趙一晗，黃 哲，王登婷

(1.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

海堤是抵御沿海地區(qū)臺風暴潮災害、保障經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾生命財產(chǎn)安全的重要基礎設施，在防御臺風暴潮中發(fā)揮了重要作用。

對于此前灘面較高且較寬的岸段，海堤在相應水動力條件下的建設標準相對較低。臨近工程的開發(fā)建設改變了工程區(qū)的水動力及輸沙條件，造成原先相對穩(wěn)定的灘面形態(tài)發(fā)生改變，其中侵蝕性岸段由于水動力條件的增強或上游來沙被攔截，灘面寬度銳減、高程降低，對海堤的掩護作用減弱。同時，在全球氣候變化背景下，近年來風暴潮等群發(fā)性海洋動力災害頻發(fā)，且其強度增強的趨勢明顯，對近岸帶來的災害影響愈加強烈。在變化環(huán)境及人類活動影響下，水沙邊界條件的變化對海堤工程安全產(chǎn)生不可忽視的影響。

吉學寬等[1]對國內(nèi)外海岸侵蝕、防護與修復研究進行總結(jié)，指出人與海岸線的矛盾日益突出，加劇了海岸侵蝕的破壞程度，并介紹不同類型海岸的侵蝕機制及相應的防護與修復方法；黃哲等[2]通過現(xiàn)場調(diào)研、波浪數(shù)值計算、波浪物理模型試驗等手段對江蘇省某海堤局部失穩(wěn)機理進行分析，認為引起該段海堤破壞的主要原因是灘面侵蝕；《江蘇省海堤建設及生態(tài)海堤研究》一書中列舉了江蘇省部分侵蝕性岸段海堤破壞案例[3]，其中贛榆區(qū)小口段、濱海縣振東閘南北段、濱?？h六合樁段等區(qū)段的海堤破壞均是由于灘面沖刷引起的；李路等[4]研究表明：杭州灣北岸河口海岸地區(qū)的灘地受泥沙來源、潮流、風浪和海流等多重因素的作用，具有不穩(wěn)定性，給海堤安全帶來較大風險，初步提出沖蝕性灘地風險?？梢?，岸灘侵蝕是造成海堤破壞的重要因素。

筆者結(jié)合因岸灘侵蝕而引起的江蘇省濱?？h振東閘以北段海堤破壞案例，針對岸灘侵蝕對海堤安全影響的機理展開分析，對侵蝕性岸段海堤修復方法進行探討，通過模型試驗驗證修復方案的可行性。

1 海堤破壞情況

濱?？h是黃河南泛奪灘后沖擊而成的海濱平原。在黃河北歸后，由于大量泥沙來源斷絕，在風浪潮流的襲擊下，濱?？h海岸線嚴重蝕退，近百年來已后退17 km以上，雖然近年來人工干擾后岸線位置相對固定，但灘面還以每年10～15 cm的速度蝕降[5-6]。

研究區(qū)段位于濱海縣振東閘以北。該區(qū)段海堤歷年來是濱海縣海堤防護與搶險的重點堤段，也是濱?？h第一輪海堤達標工程實施堤段，1998—2001年實施了該段主海堤防護工程，工程建成后發(fā)揮了較好的治海效益，保證了主海堤近20 a的安全。近年來，因北側(cè)濱海港導堤建設，沿岸輸沙進一步被攔截，同時受寒潮、臺風等極端天氣影響，已建海堤工程不斷產(chǎn)生水毀，常處于應急搶修的被動狀態(tài)，直接影響該地區(qū)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展。

該段海堤設計水位3.45 m，現(xiàn)狀海堤斷面結(jié)構(gòu)見圖1。堤頂采用反弧擋浪墻，高程4.50～5.50 m之間采用20 cm厚混凝土護坡，高程3.00～4.50 m之間及高程3.0 m防浪平臺采用30 cm厚混凝土護坡，高程0.00～3.00 m之間采用50 cm厚素混凝土槽型塊/30 cm厚柵欄板護坡，外海側(cè)采用60～80 kg拋石護灘。

