桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究

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论文字数:**** 论文编号:lw202392707 日期:2025-01-31 来源:论文网

摘要:在上海奉贤南门港保滩促淤工程中,采用了一种新型结构型式--桩式离岸堤,并通过物理模型试验进行了桩式离岸堤消浪效果研究。针对离岸堤通常建于近岸浅水区破波带的特点,重点研究水深、堤高以及堤身结构对波浪衰减的影响,同时对桩式离岸堤堤后水域的波浪底流速进行了分析探讨。研究结果表明,桩式离岸堤不仅具有良好的消浪效果,而且可在较大范围内改变波态,即由引起水体剧烈紊动的破波转变为浅水推进波,从而有效地改善海滩上的动力条件,保护海滩免受侵蚀,是一种具有广泛应用前景的新型保滩促淤结构。

关键词:桩式离岸堤 保滩促淤工程 浅水波浪 消浪

波浪是造成海滩侵蚀的主要动力因素之一在开敞式海岸地区尤为明显。在近岸潮间带由于波浪和潮流的共同作用尤其是在近岸破碎波浪掀沙和潮流输沙情况下大部分被侵蚀泥沙向外海扩散运移造成海滩前缘的不断淘刷后退进而威胁海堤安全。因此必须采取工程措施对海滩加以保护。

海滩防护工程的关键是消浪同时还应阻止潮流输沙。对于正向波浪作用为主的海滩通常使用离岸堤消减波浪。传统的离岸堤大多采取斜坡式抛石方案堤身不透水消浪效果较佳。然而这种消浪的主要缺点在于堤身护面块石的重量需达数百公斤一般条件下难以达到较小的护面块石又易被波浪打坏如果采用异形块体加固则造价较高。有鉴于此一种新型的保滩促淤离岸堤结构——透空桩式离岸堤已经开始受到人们的重视这种结构的主体为预应力高强钢筋混凝土管桩将其间隔排列即构成离岸堤可用于消减近岸区浅水波浪的波高改变波态以达到保护海滩的目的。目前已在上海、南汇东滩二期围垦促淤工程、奉贤南港及青年河、宝山横沙保滩工程和江苏滨海六合庄、响滩工程等多处应用取得了令人满意的效果。

关于透空桩式堤国外学者曾经做过一些试验研究和理论探讨取得了一定的成果。但这些研究主要局限于水深较大和非淹没状态的防波堤其成果难以推广到近岸浅水区的保滩促淤工程中。通常离岸堤都是修建在近岸破波带内而且由于经济上的原因堤顶高程一般较低允许越浪经常处于淹没状态。因此开展相关课题研究非常必要。本文结合上海市奉贤南门港段的保滩工程研究透空桩式离岸堤的消浪效果重点研究近岸浅区的水深、堤高以及桩式离岸堤结构对波浪衰减的影响同时就桩式离岸堤堤后波浪底流速进行分析探讨。

奉贤南门港段保滩工程长766.2采用桩式离岸堤方案作为保滩试验工程以取代传统的斜坡式抛石离岸堤。离岸堤堤轴线距主海堤约50堤身由圆形管桩间隔排列构成以减少作用于桩体的波浪压力。堤线处滩面高程为Zb=+1.0(吴淞零点下同),堤顶高程Z0=+4.0桩的自由端长h=3.0m。为了保护离岸堤附近滩面免受因波浪破碎而造成的冲刷在其前后各布设一段平抛块石护底宽度分别为10.0m和5.0桩基处抛石顶标高+2.0设计高潮位为Z=6.15设计波高H0=3.60设计波周期T=6.8s。考虑到离岸堤处的滩面高程为Zt=+1. 0设计高潮位时的水深为d=5.15此时的设计波高H0=0.7已为极限波高。奉贤南门港段在修建透空桩式离岸堤之前海堤部分堤脚已因滩地淘刷而被淘空修建桩式离岸堤保滩工程一年后堤后滩面已淤高1.0m左右起到了明显的消浪保滩效果。

1   模型试验

按重力相似准则设计模型。取模型几何比尺λ=20。试验在长40m、宽0.5m、深0.9m的波浪水槽中进行水槽一端装置悬挂式推板生波机。采用电容式波高仪测量波浪要素数据采集和分析处理由计算机完成。试验时紧靠桩式离岸堤之前和堤后1.25(对应于原体25)处设置1#2#波高仪测定在各潮波组合条件下堤前、堤后的波高值以对比分析各方案的消浪效果(见图1)

  

