蔡麗忠，胡 正

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

粉砂淤泥質(zhì)匡圍工程中灘涂變形特征及相關(guān)應(yīng)對(duì)措施

蔡麗忠，胡 正

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)海岸由于灘涂條件、土質(zhì)條件的特殊性，對(duì)水流變化敏感，灘涂受干擾極易發(fā)生變形破壞。通過(guò)總結(jié)破壞類型，歸納應(yīng)對(duì)措施，研究破壞影響因素，希望引起相關(guān)單位重視對(duì)灘涂變形破壞內(nèi)在機(jī)理的理論研究，也為后續(xù)相關(guān)工程的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

粉砂淤泥質(zhì)灘涂；變形破壞；理論研究

0 引言

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂海岸總長(zhǎng)884 km，約占全省總岸線長(zhǎng)度的93%，是江蘇沿海最主要的海岸類型[1]。相關(guān)地質(zhì)資料表明：江蘇沿海灘涂淤積物顆粒組成特殊、土層深厚、場(chǎng)地表層主要為粉細(xì)砂層，顆粒細(xì)小，分布均勻，無(wú)黏性[2]。而江蘇沿海淺灘區(qū)均表現(xiàn)為漲潮漫灘和落水歸槽的運(yùn)動(dòng)形式[3]，表層土對(duì)水流變化反應(yīng)強(qiáng)烈，容易發(fā)生沖刷等地形變化；同時(shí)由于土質(zhì)無(wú)黏性，堤基易發(fā)生滲透破壞，滲透變形機(jī)理復(fù)雜，難以定量甚至定性分析。因此急需通過(guò)分析海洋動(dòng)力作用與大范圍粉沙淤泥質(zhì)潮灘、潮溝等動(dòng)力地貌的響應(yīng)機(jī)制，歸納破壞原因、類型，為現(xiàn)場(chǎng)采取應(yīng)對(duì)措施提供決策[4]。

1 江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂變形破壞類型

江蘇沿海粉砂淤泥質(zhì)灘涂變形破壞主要有沖刷破壞和滲透破壞兩種類型。其中沖刷破壞根據(jù)破壞原因又可分為表層低灘水沖刷破壞以及堤身翻水沖刷破壞。

1.1 沖刷破壞情況

1.1.1 低灘表層水的沖刷破壞

低潮灘面存在較多的沖刷凹地，一些凹地在潮灘淤長(zhǎng)過(guò)程中因匯水性較差而淤積消失，一些匯水性較好的凹地則不斷向岸延展伸長(zhǎng)，并在灘地微地貌的影響下出現(xiàn)分汊型沖溝，各沖溝支汊不斷溯源侵蝕發(fā)育成灘面水流沖刷型或潮流輻聚侵蝕型潮溝系統(tǒng)[5]。

根據(jù)溝槽和圍堤主體相對(duì)位置關(guān)系，沖刷破壞類型主要包括：

1）形成與堤身平行的沿堤流沖溝，侵蝕堤腳，危及堤身安全，見(jiàn)圖1；

2）形成與堤身垂直的貫通槽，沖毀地基，最終發(fā)展為龍口口門，見(jiàn)圖2；

3）堤身推進(jìn)過(guò)程中，堤頭繞堤流破壞地基土，形成端部深坑。

圖1 灘地發(fā)生沖刷破壞形成沿堤河（順堤軸方向）Fig.1 Scouring and destruction of the beach area along the dike(along the dike axis)

圖2 堤基發(fā)生沖刷破壞（垂直堤軸方向）Fig.2 Scour destruction of embankment (vertical dike axis direction)

低灘水流沖刷破壞發(fā)生于開(kāi)工后的各個(gè)時(shí)期，幾乎伴隨工程全過(guò)程。工程實(shí)施過(guò)程中，兩個(gè)時(shí)期的沖刷變化破壞影響程度最大：