圖1 現(xiàn)狀海堤斷面(高程：m；尺寸：cm)

從圖2可見，海堤柵欄板護坡和縱、橫格埂均出現(xiàn)不同程度的腐蝕、破損，部分損毀嚴重段柵欄板已脫落移位，下部墊層已掏空破損，部分區(qū)段海堤素混凝土護坡出現(xiàn)面層破損，海堤坡腳前灘面沖刷較為嚴重。

圖2 海堤破壞情況

2 海堤破壞機理

廢黃河三角洲海床沖蝕，岸線后退，等深線逼岸。其中振東閘以北段海堤自1998年建設以來，灘面由建設初期的2.00 m刷降至-2.00 m左右(圖3)。

設計初期灘面未發(fā)生侵蝕，波浪作用于堤前發(fā)生破碎，破碎后的波浪要素受到水深控制，波高迅速減小，因此作用于海堤上的波浪動力相對較弱。而當灘面由2.0 m侵蝕至-2.0 m時，堤前水深、波高增大，作用于海堤上的波浪動力增強。

結(jié)合現(xiàn)場海堤破壞情況可見，灘面的刷降對海堤安全造成較大的影響，主要體現(xiàn)在日常條件波浪作用下的海堤護底、護面結(jié)構(gòu)侵蝕及極端氣候條件波浪作用下的海堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.1 日常條件波浪作用下的海堤護底、護面結(jié)構(gòu)侵蝕

圖3 現(xiàn)狀灘面與原設計灘面對比

由于灘面發(fā)生侵蝕，堤腳處60～80 kg塊石向外海側(cè)發(fā)生塌陷。同時，在高潮位及相應波浪作用下，60～80 kg塊石因重力不足而被波浪破碎產(chǎn)生的動能攜帶至海堤護坡上部，隨著水體往復運動長期磨損海堤護坡，加快了護面的腐蝕、破碎(圖4)。

圖4 護底結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況

下部護底結(jié)構(gòu)發(fā)生位移后，上部的護面結(jié)構(gòu)失去支撐，容易向海側(cè)發(fā)生塌陷，增加了海堤在極端氣候條件下的失穩(wěn)概率。

2.2 極端氣候條件波浪作用下的海堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

由于濱?？h海岸位于相對開敞海域，外海側(cè)無島嶼掩護，海堤直接受到外海來浪影響，極端天氣下作用于海堤的波浪強度受到堤前水深控制，當灘面由2.0 m刷降至-2.0 m后，水深增大4 m，導致設計水位下作用于海堤上部的波高也相應由1.0 m增大至3.8 m，增幅達到280%。

根據(jù)彌散關(guān)系，波浪由外海向近岸傳播，當波浪周期一定時，波長隨著水深的增加而增大[7]，破波參數(shù)ξp增大。對比該區(qū)段海堤灘面侵蝕前后的波長可見，設計水位下波長由29.7 m增大至55.1 m，增幅85%。

波浪在板式護坡(槽型塊、柵欄板、混凝土板)上的運動過程可分為破碎、沖擊、上爬和回落4個階段。當波長增加、破波參數(shù)增大時，波浪在堤前傳播過程中變得不易破碎，波能損耗較小，波浪對坡面沖擊產(chǎn)生的正壓力增大，對護坡結(jié)構(gòu)自身的強度影響較大，容易引起結(jié)構(gòu)損壞，而在波浪回落過程中，由于波長增加，表面水體下落加快，一旦護坡層透水性弱，即影響護面底部孔隙水的排出，護面層內(nèi)外將產(chǎn)生一個水頭差，形成對護面向外的頂托力，當超出護面的水下質(zhì)量時，會導致護面上托失穩(wěn)[8]。

