可能會引發(fā)局部河床的進(jìn)一步大幅度沖刷。因此，非常有必要及時實施河床沖刷的防護措施，以確保碼頭工程的安全運營，其中碼頭上游側(cè)(西南側(cè))區(qū)域是防護的重點區(qū)域。

3 沖刷防護措施研究

3.1 平面防護范圍

依據(jù)前文碼頭工程附近多個測次的地形測量結(jié)果可見，碼頭上游段(尤其是西南側(cè))沖刷嚴(yán)重，比如2019年4月測量的數(shù)據(jù)顯示局部已沖刷至-24～-25 m，危及碼頭結(jié)構(gòu)安全。從前述水動力特性和沖刷范圍分析來看，碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢，且流速相對較大，根據(jù)碼頭建成以來(2016年—2019年)多個測次地形測量數(shù)據(jù)，-16 m等高線出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長約790 m)。因此，碼頭的中上段為防護的重點部位，其中碼頭上段則是重中之重，應(yīng)優(yōu)先對碼頭上段(200 m)加強沖刷防護，其他部位則需加強監(jiān)測。

碼頭樁基防護平臺高程以達(dá)到碼頭穩(wěn)定需達(dá)到的高程為準(zhǔn)，對于目前沖刷深度較大的部位，可考慮先采用充沙后的沙袋回填到一定高程，再在沙袋上進(jìn)行沖刷防護結(jié)構(gòu)的施工。除了做好上述碼頭樁基防護平臺外，還應(yīng)做好防護平臺與周邊河床的平順銜接，尤其是要做好與碼頭上游側(cè)及外側(cè)(深槽側(cè))河床的平順銜接。最新實測地形資料表明，碼頭前沿河床斷面橫向水下平均坡度為1:12～1:13，西南角強沖區(qū)域最大坡度則約為1:4，因此平順防護區(qū)與河床銜接處的坡度設(shè)置為1:4～1:5。碼頭平臺以外的防護范圍(平順防護)寬度不宜小于80 m，西南角強沖區(qū)域則應(yīng)適當(dāng)加寬至100 m。碼頭沖刷防護方案布置如圖6所示。

6-a 平面布置 6-b 斷面布置

3.2 防護結(jié)構(gòu)形式

沖刷防護結(jié)構(gòu)一般由反濾層和護面層組成；反濾層可采用級配碎石，也可采用軟體排或沙袋等材料；護面層可采用塊石、鋼筋籠裝塊石、砼聯(lián)鎖塊等材料。反濾層的主要功能是保土和排水，即反濾層實施后可保護河床基土減少沖蝕。護面層壓載材料則可抵抗水流沖刷。

根據(jù)本項工程的實際情況，考慮到防護結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適應(yīng)變形能力強、施工快的特點，且較為經(jīng)濟實用，并利于今后對沖刷防護工程的維護。因而，采用灌裝沙袋或級配碎石作反濾層，采用塊石作為護面層壓載材料。這兩種材料結(jié)構(gòu)均具有施工快捷、造價較低的優(yōu)點，是一種較為理想的選擇，但隨著河床的沖刷和變形，也存在拋石流失的問題，需加強監(jiān)測，必要時進(jìn)行及時補拋和維護。另一種方案則是建議采用軟體排作為反濾層材料，具有整體性強的優(yōu)點，但施工難度大、費用偏高。

碼頭沖刷防護結(jié)構(gòu)斷面布置如圖6-b所示，具體為：碼頭平臺處-18 m高程以下拋投沙袋，沙袋頂部拋投2.0 m厚的塊石，并與河床平順銜接，平順防護區(qū)底部采用級配碎石作為反濾層，上部護面層則同樣采用塊石，平順拋石水下末端外側(cè)設(shè)置防崩層，采用拋投四面六邊體框架結(jié)構(gòu)，碼頭西南角強沖區(qū)域?qū)挾?～10 m，其余區(qū)域3～5 m，密度應(yīng)大于2架/m2。

3.3 防護塊石大小與穩(wěn)定

護面層拋石能起到減小工程附近河床沖刷的作用，本次研究中從塊石穩(wěn)定角度對其粒徑和重量進(jìn)行計算。塊體失穩(wěn)的研究由來已久，雖然不同研究對塊體的受力情況和失穩(wěn)情況有不同的假定，但所得出的失穩(wěn)公式的結(jié)構(gòu)型式基本相似，主要可分為二類：以起動流速為變量的塊石穩(wěn)定性計算公式；以單寬流量為變量的塊石穩(wěn)定性計算公式。本研究選擇以塊石起動流速為變量的Gerritsen公式來計算

(1)

式中：γs為床沙顆粒容重，kg/m3；γ為水的容重，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d為塊石粒徑，m；K為待定系數(shù)，對于塊石滑動時取1.22。

以上為采用具體流速與公式計算的塊石穩(wěn)定最小值，在具體防護時，還應(yīng)考慮其他因素的影響進(jìn)行確定，如地形坡度的影響，邊坡上的塊石起動存在重力在斜坡上的分力，起動更容易，塊石起動流速隨坡度的增大而減少。本工程考慮斜坡影響系數(shù)1.3，亦即最小穩(wěn)定粒徑不宜小于0.38 m(或0.26 m)的1.3倍，即最小穩(wěn)定粒徑應(yīng)大于0.50 m(或0.34 m)。換算成重量，則塊石最小重量應(yīng)大于173 kg(或55 kg)。因此，護面層拋石重量應(yīng)控制在60～200 kg，且要求為非均勻級配(即60～200 kg的各種塊石大小都有)。石料不允許使用風(fēng)化石、泥巖以及薄片、條狀、尖角等形狀的塊石。

基于上述分析確定的防護措施實施后，通過初步試驗結(jié)果表明，碼頭附近河床沖刷可得到較好的抑制，可起到保障碼頭樁基安全的作用。

4 結(jié)論

(1)孟家港碼頭位于和暢洲左、右汊匯流口的下游端左岸，左、右汊匯流后，主流逐漸從左側(cè)過渡到大港水道的右側(cè)深槽，在孟家港碼頭上游側(cè)(西南側(cè))存在一定的從左向右(偏向深槽)的水流，對碼頭西南直角形成頂沖態(tài)勢，且流速相對較大，因此，碼頭西南側(cè)易出現(xiàn)明顯沖刷。

(2)依據(jù)實測地形數(shù)據(jù)，出現(xiàn)沖刷的部位主要集中在碼頭上部約200 m的范圍內(nèi)(碼頭全長約790 m)。因此，建議碼頭的中上段為防護的重點部位，其中碼頭上段則是重中之重，應(yīng)優(yōu)先對碼頭上段(200 m)加強沖刷防護。

(3)防護結(jié)構(gòu)由反濾層和護面層組成；反濾層采用級配碎石，也可采用軟體排或沙袋等材料；護面層采用塊石等材料。反濾層實施后可保護河床基土減少沖蝕；護面層壓載材料可抵抗水流沖刷。防護措施的實施，可較好地抑制河床沖刷，起到保障碼頭樁基安全的作用。