1）圍堤急劇抬升過(guò)程中，設(shè)計(jì)口門與大型溝槽連通過(guò)程中，龍口形成前；

2）圍區(qū)形成基本輪廓形狀，但未完成封堵前。

1.1.2 堤身翻水沖刷破壞

圍區(qū)堤身未到頂前，漲潮過(guò)程中，已初具形狀的圍區(qū)將對(duì)進(jìn)出水流造成阻礙，導(dǎo)致圍區(qū)內(nèi)外水位差增大。當(dāng)外側(cè)水位漲至與已有堤身袋體齊平高程后，繼續(xù)上漲的潮水翻過(guò)堤身涌向圍區(qū)內(nèi)，形成跌水現(xiàn)象。翻跌入庫(kù)的水流由于蘊(yùn)含巨大的能量，沖擊棱體內(nèi)側(cè)堤腳袋體和灘涂，由此造成相應(yīng)的破壞，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 圍堤內(nèi)側(cè)堤腳被沖刷破壞圖Fig.3 The embankment toe on the inner side of the embankment was destroyed by erosion

圖4 頂層袋體拼縫處被翻水扯撕Fig.4 Top of the pouch at the seam was turned the water off to tear

翻水破壞主要發(fā)生與堤身抬升過(guò)程中，在棱體頂部臨時(shí)實(shí)際高程低于現(xiàn)場(chǎng)高潮位時(shí)，其發(fā)生概率較大。

1.2 滲透破壞

1.2.1 江蘇沿海灘涂常見(jiàn)滲透破壞類型及特點(diǎn)

管涌與流土是工程中常見(jiàn)的兩類滲透破壞類型，通常發(fā)生在堤基土。但工程中，常把流土現(xiàn)象也歸結(jié)到管涌中。管涌發(fā)生后隨著砂粒的不斷析出流失，孔洞的直徑逐漸增大，它的深度也逐漸向堤身或堤基土內(nèi)部不斷延伸增大。一旦與土體內(nèi)部的已有孔洞連通，迅速發(fā)展為管道內(nèi)集中涌水流土的現(xiàn)象，嚴(yán)重后果是堤下土體內(nèi)滲水通道的塌陷，造成堤防不均勻沉降和整體失穩(wěn)[6]。

相關(guān)研究表明：蘇南沿海灘涂墾區(qū)土壤多為高鈉鹽土粉（砂）土，結(jié)構(gòu)性很差，坍塌淤積現(xiàn)象嚴(yán)重。沿海淤積土，土層具有成層性，管涌滲透破壞主要發(fā)生在粉砂中，而流土則主要發(fā)生在輕粉質(zhì)砂壤土中[7]。

1.2.2 滲透破壞發(fā)生階段

滲透破壞一般易發(fā)生于兩個(gè)階段：

1）合龍過(guò)程中：合龍過(guò)程中，圍堤尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)斷面前，此時(shí)堤身來(lái)不及加固，斷面最小，滲透路徑最小。一旦水位差增至臨界時(shí)，堤基變形破壞將立即發(fā)生（圖5）。需注意的是：在合龍過(guò)程中，龍口中用于封堵施工的拋石壩發(fā)生破壞的可能性也將顯著增加。

圖5 受滲透破壞后堤身塌陷Fig.5 The collapse of the embankment after infiltration damage

2）圍區(qū)輪廓初成，堤身未加固前：合龍封堵完成初期，堤身加固未完成前，局部薄弱區(qū)段的堤身斷面無(wú)法抵御過(guò)大水位差的影響，見(jiàn)圖6。

相關(guān)工程實(shí)例表明，這兩個(gè)階段的堤基最容易突發(fā)滲透破壞現(xiàn)象。滲透破壞一般發(fā)生較為突然迅速，令人防不勝防。

圖6 堤身滲透破壞擴(kuò)大后生成新龍口Fig.6 Damage to the expansion of the infiltration of the body to generate new closure gap

2 灘涂變形破壞主要影響因素及破壞原因分析

2.1 表層低灘水沖刷破壞原因分析

由于落水歸槽的影響，沖刷具有漸變性破壞特點(diǎn)?？飮こ痰躺硖┕_動(dòng)致使流場(chǎng)改變，原有灘地動(dòng)態(tài)平衡被打破后，導(dǎo)致地形變化，形成小竄溝，小竄溝匯聚灘涂低灘水流，進(jìn)一步?jīng)_刷灘地，破壞范圍增大，匯聚更多水流，能量加大，再?zèng)_刷灘涂，滾動(dòng)發(fā)展，最終形成一定規(guī)模，影響較大的沖溝[8]。

落水歸槽是高灘灘涂破壞的本質(zhì)內(nèi)因，擾動(dòng)導(dǎo)致的流場(chǎng)改變是外因。外因破壞原有平衡，平衡調(diào)整過(guò)程中，灘涂原有平靜被打破，破壞發(fā)生，進(jìn)一步加劇外因變化，流場(chǎng)、灘涂地形、擾動(dòng)三者處于一種動(dòng)態(tài)相互影響中。