根据分析影响桩式离岸堤消浪效果的主要因素有:堤前水深d堤身高度h堤前波高H0,桩径D以及桩间距b等。定义桩式离岸堤堤后波高H′与堤前波高H0之比为波高透射率K其可表示为以下函数:

=H′/0=(0)

由于桩式离岸堤采用混凝土预制桩径D=600mm的成品管桩故试验中不考虑桩径变化的影响。将上述函数中的变量进行无因次变换可得:

=(/0//+)

其中/d为堤身相对高度表示在水深方向上桩式离岸堤所占的比例;0/d为相对波高;η=/(+)为桩的相对间距表示桩式离岸堤的透空率。

模型中共对5种桩间距:=0.000.200.300.400.60,6级潮位:=6.155.505.004.504.03.50每级潮位下包含极限波高在内的多组波高进行了试验其中桩间距b=0 00m的桩式离岸堤为连续板桩离岸堤。

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2   试验结果与分析

上述5种桩式离岸堤、15组潮位波浪组合条件下堤后波高和波高透射率K的试验结果列于表1。根据试验结果就相对波高(0/)、堤身相对高度(/)以及透空率(η)的变化对波浪透射率的影响进行讨论。

1)   相对波高(0/)

在堤身相对高度和透空率一定的情况下相对波高越大波高透射率越小消浪效果也就越好。例如对于堤身相对高度h/=0.58(设计高潮位Z=6.15堤身处于淹没状态)不变的情况下方案3在相对波高为0.39(波高H0=2.0)桩式离岸堤堤后波高由堤前的2 00m变为1.96两者差值仅为0.04波高透射率为0.98,消浪效果较差;而在极限波高(波高H0=3 600/=0 7)波高由堤前的3.60m衰减为2.48两者差值增加到1.12波高透射率为0.69,消浪效果较好详见表1和图2。由此可见随着相对波高的增加离岸堤的消浪效果逐渐明显在极限波高情况下波高透射率达到最小值消浪效果最佳。从工程实际的角度来看桩式离岸堤不仅适用于保滩工程同样也可用于保护海塘海堤工程通过桩式离岸堤的消浪作用可以有效地减小位于其后的海塘海堤设计波高减轻波浪作用力从而减少工程投资。

1 桩式离岸堤堤后波高H′及波高透射率

2)堤身相对高度(/)

在淹没状态下潮位越接近堤顶高程亦即堤身相对高度趋近于1桩式离岸堤的消浪效果越好。例如在极限波高(0/=0 7)的情况下堤身相对高度h/=0.580.670.750.861.00方案3所得的波高透射率分别为K=0.690.710.680.580.56,表明随着潮位的降低桩式离岸堤的波高透射率逐渐减小消浪效果逐步增强在接近桩顶高程时消浪效果最佳详见表2和图3。桩式离岸堤出水后对于方案1和方案2这样的透空率较小的堤身结构消浪效果有增强的趋势而对于透空率相对较大的桩式离岸堤来说消浪效果与潮位接近堤顶时的效果基本相同详见表3。在实际工程中可根据上述结论来确定桩式离岸堤的堤顶高程。就保滩工程来说平均高潮位经常出现且波浪动力条件又较为恶劣应作为主要防御潮位因此可将桩顶高程选在平均高潮位附近以期取得较好的消浪效果。

3)桩式离岸堤透空率(η)就桩式离岸堤的透空程度来说在潮位和波浪条件一定的情况下连续板桩堤的消浪效果较透空堤要好而透空堤之间差别不大。例如在极限波高情况下当堤身相对高度h/=0.86(潮位Z=4 50堤身处于淹没状态)方案1~方案5的波高透射率分别为K=0.490.560.580.590.63。显然连续板桩的消浪效果较透空堤要好而透空堤中方案4(=0.4)虽较方案2(=0.2)的桩间距大一倍但其消浪效果相差无几详见表2和图4。因此在确定工程方案时从节约工程造价的角度出发可以采用间距较大的桩式离岸堤对于奉贤南门港段可选取桩间距b=0.4透空率η=40%,即每延米一根外径D=600mm的混凝土圆管桩。

2 极限波高条件下的波高透射率

3 不同堤身相对高度条件下堤后波高和波高透射率

应该注意的是:试验是在波浪水槽中进行的波浪正向作用于离岸堤。而实际情况中波浪常为斜向波应当有所区别。如奉贤南门港段保滩工程的离岸堤轴线为东偏北10°只有当波浪为S~SSE向时才符合波浪正向作用于离岸堤的条件。当波浪斜向作用于透空桩式离岸堤时应对桩间距进行修正此时的有效间距b′(见图5):

b′=b×cosα-(1-cosα)

