淺析錢塘江海塘灘潮對堤防的影響

淺析錢塘江海塘灘潮對堤防的影響

錢塘河口是中國最大的河口。河口地區(qū)自然災害頻繁，每年都必須受到洪水、潮汐和臺風的襲擊。杭州嘉湖平原和紹興寧平原的海拔高度比河流的平均值低2.00.4米。兩岸400多公里長的海湖是確保兩岸平原防洪（潮汐）排水安全的生命線。錢塘江河口水文江道條件復雜,江寬水淺,潮強流急,河床質為易沖易淤的粉質砂土,常導致江道主槽遷徙無常,灘岸坍漲不定,縱向沖淤劇烈,錢塘江尖山河灣曾出現(xiàn)過的最大平面擺幅達20km,垂向沖淤幅度達30多米,歷史上曾有一晝夜高灘退蝕245m的記錄。由于塘前灘地沖淤變幅大,潮差大,涌潮洶涌,水動力條件強,對沿江建筑物破壞力極大,海塘安全運行的一個重要保障措施就是利用護塘建筑物發(fā)揮促淤保灘的作用。海塘建筑物有塘身、附土、土埝、界墻、坦水、護塘墻、丁壩等,其中塘身、附土、土埝及界墻結合為整體,其余則為護塘建筑物。依據(jù)保護功能的不同,可把護塘建筑物主要分為護基建筑和保灘建筑。1單一塘身健康錢塘江海塘往往是強涌潮在低潮位時作用海塘底腳,淘刷基礎,造成塘身坍塌破壞。護基建筑是指直接保護塘身下部的水下建筑設施。直接保護塘身的水下建筑有:拋石體、模袋混凝土、護塘墻、防沖墻、坦水等。1.1防沖護腳方案拋石體防護方案是錢塘江過去常用的一種方法。目前一般情況下,除了工程臨時搶險之外,實際采用不多。但是對于沖刷深度很深,沖淤變化很大的河段,由于采用其它防沖護腳方案在技術上尚不可行,經(jīng)濟上又極不合理的情況下,經(jīng)過方案論證后,也是可以考慮的一種辦法;有時候,也常被用作過渡性的防護設施。1.2模袋混凝土防沖試驗模袋混凝土用作護坦屬于水平防沖保護方式。因可在水下施工,并在混凝土尚未達標的條件下即能承受較強水流的沖刷。20世紀80年代開始開展過大塊剛性模袋混凝土和鉸鏈式模袋混凝土防沖試驗,運行10a來,大部分保持良好。1995年在杭州錢塘江大橋至白塔嶺堤段海塘設計剛性模型混凝土護坦時進行了改進,采用挖灘來增加護坦腳趾的埋深,并與護坦上部所設水平段連成一體增強整體穩(wěn)定,同時護坦外側20m的范圍內拋石厚1.00m以上,以滿足江道灘地沖刷變形時仍有一定邊坡塊石的保護腳趾(見圖1),該工程至今運行情況良好1.3混凝土貼塘墻護塘墻之設始于清代。當時以條石修建,稱為石堵,主要建筑在海塘塘身尚完整而基樁卻已暴露的石塘前趾外緣,現(xiàn)以混凝土貼塘澆筑,墻身深入塘基基面以下0.80~1.40m,墻頂一般至少包住塘身2層條石,墻身高大者,加打長3.50~6.50m基樁,墻外再修復坦水以減緩坦水坡度(見圖2)。護塘墻建成后,不但彌補了塘基過高,基樁易于暴露的缺點,且坦水坡度由此減緩,穩(wěn)定性得以提高1.4坦水1.4.1條石坦水后反應坦水又稱護坦。早在北宋慶歷四年(1044年),楊偕、田瑜修筑杭州石塘時,就在塘腳布設裝石竹絡以保護塘基,開始出現(xiàn)簡單的護坦工程。清初海寧人陳讠于在認真研究海鹽、海寧塘工和兩縣海岸自然特點的基礎上,寫成《寧鹽二邑修塘議》,指出“潮有橫沖直沖之異,地有軟沙硬沙之別”。他認為海塘“患在根腳搜空”,“海寧之塘,功力全在塘根以外”,“必于塘腳之外,沙土之中,砌出十有余丈,以固其根”,并提出了修筑坦水護塘的要求和方法。康熙五十七年至五十九年(1718—1720年),浙江巡撫朱軾在海寧修筑海塘時,即用木柜實以碎石以固塘根,外筑坦水高及塘身之半,也用“木柜貯碎石為干,外砌巨石二三層,縱橫合縫,以護塘腳”。嗣后在仁和、海寧2縣修筑石塘的同時,即修砌坦水以護塘。清代條石坦水工程一般為二層坦水,塘基較高及險工地段有多層坦水,分別稱頭坦、二坦、三坦、四坦,里高外低,斜坡而下。條石平砌坦水構筑方法:每道坦寬1.2丈,表層用10路條石蓋面,條石寬1.2尺,厚0.7尺;下層用砌高3尺的塊石墊底,臨水外緣釘排樁2路,內外層交接處釘排樁2路或1路。樁為圓木樁,樁長有4,5,6尺3種,參差相間釘入土中。隨著經(jīng)驗的積累,坦水結構逐步演變和發(fā)展,有平砌塊石、條石、柴埽、竹簍坦水等。