2.2 堤身翻水破壞原因分析

翻水過(guò)程中，流速急劇增加，沖刷圍區(qū)棱體內(nèi)側(cè)袋體，造成翻水沖刷破壞現(xiàn)象。由于水流能量集中于短時(shí)間內(nèi)釋放，巨大的沖能使棱體內(nèi)側(cè)袋體從拼縫處撕裂，使灘涂突然沖刷形成深坑。具體變化情況及相關(guān)分析見(jiàn)圖7。

圖7 圍堤棱體未出水前，漲潮過(guò)程中流速變化示意圖Fig.7 The flow velocity change during the flood tide before the embankment prism is not out of water

翻堤身跌水破壞尤其對(duì)棱體內(nèi)側(cè)堤腳袋體及內(nèi)側(cè)灘涂，破壞最為明顯。下層袋體破壞或內(nèi)側(cè)灘涂變形破壞后，導(dǎo)致棱體內(nèi)側(cè)堤腳大范圍破損，繼而影響整個(gè)堤身袋體安全。同時(shí)，流速的急劇增加，水流沖刷頂層尚未固結(jié)的袋體，造成扯撕現(xiàn)象。過(guò)程迅速，破壞劇烈。

2.3 滲透破壞原因分析

研究堤基土體的滲透破壞特征，其目的是為控制堤壩的滲透破壞、制定防滲措施提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)于沿海灘涂圍墾工程中的堤防堤基滲透破壞的研究目前極少。尚不能從機(jī)理上對(duì)滲透破壞的成因進(jìn)行分析，更無(wú)法采用通用的簡(jiǎn)單化公式判別堤基滲透變形的類型及發(fā)生滲透變形的動(dòng)力條件[10]。

顆粒級(jí)配分布特征決定了土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡降，蘇北沿海土體顆粒粒徑為0.005~0.075 mm的含量高，幾乎達(dá)到50%以上，土的滲透系數(shù)在10-5~10-4之間，滲透性中等。因此，土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡降較大[11]。滲透破壞主要影響分析具體見(jiàn)圖8[9]。

圖8 滲透破壞分析魚刺圖Fig.8 Fishbone diagram of penetration damage analysis

3 江蘇沿海灘涂匡圍工程變形破壞的應(yīng)對(duì)措施

3.1 灘地沖刷破壞

施工擾動(dòng)發(fā)生后，灘涂表層地基土的沖刷破壞幾乎不可避免，只能通過(guò)采取相關(guān)措施降低破壞影響，減少相應(yīng)損失。應(yīng)對(duì)的主要措施包括：

1）重視護(hù)底，增強(qiáng)堤基抵抗沖刷破壞能力。

護(hù)堤先護(hù)腳，護(hù)底措施是隔絕水流對(duì)地基的影響，維護(hù)土體的穩(wěn)定，確保堤身穩(wěn)定的關(guān)鍵手段。一般采用鋪設(shè)軟體進(jìn)行護(hù)底防護(hù)。從施工圖設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就必須重視護(hù)底方案的設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)護(hù)底材料、驗(yàn)算壓載方式，重點(diǎn)關(guān)注護(hù)腳平臺(tái)及護(hù)灘余排的設(shè)計(jì)方案，充分留有余量。

施工過(guò)程中，對(duì)于低灘區(qū)域及破壞嚴(yán)重的堤基位置尤其需要重視軟體排的實(shí)施，防止灘面條件的進(jìn)一步惡化。

2）保灘施工措施

高灘匡圍過(guò)程中，新構(gòu)筑的棱體附近灘涂極易生發(fā)形成沿堤軸方向的沿堤流溝槽，并且溝槽不斷擺動(dòng)導(dǎo)致圍堤下蝕，最終造成堤身失穩(wěn)而潰堤[12]。防范圍堤實(shí)施過(guò)程中新生溝槽對(duì)堤身棱體的沖刷破壞影響相當(dāng)關(guān)鍵。在工程實(shí)施過(guò)程中，需嚴(yán)密注意。