其中α为波向线(波浪作用方向)与透空桩式离岸堤堤轴线法线方向的夹角。

各方案不同波浪入射角条件下有效桩间距的计算结果列于表4。由表可见随着波浪入射角的偏离透空离岸堤的有效桩间距迅速减小与此相应其消浪效果应该有所增强。以方案4为例其桩径为D=600mm桩间距b=0.4当波浪入射角α=30°、40°和50°时有效桩间距为b′=0.270.170.04分别相当于波浪正向作用下方案3、方案2以及连续板桩的消浪效果。

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3   桩式离岸堤堤后波浪底流速分析

一般情况下潮流和波浪是造成海岸和河口段海堤前沿滩地冲刷的主要动力因素。对于奉贤南门港段来说SW~ESE向的波浪是岸滩侵蚀淘刷的主要动力因素。波浪在底坡较平缓的浅滩上传播当滩地水深小于2倍波高(&>2 00)波浪将发生破碎波浪的破碎引起水体的剧烈紊动造成岸滩淘刷。

修建桩式离岸堤可以有效地消减堤后波高减少波浪作用力同时还可在很大范围内改变波浪的形态即由引起水体剧烈紊动的破波转变为浅水推进波从而达到保护岸滩的目的。根据波浪理论当水深d大于2倍波高(d≥20)波浪基本上属于浅水推进波波动的水质点作椭圆运动在水底则作水平直线往复运动(椭圆短轴长度为零)。当波面出现波峰或波谷时相应波浪底流速达到最大值其值可用下式计算:

其中L为波长;T为波周期取T=0.68;H为波高取堤后25m处波高H′。

根据波浪试验结果(见表1),除个别情况外,5种方案所列各潮波组合中的水深满足条件d&>2H′可按浅水推进波计算堤后最大波浪底流速计算结果见表5。结果表明:在试验条件范围内堤后水域最大波浪底流速的极大值为1.54/此时潮位Z=5.50m、堤后波高H′=2.40(方案5);极小值为0.58/此时潮位Z=3.50m、堤后波高H′=0.63(方案1)。当潮位位于4.0(略高于平均高潮位3.75)或以下时各方案堤后水域波浪底流速的最大值仅为1 05/由于该最大波浪底流速仅在瞬间出现而且强度有限因此刷滩的可能性大为降低。此外经过桩式离岸堤的消浪作用堤后水深与波高的比值d/H′(=2 34 0),偏离浅水推进的条件较多最大波浪底流速还有可能进一步降低滩面泥沙也就更不容易淘刷下切。

当波浪斜向作用于透空桩式离岸堤时同样应考虑桩间距的修正问题。以方案4为例当波浪入射角α=20°、30°和40°时有效桩间距为b′=0.300.190.03分别相当于波浪正向作用时方案3、方案2及连续板桩的水流条件此时堤后水域最大波浪底流速可取相应方案的值。

5 桩式离岸堤堤后最大波浪底流速

4 结 语

通过对桩式离岸堤消浪效果的试验研究及离岸堤堤后水域波浪底流速的分析可得如下几点结论:

1)桩式离岸堤既可有效地消减作用于滩地上的波浪又能在较大范围内改变波浪形态使其由破波转变为浅水推进波改善了滩上的水流波浪等动力条件从而达到保护海滩免受波浪淘刷的目的。

2)桩式离岸堤的消浪效果主要与波浪大小、堤身高度以及桩间间距有关。就相对波高而言在堤身相对高度和桩堤透空率一定的情况下相对波高越大消浪效果越好在极限波高情况下(0/=0.7),消浪效果最佳;就堤身相对高度而言在相对波高和离岸堤堤型一定的情况下淹没状态时潮位越接近于堤顶高程亦即堤身相对高度趋近于1桩式离岸堤的消浪效果越好;就桩式离岸堤的透空程度来说在潮位和波浪条件一定的情况下连续板桩堤的消浪效果较好透空堤的效果相对略差但透空堤之间差别有限。

3)桩式离岸堤的消浪效果试验是在水槽中进行的仅适用于波浪正向作用情形。如为斜向波应对桩间距进行修正。由于修正后间距减小相当于桩式堤桩间间距减少、密度增加一定程度上可以提高消浪效果。

4)试验结果表明桩式离岸堤堤后水域的水深和波浪满足浅水推进波条件(d≥20),可用相应公式计算最大波浪底流速值。以奉贤南门港桩式离岸堤为例当潮位位于平均高潮位附近及其以下时最大波浪底流速仅约1.05/冲刷滩地的能力大为降低从而可以起到保滩的作用。

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