同時，波長、波高的增大也會引起海堤堤腳波浪底流速的增大，進一步加劇護底塊石及灘面的淘刷。

3 侵蝕性岸段海堤修復

3.1 修復方案

由于該區(qū)段海堤北側(cè)濱海港導堤建設攔截了廢黃河口由北向南的沿岸輸沙，工程區(qū)沙源不足，灘面仍存在進一步刷降的可能性，因此需針對現(xiàn)狀灘面進行防護。

在距離海堤堤腳50 m處修建管樁順壩，樁徑為50 cm，樁間距35 cm，管樁頂高程2.0 m，上部為直徑70 cm的鋼筋混凝土樁帽梁，頂高程2.12 m。管樁順壩的修建可以達到保灘、消浪的雙重目的，當波浪作用至管樁順壩后受阻礙，波高減小，部分大波發(fā)生破碎，水體攜沙能力減弱，使得泥沙在順壩內(nèi)側(cè)形成落淤，對落潮時向外海運動的泥沙也起到攔截效果。

針對堤腳前局部沖刷及灘面侵蝕也采取相應的防護措施，擬采用扭王字塊體壓護結(jié)合拋石護灘。在堤腳前緊密擺放10排扭王字塊體，防護寬度約6 m，扭王字塊體外海側(cè)鋪設面層拋石，防護寬度14 m，堤腳綜合防護寬度20 m。該方案下即使堤腳處局部發(fā)生淘刷，面層塊石塌陷后也會迅速填補沖刷坑，并阻止下部泥沙遭到進一步侵蝕，因此一定寬度的拋石護腳可以對堤腳處的灘面有效防護；規(guī)則擺放的扭王字塊體對上部護坡結(jié)構(gòu)可以起到支撐作用。

3.1.2加固

高程3.00 m以下護坡護坡采用45 cm厚柵欄板；由于高程3.00 m及以上消浪平臺、斜坡位于常水位以上，極端高水位僅高于平臺0.45 m，護面穩(wěn)定受波谷作用時的負壓影響較小，因此混凝土板護坡厚度可適當減小至30 cm；堤腳采用600 kg扭王字塊體；外海側(cè)采用≥120 kg面層拋石。對海堤堤腳進行防護并加固護面后的海堤修復斷面結(jié)構(gòu)見圖5。

3.2 方案驗證

3.2.1試驗設計

墨西哥竹子的利用可追溯到數(shù)千年前，其資源豐富且易于收獲。在墨西哥溫暖潮濕的氣候條件下，竹屋或竹制庇護所方便建造且能夠提供良好的居住環(huán)境，在整體特性上優(yōu)于木屋(圖7)。然而，在15世紀隨著西班牙人的到來，新的建筑施工技術(shù)隨之而來，殖民地建筑不僅在墨西哥而且在所有美洲國家大量使用。盡管竹子已經(jīng)使用了數(shù)千年，但歐洲征服者認為竹材是次要材料或窮人的材料，而是采用其他建筑材料建設殖民地的基礎設施。但是，土著居民仍然保持著利用竹子的傳統(tǒng)。墨西哥竹利用發(fā)展的停滯與過去500年來歐洲人對土著居民的社會壓制直接相關(guān)。

采用波浪斷面物理模型試驗對海堤修復斷面進行模擬及驗證，試驗設計遵照JTS/T 231—2021《水運工程模擬試驗技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設計。

波浪斷面物理模型試驗在風、浪、流長波浪水槽中進行，波浪水槽長175.0 m、寬1.2 m、高1.8 m。水槽兩端均配有消浪緩坡，在一端配有推板式不規(guī)則波造波機。該造波系統(tǒng)可根據(jù)需求產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。

模型幾何比尺為1:20。波浪按重力相似準則模擬，不規(guī)則波波譜取JONSWAP譜。試驗斷面各部位均與原型保持幾何相似，各結(jié)構(gòu)部分均按比尺縮小，模型誤差不超過1 mm，擋浪墻、扭王字塊體等部位采用配重砂漿制作，以保證質(zhì)量相似。護底塊石經(jīng)嚴格挑選，與原型保持質(zhì)量相似。管樁順壩采用PVC管制作，滿足管徑及管間距與原型樁保持幾何相似，模型試驗不考慮管樁自身穩(wěn)定性。