常見(jiàn)的保灘措施主要有以下幾方面。

淤構(gòu)筑丁壩。構(gòu)筑丁壩的目的：對(duì)堤腳處沿堤流進(jìn)行挑流作用，使沿堤流遠(yuǎn)離堤身，減小水流對(duì)堤腳的沖刷，以起到保護(hù)堤身結(jié)構(gòu)的作用。丁壩最好在灘涂變形前構(gòu)筑，實(shí)施難度小，效果好。丁壩數(shù)量，位置間距，結(jié)構(gòu)形式以及具體尺寸需通過(guò)專業(yè)數(shù)模軟件模擬后制定實(shí)施方案，見(jiàn)圖9。

圖9 構(gòu)筑丁壩防護(hù)措施Fig.9 Protection measures of spur dike construction

于護(hù)底保灘。對(duì)于堤基范圍外，變形破壞對(duì)堤身安全影響較大的灘涂區(qū)域，同樣可通過(guò)護(hù)底方式護(hù)灘，見(jiàn)圖10。

盂避免人為形成沿堤流溝槽。采取就地取砂施工的項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施前，須選取適用的設(shè)備類型，嚴(yán)密規(guī)劃設(shè)備布置位置，通過(guò)合理安排取砂方式、保持安全取砂距離和合理分布沙坑間距等措施防護(hù)灘面，避免人為形成貫通性溝槽。

圖10 采取鋪設(shè)排體護(hù)灘防護(hù)Fig.10 Take the laying row of beach protection

榆主動(dòng)引導(dǎo)水流。在被動(dòng)防護(hù)的同時(shí)，有條件的項(xiàng)目可在項(xiàng)目實(shí)施前，預(yù)先規(guī)劃主動(dòng)防護(hù)方案。如提前有預(yù)見(jiàn)性地開(kāi)挖引流溝槽，使水流從預(yù)設(shè)溝槽匯集運(yùn)動(dòng)，有序引導(dǎo)限制水流走向，避免或降低沿堤流對(duì)灘涂和堤身安全的影響。

3）優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工平面布局

當(dāng)貫通過(guò)堤身的溝槽較大時(shí)，在堤身推進(jìn)過(guò)程中，溝槽隨堤身的推進(jìn)而前移變化。因此在進(jìn)行施工總平面安排時(shí)，須跳開(kāi)溝槽，在未變化段進(jìn)行施工。具體布局優(yōu)化示意圖見(jiàn)圖11。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)施工平面布局優(yōu)化示意圖Fig.11 Optimized plan layout of on-site construction

強(qiáng)行封堵溝槽，不僅施工難度大，而且會(huì)造成推進(jìn)后堤頭的繞堤流繼續(xù)前移，沖刷原始灘面，形成新溝槽，最終造成推進(jìn)方向的灘地地形均遭破壞。因此可將溝槽作為過(guò)程中暫時(shí)預(yù)留口門，待溝槽前方灘涂完成防護(hù)或匡圍堤身整體形成后再進(jìn)行處理。

3.2 堤身翻水沖刷破壞

堤身翻水沖刷破壞只在圍堤實(shí)施中間過(guò)程階段發(fā)生，是可以避免消除的。主要措施包括：

1）采取措施加大口門進(jìn)水量，盡可能使圍區(qū)內(nèi)外水位差保持在較低程度是關(guān)鍵。圍區(qū)兩側(cè)水位同步上漲，在庫(kù)區(qū)內(nèi)外水位差較小時(shí)不會(huì)造成破壞；

2）時(shí)刻關(guān)注施工效率與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度的匹配性，加強(qiáng)進(jìn)度管理核算，提前安排，關(guān)鍵階段須增加施工力量，快速、安全、合理抬升堤身高程，規(guī)避因投入不足而導(dǎo)致的不應(yīng)有的破壞；

3）進(jìn)行施工總體安排時(shí)，合理分段和布置船機(jī)設(shè)備，控制單工作面的推進(jìn)速度以及堤身抬升速度，以確保圍堤層層抬高，整體平行抬升，從而避免施工速度不均勻而造成局部形成人為缺口，匯集水流導(dǎo)致過(guò)水沖刷破壞現(xiàn)象發(fā)生；

4）選擇合理科學(xué)的時(shí)間段，利用自然條件降低堤身翻水沖刷現(xiàn)象的發(fā)生。如利用小汛或冬季等潮位較低的時(shí)段進(jìn)行施工，降低外界水位因素的影響；

