水利工程論文-樁式離岸堤保灘促淤工程消浪效果試驗(yàn)研究.doc

水利工程論文-樁式離岸堤保灘促淤工程消浪效果試驗(yàn)研究摘要：在上海奉賢南門港保灘促淤工程中,采用了一種新型結(jié)構(gòu)型式-樁式離岸堤,并通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了樁式離岸堤消浪效果研究。針對離岸堤通常建于近岸淺水區(qū)破波帶的特點(diǎn),重點(diǎn)研究水深、堤高以及堤身結(jié)構(gòu)對波浪衰減的影響,同時對樁式離岸堤堤后水域的波浪底流速進(jìn)行了分析探討。研究結(jié)果表明,樁式離岸堤不僅具有良好的消浪效果,而且可在較大范圍內(nèi)改變波態(tài),即由引起水體劇烈紊動的破波轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水推進(jìn)波,從而有效地改善海灘上的動力條件,保護(hù)海灘免受侵蝕,是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型保灘促淤結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：樁式離岸堤保灘促淤工程淺水波浪消浪波浪是造成海灘侵蝕的主要動力因素之一,在開敞式海岸地區(qū)尤為明顯。在近岸潮間帶,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輸沙情況下,大部分被侵蝕泥沙向外海擴(kuò)散運(yùn)移,造成海灘前緣的不斷淘刷后退,進(jìn)而威脅海堤安全。因此,必須采取工程措施對海灘加以保護(hù)。海灘防護(hù)工程的關(guān)鍵是消浪,同時還應(yīng)阻止潮流輸沙。對于正向波浪作用為主的海灘,通常使用離岸堤消減波浪。傳統(tǒng)的離岸堤大多采取斜坡式拋石方案,堤身不透水,消浪效果較佳。然而,這種消浪結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)在于堤身護(hù)面塊石的重量需達(dá)數(shù)百公斤,一般施工條件下難以達(dá)到,較小的護(hù)面塊石又易被波浪打壞,如果采用異形塊體加固,則造價(jià)較高。有鑒于此,一種新型的保灘促淤離岸堤結(jié)構(gòu)透空樁式離岸堤已經(jīng)開始受到人們的重視,這種結(jié)構(gòu)的主體為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋混凝土管樁,將其間隔排列即構(gòu)成離岸堤,可用于消減近岸區(qū)淺水波浪的波高,改變波態(tài),以達(dá)到保護(hù)海灘的目的。目前已在上海、南匯東灘二期圍墾促淤工程、奉賢南港及青年河、寶山橫沙保灘工程和江蘇濱海六合莊、響水保灘工程等多處應(yīng)用,取得了令人滿意的效果。關(guān)于透空樁式堤,國外學(xué)者曾經(jīng)做過一些試驗(yàn)研究和理論探討,取得了一定的成果。但這些研究主要局限于水深較大和非淹沒狀態(tài)的防波堤,其成果難以推廣到近岸淺水區(qū)的保灘促淤工程中。通常,離岸堤都是修建在近岸破波帶內(nèi),而且由于經(jīng)濟(jì)上的原因,堤頂高程一般較低,允許越浪,經(jīng)常處于淹沒狀態(tài)。因此,開展相關(guān)課題研究非常必要。本文結(jié)合上海市奉賢南門港段的保灘工程,研究透空樁式離岸堤的消浪效果,重點(diǎn)研究近岸淺區(qū)的水深、堤高以及樁式離岸堤結(jié)構(gòu)對波浪衰減的影響,同時就樁式離岸堤堤后波浪底流速進(jìn)行分析探討。奉賢南門港段保灘工程長766.2,采用樁式離岸堤方案作為保灘試驗(yàn)工程,以取代傳統(tǒng)的斜坡式拋石離岸堤。離岸堤堤軸線距主海堤約50,堤身由圓形管樁間隔排列構(gòu)成,以減少作用于樁體的波浪壓力。堤線處灘面高程為Zb=+1.0(吳淞零點(diǎn),下同),堤頂高程Z0=+4.0,樁的自由端長=3.0。為了保護(hù)離岸堤附近灘面免受因波浪破碎而造成的沖刷,在其前后各布設(shè)一段平拋塊石護(hù)底,寬度分別為10.0和5.0,樁基處拋石頂標(biāo)高+2.0,設(shè)計(jì)高潮位為Z=6.15,設(shè)計(jì)波高0=3.60,設(shè)計(jì)波周期=6.8?？紤]到離岸堤處的灘面高程為Zt=+1.0,設(shè)計(jì)高潮位時的水深為=5.15,此時的設(shè)計(jì)波高0=0.7,已為極限波高。奉賢南門港段在修建透空樁式離岸堤之前,海堤部分堤腳已因?yàn)┑靥运⒍惶钥?修建樁式離岸堤保灘工程一年后,堤后灘面已淤高1.0左右,起到了明顯的消浪保灘效果。1模型試驗(yàn)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。取模型幾何比尺=20。試驗(yàn)在長40、寬0.5、深0.9的波浪水槽中進(jìn)行,水槽一端裝置懸掛式推板生波機(jī)。采用電容式波高儀測量波浪要素,數(shù)據(jù)采集和分析處理由計(jì)算機(jī)完成。