大型軟基堵港工程的堵口及抗沖水力穩(wěn)定設計

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大型軟基堵港工程由于潮差和內(nèi)港吞吐潮量比較大，因此在堵口平堵拋石抬升口門底檻高程的過程中會引起內(nèi)外水位差和口門流速不斷增大。如果設計和施工不當，會使口門的水力條件惡化，大量已拋下的塊石會被沖出壩體設計斷面以外，有時需要大量的重型拋投材料才能抵卸高流速的沖刷，給堵口造成比較大的困難。根據(jù)我省已建幾座軟基堵港工程堵口設計和施工的經(jīng)驗教訓，對堵口工程抗沖水力穩(wěn)定設計中的幾個主要技術問題進行分析。

      1、口門型式選擇     堵口段的口門型式一般可分為兩種：一是“窄深式”，二是“寬淺式”。
    “窄深式”口門寬度比較小，底檻高程比較低，這種口門型式會造成內(nèi)外水位差、口門陡坡流速和單寬流量三者都大的很不利的水力條件，水流沖刷的能量很大，將給口門渡汛和平堵抬升塊石的防沖帶來很大的困難，往往需要大量的重型拋投材料才能解決。例如70年代初的象山縣大塘港堵港工程中的岙孟門堵口，當時設計的口門寬度為100m，底檻高程-4.0m(黃海標高，下同)，屬“窄深式”口門。設計中外海側采用拋填200多只直徑1.0m、長2.6m、重量約3.5t的竹籠保護。結果在渡汛過程中，退潮情況下內(nèi)外最大水位差達到3.65m，實測最大流速7.8m/s，竹籠全部被沖走或沖散，口門被刷深2m左右。一次大潮4d時間沖走塊石約2萬m³，大潮過后試圖加大平堵拋石力度盡快抬升口門底檻高程減少單寬流量(即減少沖刷能量)，均未能成功。大量拋下的塊石又被沖走。經(jīng)過反復研究，最后采用小潮汛小斷面立堵結合拋填鉛絲籠突擊合龍的方案，經(jīng)過3d立堵進占，完成100m口門的合龍。由于地基刷深后尚比較穩(wěn)定，故未造成一次立堵加荷8m而引起地基失穩(wěn)的情況。如果地基差，這種方案不可行。
    “寬淺式”口門的寬度要求比較大，底檻高程盡可能高，但往往受拋石船只吃水深度的限制?？陂T的寬度是根據(jù)潮差、吞吐潮量和塊石重量大小確定的。例如寧?？h胡陳港堵口工程，潮差與大塘港一樣，吞吐潮量比大塘港約大3000萬m³，達1.0億³。接受大塘港堵口的經(jīng)驗教訓，在原華東水利學院汪龍騰老師的指導下，采用“寬淺式”口門型式。渡汛口門寬度400m(壩長1138m)，底檻高程0m，以平堵抬升口門并采用水力擴展斷面的方法，把外海側陡坡流速控制在5.0m/s以下。在平堵高程到-3.0m以上時(采用塊石重量在200kg左右，直至抬升到0m高程)，結果當口門底檻高程平堵到0m時，外海側塊石形成約1∶10的坡度，所有塊石都是在地基抗滑穩(wěn)定要求的范圍內(nèi)，內(nèi)港側沒有發(fā)生水力擴展情況，即不發(fā)生塊石移動擴展，按抗滑穩(wěn)定斷面的要求進行拋填。成功地解決了大型堵口工程的抗沖水力穩(wěn)定問題。避免采用大量的重型拋投材料，節(jié)省工程投資，并為堵口合龍的立堵進占施工創(chuàng)造極為有利的水力條件。主要是口門底檻達0m，小潮汛堵口合龍時，口門最大水深在2m以下，水流沖刷能量較小，一般稍大尺寸的塊石都不會被沖走。     2、水力穩(wěn)定斷面的選擇     根據(jù)堵港工程的水力條件和地基條件，一般均以平堵為主的堵口方式。