5）施工過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化施工方式，降低風(fēng)險(xiǎn)。如堤身袋裝砂填筑采用拼袋施工工藝：底部幾層袋體可以將單個(gè)分割為小袋體，即使一個(gè)袋體損壞，也只是一側(cè)損壞，不是一層損壞，不會(huì)形成相對(duì)缺口，不影響堤身安全。

3.3 滲透破壞

應(yīng)對(duì)滲透破壞主要措施有：減少水位差或是延長(zhǎng)滲徑、加強(qiáng)土體抗比變形能力，降低土體發(fā)生滲透破壞的可能性[13-15]。

針對(duì)特殊地質(zhì)條件，可采取合理的防范滲透破壞[16-18]，具體措施包括：

1）進(jìn)行堤身設(shè)計(jì)斷面的防滲驗(yàn)算，重視施工過(guò)程中的臨時(shí)斷面的防滲能力；

2）盡可能降低圍區(qū)內(nèi)外水位差，在圍區(qū)合龍階段，尤其需注意；

3）吸取深層砂作為袋裝砂充灌砂源：深層砂顆粒粗，各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)更好，有利于提高堤身密實(shí)度、消除堤身堤基隱患，避免土顆粒粒徑與袋體袋布規(guī)格不匹配，提高堤身防滲能力；

4）選取合適的設(shè)備進(jìn)行取砂作業(yè)：采用高效的設(shè)備進(jìn)行堤身填筑及合龍土方作業(yè)，作業(yè)不受潮水漲落影響，吸砂質(zhì)量好，同時(shí)避免了灘地表層發(fā)生沖刷破壞，工程效果好，在一定程度起到了快速加固堤身，提高防滲能力的作用；

5）堤身棱體施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，確保堤身在平面推進(jìn)方向以及垂直高程方向進(jìn)度實(shí)施的平衡性，形成良性的流水步距；快速加寬、加固特殊段堤身斷面，延長(zhǎng)滲徑，減少或杜絕薄弱堤段；

6）合龍過(guò)程中，選用合適的合龍前堤身斷面形狀，避免特殊時(shí)段滲透破壞造成的二次影響。嚴(yán)格按既定計(jì)劃實(shí)施，穩(wěn)扎穩(wěn)打，不冒進(jìn)，降低滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)江蘇條子泥匡圍工程以及南通通州灣二港池匡圍工程等相關(guān)工程實(shí)例，概括來(lái)講江蘇沿海灘涂的獨(dú)特工況特點(diǎn)是：砂厚泥少，潮差大流速快，灘高水淺，易沖刷變形，滲透破壞大。破壞過(guò)程幾乎伴隨筑堤施工全過(guò)程，破壞影響力極大。粉砂淤泥層灘涂發(fā)生沖刷、滲透等破壞的內(nèi)因是土層土質(zhì)特點(diǎn)，深入研究破壞成因和破壞機(jī)理是解決地形演變的重要著手點(diǎn)，也是最終制定針對(duì)性解決措施的依據(jù)。

如何在總體平面規(guī)劃中對(duì)各工序進(jìn)行有機(jī)的組織安排，使之做到方案可行、銜接有序、工藝和施工計(jì)劃合理以及滿足工期的總體要求，是影響項(xiàng)目實(shí)施關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。在江蘇沿海灘涂匡圍工程項(xiàng)目，一切施工工藝的選用，方案的編制，實(shí)施必須圍繞“減少?zèng)_刷損失，預(yù)防滲透破壞”為核心。施工中結(jié)合施工期潮流數(shù)模分析，采取有效措施減弱施工過(guò)程中相關(guān)破壞作用對(duì)堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響。

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Deformation features of silt-muddy beach in inning project and relevant solutions

CAI Li-zhong,HU Zheng
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Silt-muddy beach in Jiangsu coastal areas is sensitive to water flow variation due to the special conditions of beach and soil.With the beach interfered,it is prone to deformation and destruction.Through summarizing the types of destruction and the solutions,analyzing the impact factors of destruction,we hope that the relevant companies should pay attention to the theoretical research on the internal mechanism of deformation failure on the beach,and accumulate some experience for the implementation of the follow-up projects.

silt-muddy beach;deformation and destruction;theoretical research

U655.4

B

2095-7874（2017）04-0068-07

10.7640/zggwjs201704016

2017-02-27

蔡麗忠（1976— ），男，江蘇海門人，高級(jí)工程師，港航專業(yè)。E-mail：2450764417@qq.com