3.2.2研究方法

試驗模型布置于水槽中段，距離造波機85 m，距離水槽尾端90 m，前后間距均大于6倍波長，可減小波浪反射影響，確保試驗結(jié)果的準確性。

首先，在試驗波浪水槽內(nèi)未放置模型的情況下根據(jù)試驗要求率定所需的波浪要素。然后，根據(jù)海堤斷面結(jié)構(gòu)在試驗水槽內(nèi)對其進行模擬，再進行各項試驗內(nèi)容，模型的模擬及布置均符合標準JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

正式試驗前，先使用小波連續(xù)作用一段時間，使得堤心、護面塊體及拋石處于相對密實狀態(tài)。

3.2.3試驗結(jié)果

圖6為修復加固方案穩(wěn)定性試驗情況。50 a一遇高水位及相應波浪作用下，當波浪運動至管樁順壩后受到阻擋，水體發(fā)生擾動，波高減小，波列中個別大波發(fā)生破碎，波能傳遞至順壩內(nèi)側(cè)并繼續(xù)向主海堤傳播。由圖6可見，水體可作用到海堤上部結(jié)構(gòu)并存在少許越浪。通過波浪斷面物理模型試驗驗證，修復加固方案擋浪墻、30 cm厚混凝土護坡、45 cm厚柵欄板護坡、600 kg扭王字塊體均未出現(xiàn)明顯的位移，滿足不同設計水位及相應波浪作用下的穩(wěn)定性要求，120 kg左右塊石較多發(fā)生滾動，但是參考現(xiàn)狀海堤的破壞情況，發(fā)生位移的塊石有部分會被波浪卷攜至護面上部，長期碰撞、摩擦會引起護面結(jié)構(gòu)的磨損，影響海堤護面的耐久性。因此優(yōu)化方案將這部分面層塊石進行加大，加大后的塊石單塊質(zhì)量約200 kg。

圖6 修復加固方案穩(wěn)定性試驗

優(yōu)化后的海堤各部位穩(wěn)定性驗證結(jié)果表明：在各級水位及相應的極端條件波浪作用后，增重后的塊石運動數(shù)量明顯減少，且發(fā)生位移的塊石仍大多在拋石平臺段來回滾動，基本無塊石運動至海堤上部。圖7為試驗后海堤斷面俯視圖。由圖7可見，發(fā)生位移的塊石個別運動至扭王字塊體上部，無塊石運動至海堤護面，對上部結(jié)構(gòu)的強度、耐久性不會產(chǎn)生影響。因此，該優(yōu)化方案作為濱?？h振東閘以北侵蝕性岸段的海堤修復方案可行。

圖7 優(yōu)化試驗后海堤各部位穩(wěn)定性

3.3 計算方法

3.3.1保灘工程透射系數(shù)確定

除保灘促淤外，試驗結(jié)果表明：管樁順壩的消浪性能對維持主海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到一定作用，但由于管樁順壩結(jié)構(gòu)在低水位時露出水面，高水位時處于淹沒狀態(tài)，現(xiàn)有研究無統(tǒng)一方法確定變化水位下的透射系數(shù)。本文分別參考了Hayashi等[9]、龔崇準等[10]的相關(guān)成果作為出水及淹沒狀態(tài)下保灘工程透射系數(shù)選取的依據(jù)。

Hayashi在長波假定和水體通過樁間縫隙的射流理論的基礎上得到單排圓樁列的透射系數(shù)計算式為：

(1)

(2)

式中：HT為透射波高；HI為入射波高；h為水深；b為樁間距；D為樁徑；c為經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.9。