試驗(yàn)時緊靠樁式離岸堤之前和堤后1.25(對應(yīng)于原體25)處設(shè)置1#和2#波高儀,測定在各潮波組合條件下堤前、堤后的波高值,以對比分析各方案的消浪效果(見圖1)。根據(jù)分析,影響樁式離岸堤消浪效果的主要因素有:堤前水深,堤身高度,堤前波高0,樁徑以及樁間距等。定義樁式離岸堤堤后波高與堤前波高0之比為波高透射率,其可表示為以下函數(shù):=/0=(,0,)由于樁式離岸堤采用混凝土預(yù)制樁徑=600的成品管樁,故試驗(yàn)中不考慮樁徑變化的影響。將上述函數(shù)中的變量進(jìn)行無因次變換,可得:=(/,0/,/+)其中,/為堤身相對高度,表示在水深方向上樁式離岸堤所占的比例；0/為相對波高；=/(+)為樁的相對間距,表示樁式離岸堤的透空率。模型中,共對5種樁間距:=0.00、0.20、0.30、0.40和0.60,6級潮位:=6.15、5.50、5.00、4.50、4.0和3.50,每級潮位下包含極限波高在內(nèi)的多組波高進(jìn)行了試驗(yàn),其中,樁間距=000的樁式離岸堤為連續(xù)板樁離岸堤。2試驗(yàn)結(jié)果與分析上述5種樁式離岸堤、15組潮位波浪組合條件下堤后波高和波高透射率的試驗(yàn)結(jié)果列于表1。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,就相對波高(0/)、堤身相對高度(/)以及透空率()的變化對波浪透射率的影響進(jìn)行討論。1)相對波高(0/)在堤身相對高度和透空率一定的情況下,相對波高越大,波高透射率越小,消浪效果也就越好。例如,對于堤身相對高度/=0.58(設(shè)計(jì)高潮位=6.15,堤身處于淹沒狀態(tài))不變的情況下,方案3在相對波高為0.39(波高0=2.0)時,樁式離岸堤堤后波高由堤前的200變?yōu)?.96,兩者差值僅為0.04,波高透射率為0.98,消浪效果較差；而在極限波高(波高0=360,0/=07)時,波高由堤前的3.60衰減為2.48,兩者差值增加到1.12,波高透射率為0.69,消浪效果較好,詳見表1和圖2。由此可見,隨著相對波高的增加,離岸堤的消浪效果逐漸明顯,在極限波高情況下,波高透射率達(dá)到最小值,消浪效果最佳。從工程實(shí)際的角度來看,樁式離岸堤不僅適用于保灘工程,同樣也可用于保護(hù)海塘海堤工程,通過樁式離岸堤的消浪作用,可以有效地減小位于其后的海塘海堤設(shè)計(jì)波高,減輕波浪作用力,從而減少工程投資。表1樁式離岸堤堤后波高及波高透射率2)堤身相對高度(/)在淹沒狀態(tài)下,潮位越接近堤頂高程,亦即堤身相對高度趨近于1時,樁式離岸堤的消浪效果越好。例如,在極限波高(0/=07)的情況下,堤身相對高度/=0.58、0.67、0.75、0.86和1.00時,方案3所得的波高透射率分別為=0.69、0.71、0.68、0.58和0.56,表明隨著潮位的降低,樁式離岸堤的波高透射率逐漸減小,消浪效果逐步增強(qiáng),在接近樁頂高程時消浪效果最佳,詳見表2和圖3。樁式離岸堤出水后,對于方案1和方案2這樣的透空率較小的堤身結(jié)構(gòu),消浪效果有增強(qiáng)的趨勢,而對于透空率相對較大的樁式離岸堤來說,消浪效果與潮位接近堤頂時的效果基本相同,詳見表3。在實(shí)際工程中,可根據(jù)上述結(jié)論來確定樁式離岸堤的堤頂高程。就保灘工程來說,平均高潮位經(jīng)常出現(xiàn),且波浪動力條件又較為惡劣,應(yīng)作為主要防御潮位,因此,可將樁頂高程選在平均高潮位附近,以期取得較好的消浪效果。3)樁式離岸堤透空率()就樁式離岸堤的透空程度來說,在潮位和波浪條件一定的情況下,連續(xù)板樁堤的消浪效果較透空堤要好,而透空堤之間差別不大。例如,在極限波高情況下,當(dāng)?shù)躺硐鄬Ω叨?=0.86(潮位Z=450,堤身處于淹沒狀態(tài))時,方案1方案5的波高透射率分別為=0.49、0.56、0.58、0.59和0.63。顯然,連續(xù)板樁的消浪效果較透空堤要好,而透空堤中方案4(=0.4)雖較方案2(=0.2)的樁間距大一倍,但其消浪效果相差無幾,詳見表2和圖4。因此,在確定工程方案時,從節(jié)約工程造價(jià)的角度出發(fā),可以采用間距較大的樁式離岸堤,對于奉賢南門港段可選取樁間距=0.4,透空率=40%,即每延米一根外徑=600的混凝土圓管樁。表2極限波高條件下的波高透射率表3不同堤身相對高度條件下堤后波高和波高透射率應(yīng)該注意的是:試驗(yàn)是在波浪水槽中進(jìn)行的,波浪正向作用于離岸堤。而實(shí)際情況中,波浪常為斜向波,應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別。如奉賢南門港段保灘工程的離岸堤軸線為東偏北10,只有當(dāng)波浪為向時,才符合波浪正向作用于離岸堤的條件。當(dāng)波浪斜向作用于透空樁式離岸堤時,應(yīng)對樁間距進(jìn)行修正,此時的有效間距(見圖5)為:=-(1-)其中,為波向線(波浪作用方向)與透空樁式離岸堤堤軸線法線方向的夾角。各方案不同波浪入射角條件下有效樁間距的計(jì)算結(jié)果列于表4。由表可見,隨著波浪入射角的偏離,透空離岸堤的有效樁間距迅速減小,與此相應(yīng),其消浪效果應(yīng)該有所增強(qiáng)。以方