即以抬高拋石底檻高程后，設置適當大的口門寬度再進行立堵截流。如果拋石在抬升過程中，隨著水流流速的增大而增大塊石重量，使之不被水流推動，稱為密集斷面截流。這種型式一般適用于巖基或地基很好的堵港工程，需要大量的重型拋投材料。在軟基堵口工程中難以采用，尤其是密集斷面的堆石重量也是地基穩(wěn)定所不允許的。所以在軟基堵口中大多采用水力擴展斷面的型式，它是以延展外海側坡面長度來減緩坡面上的流速，使得能以較小的塊石在外海側坡面上呈穩(wěn)定狀態(tài)。坡面愈擴展即塊石坡度愈緩，則所需的石塊重量愈小。在軟土地基上堵口，可以根據(jù)地基抗滑穩(wěn)定斷面的要求來確定拋投石料的重量，一般情況下，采用200kg左右的塊石，它的水力擴展斷面層延長度大致與抗滑穩(wěn)定斷面所要求的長度相等。     3、水力擴展斷面設計     水力擴展斷面設計需要確定堵口過程的各種水力要素，包括口門內(nèi)外水位差Z、堰頂流速V_A、擴展斷面均勻急流段流速V_B(即坡面塊石穩(wěn)定流速)、口門單寬流量q和均勻急流段長度L等(圖1)。 圖1　水力擴展斷面示意圖     根據(jù)口門尺寸，設計潮位過程線、內(nèi)港庫容曲線，泄水閘規(guī)模采用水量平衡公式進行水量調(diào)節(jié)計算，求出內(nèi)港水位過程線與潮位過程線之差，即可求出各時段的內(nèi)外水位差Z，同時求出口門單寬流量q和堰頂流速V_A。
    水量平衡公式：
    根據(jù)堵口工程的實踐，塊石擴展發(fā)生在口門外海側，包括口門加速段和均勻急流段(近似)。內(nèi)港水流溢過口門頂?shù)牧魉贋閂_A，以后加速到A點達到V_B(當坡面塊石重量已達穩(wěn)定時)，并以近似均勻水流流經(jīng)均勻急流段，以面流形式與下游連接，在溢流面上加速段的落差為Z_B，則均勻急流段分擔的落差為Z-Z_B。設均勻急流段的邊坡為i，則均勻急流段的長度L為：L=(Z-Z_B)/i。
式中： (φ-流速系數(shù)，取0.8～0.85)
　　　
　　　C-謝才系數(shù)　(n為坡面塊石糙率，一般取0.04)
　　R-水力半徑　
　　h-均勻急流段坡面水深　h=q/V_B
　　則
　　最后得：
    擴展斷面邊坡均勻急流段的水流速V_B是確定塊石坡面穩(wěn)定的流速。為避免采用大量的重型拋投材料，根據(jù)地基抗滑穩(wěn)定斷面的尺寸和采石場可以開采到的塊石重量，V_B一般控制在5m/s左右，相應的塊石重量在230kg左右。實際上在開始平拋時的流速比較小，小尺寸的塊石就可滿足穩(wěn)定要求。只是當口門底檻抬升到一定高程以上才需用較大的塊石。塊石的重量與流速V_B的關系按依茲巴士公式計算。
　　
　　式中：r_石-塊石容重，取2.5t/m³
　　　　　r_水-海水容重，取1.03t/m³
　　　　　d-塊石當量直徑，
塊石重量     4、結語     綜上所述，對于潮差和吞吐潮量較大的軟基堵港工程，應采用“寬淺式”口門和水力擴展斷面型式，才能有效解決堵口過程中的塊石抗沖穩(wěn)定問題，避免采用大量重型拋投材料?？陂T寬度、底檻高程和水力擴展斷面長度是根據(jù)堵口水力計算成果、塊石重量和基礎抗滑穩(wěn)定斷面的尺寸來確定的。一般情況下，水力擴展斷面不宜超過基礎抗滑穩(wěn)定斷面，否則必須加大塊石重量或口門寬度。