在高水位時樁基處于淹沒狀態(tài)，管樁順壩整體消浪效率有所減弱，結(jié)合龔崇準對淹沒的樁式離岸堤透射系數(shù)模型試驗結(jié)果，按照本次加固方案選取的管樁順壩樁基相對高度、相對波高、相對間距等參數(shù)，在淹沒情況下透射系數(shù)取0.87。

3.3.2海堤穩(wěn)定性計算

基于相關(guān)設計規(guī)范，給出海堤護面、護底塊石穩(wěn)定性等的海堤穩(wěn)定性計算方法。在主海堤外側(cè)修建管樁順壩，需通過順壩結(jié)構(gòu)尺寸確定透射系數(shù)，計算到順壩與主海堤之間的波浪要素，進而用于計算主海堤的穩(wěn)定性。

護面穩(wěn)定性采用JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規(guī)范》[11]第4.3節(jié)的計算方法，其中塊石或人工塊體護坡穩(wěn)定質(zhì)量按4.3.7節(jié)計算；干砌塊石、漿砌塊石穩(wěn)定厚度按4.3.12節(jié)計算；柵欄板穩(wěn)定尺寸按4.3.19節(jié)計算。混凝土板或鋼筋混凝土板護坡的穩(wěn)定厚度按SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》[12]A.2.3節(jié)計算。

護底塊石穩(wěn)定質(zhì)量按照JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規(guī)范》確定，首先根據(jù)第4.3.22條計算斜坡堤前最大波浪底流速，然后通過第4.3.24條確定所需的穩(wěn)定質(zhì)量。

3.3.3綜合分析

采用海堤穩(wěn)定性計算方法對海堤現(xiàn)狀斷面在設計初期灘面(2.0 m)、近期灘面(-2.0 m)各部位穩(wěn)定性進行復核，并與近期灘面下加固方案模型試驗結(jié)果相互驗證。

在不考慮管樁順壩的情況下，設計初期2.0 m灘面下計算得出海堤現(xiàn)狀斷面拋石護灘、護面結(jié)構(gòu)等均能滿足穩(wěn)定性要求；而近期-2.0 m灘面下計算得到的拋石護灘穩(wěn)定質(zhì)量在200～300 kg，柵欄板護坡穩(wěn)定厚度35 cm，均大于海堤現(xiàn)狀斷面的實際值，與現(xiàn)狀海堤失穩(wěn)情況相符。

在考慮管樁順壩消浪后，順壩與主海堤間的波高衰減，其中淹沒狀態(tài)3.45 m水位時的波高由3.8 m減小至3.3 m；出水狀態(tài)2.0 m水位時的波高由2.8 m減小至2.0 m。此時計算得到適用的塊石質(zhì)量區(qū)間在100～200 kg，柵欄板護坡穩(wěn)定厚度32 cm。根據(jù)加固方案模型試驗結(jié)果，45 cm厚柵欄板護坡未發(fā)生失穩(wěn)，120 kg塊石較多發(fā)生滾動且會影響到海堤上部結(jié)構(gòu)耐久性，而優(yōu)化方案塊石質(zhì)量加大至區(qū)間質(zhì)量上限200 kg后，發(fā)生位移的塊石個數(shù)明顯減少。試驗現(xiàn)象與計算情況吻合較好。

可見，以上管樁順壩透射系數(shù)選取方法及海堤穩(wěn)定性計算方法是準確的。

4 結(jié)論

1)侵蝕型岸段灘面刷降后水深增大，海堤所受波浪動力增強，在日常水位下護底、護面結(jié)構(gòu)受長期淘刷、侵蝕，極端氣候條件下的海堤結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)。

2)侵蝕型岸段海堤修復除加固海堤斷面外，還需考慮采取一定的保灘措施，防止堤前水深進一步增大。

3)文中采用的管樁順壩透射系數(shù)及海堤穩(wěn)定性計算方法可應用于其他侵蝕型岸段海堤的修復加固工程。