至民國元年(1912年)在海寧試建混凝土塊坦水,民國三年(1914年)創(chuàng)建全國罕見的條石靠砌、條石豎砌坦水,民國十六年(1927年)試建鋼筋混凝土坦水。1949年,海寧陳汶港斜坡式干砌混凝土塊塘的前趾,用混凝土澆成平臺,下設板樁、基樁,平臺之外復設坦水2~3道,工程較為復雜(見圖3)。以后在杭州四堡改為在坡腳打雙排樁;平湖白沙灣等處則在坡腳設置0.80~1.00m高、寬的砌石平臺,平臺之外再打排樁。20世紀50年代中期起,又改進為只設平臺,不打排樁,而在平臺之外預堆塊石防護,一旦塘前灘地刷深時,再加拋塊石護腳。強潮河段有用裝石鋼筋籠以護拋石,并配置短丁壩、小凸體。以其有效,沿用至今1.4.2泥漿泵抽泥挖槽施工1993年,海寧縣圍墾指揮部試用水力吸泥挖槽,人工清石、水沖法下樁作排樁護坦基本獲得成功。其施工要點是:當圍堤外灘地高程接近于低潮位或以上時,利用泥漿泵吸泥挖槽,此時槽內塊石集中留存槽底,抽干槽內積水后由人工挑抬清石。在塊石清除后,即可用水沖法將預制混凝土板樁沉下,聯(lián)接成片后,即在樁內側填石,在頂面修筑護坦(見圖4)1.5防沖擊墻設計1.5.1水下混凝土防沖墻曾在七格4號壩用預制管樁作連續(xù)防沖墻的試驗。即在沖刷坑最深處沉放內徑10cm的薄壁混凝土管,管內澆灌水下混凝土,形成一道連續(xù)的防沖墻(見圖5)。防沖墻內側將淤積土清除并回填塊石,頂面修筑新的挑流平臺。由于防沖墻修筑在原沖刷坑最深處,在新建了挑流平臺以后,沖刷坑及其最深點均向上游推移,在防沖墻處將產生一定的堆積,使防沖墻底部不再發(fā)生淘刷,從而保證丁壩上游坡的穩(wěn)定1.5.2鋼筋混凝土板樁本工程主要用在海寧段魚鱗石塘基礎防沖。加固設計采用在護坦外側施打長10.00~12.00m的鋼筋混凝土板樁,樁頂設有縱向連系梁相固定,以形成一道板樁防沖連續(xù)墻(見圖6)。由于板樁入土深度大,除了樁身在灘地刷深時能維持自身穩(wěn)定滿足防沖需要外,還同時藉以截樁力起到提高海塘整體抗滑能力1.5.3小井壓板工程小沉井防沖墻首次用于下沙斜坡式海塘防沖加固2拋筑短丁壩群保灘建筑主要有密距短丁壩群。密距短丁壩群系指在海塘前沿拋筑短丁壩群,通過多條丁壩對強涌潮的阻擋、緩沖作用,使塘前壩囊間形成緩回流區(qū)、淤積成較高的近塘灘地,從而間接地保護海塘塘基免受沖刷,使塘身穩(wěn)定不受破壞。2.1控制壩長和壩高堆石短丁壩一般長50m左右;壩距、河彎凹岸一般采用3倍左右壩長,平直河段采用4~5倍壩長。壩頂高程盡量降低到低水位附近為好,控制壩長和壩頂高程,減小壩上下游水位落差,防止壩基及壩坡發(fā)生沖刷或造成大的沖刷坑。根據(jù)實踐,壩頭處壩頂高程控制在施工期低水位以上1.00m左右,壩縱坡取1∶100左右。壩的方向一般與水流方向垂直,丁壩壩頭連線,要求平順圓滑與河道主流線相平行,避免單壩突出。密距短丁壩是20世紀五六十年代錢塘江治理中的重大創(chuàng)舉,錢塘江河口兩岸,先后曾拋筑保灘護岸丁壩400余座(見圖8)2.2單排樁方案“計算單式”通過大量分析認識到,要解決長期困擾護塘丁壩建造和壩身毀壞的問題,丁壩必須“生根”。據(jù)此,1999年提出了樁式丁壩設想。最初的想法是用混凝土樁保護丁壩的堆石體,準備在擬建丁壩地段的上、下游先打2排混凝土樁,再于2排混凝土樁之間拋石,然后再澆注素混凝土保護壩面。這種樁式丁壩稱為“雙排樁方案”。鑒于混凝土樁本身就具備促淤護塘功能,因而突破了原有觀念,開始設計了以單排混凝土樁為主體的樁式丁壩,稱為“單排樁方案”。運行實踐表明:樁式丁壩可減輕“兜潮”現(xiàn)象,直接抵御最大涌潮動力的作用,有效地減弱涌潮對壩基的淘刷,削減壩頭及丁壩上游側的局部沖刷強度,較好地解決了丁壩壩身周圍局部沖刷坑的問題,大大增強了壩身結構穩(wěn)定性。樁式丁壩群壩長一般為50m,間隔為1∶5,可平均減沖促淤1.20~1.30m,護灘保灘效果明顯(見圖9)3各河段護塘建筑物(1)本文綜合分析了錢塘江的各種護塘建筑物,闡述了其歷史演進過程。對于強潮作用河段,護塘手段有直