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(zāi)害頻繁，每年都必須受到洪水、潮汐和臺風(fēng)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(fù)雜,江寬水淺,潮強流急,河床質(zhì)為易沖易淤的粉質(zhì)砂土,常導(dǎo)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(dá)20km,垂向沖淤幅度達(dá)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(hù)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(hù)塘墻、丁壩等,其中塘身、附土、土埝及界墻結(jié)合為整體,其余則為護(hù)塘建筑物。依據(jù)保護(hù)功能的不同,可把護(hù)塘建筑物主要分為護(hù)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(chǔ),造成塘身坍塌破壞。護(hù)基建筑是指直接保護(hù)塘身下部的水下建筑設(shè)施。直接保護(hù)塘身的水下建筑有:拋石體、模袋混凝土、護(hù)塘墻、防沖墻、坦水等。1.1防沖護(hù)腳方案拋石體防護(hù)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(hù)腳方案在技術(shù)上尚不可行,經(jīng)濟(jì)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(hù)設(shè)施。1.2模袋混凝土防沖試驗?zāi)４炷劣米髯o(hù)坦屬于水平防沖保護(hù)方式。因可在水下施工,并在混凝土尚未達(dá)標(biāo)的條件下即能承受較強水流的沖刷。20世紀(jì)80年代開始開展過大塊剛性模袋混凝土和鉸鏈?zhǔn)侥４炷练罌_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(shè)計剛性模型混凝土護(hù)坦時進(jìn)行了改進(jìn),采用挖灘來增加護(hù)坦腳趾的埋深,并與護(hù)坦上部所設(shè)水平段連成一體增強整體穩(wěn)定,同時護(hù)坦外側(cè)20m的范圍內(nèi)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(hù)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(hù)塘墻之設(shè)始于清代。當(dāng)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(fù)坦水以減緩坦水坡度(見圖2)。護(hù)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(yīng)坦水又稱護(hù)坦。早在北宋慶歷四年(1044年),楊偕、田瑜修筑杭州石塘?xí)r,就在塘腳布設(shè)裝石竹絡(luò)以保護(hù)塘基,開始出現(xiàn)簡單的護(hù)坦工程。清初海寧人陳讠于在認(rèn)真研究海鹽、海寧塘工和兩縣海岸自然特點的基礎(chǔ)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(rèn)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(hù)塘的要求和方法?？滴跷迨吣曛廖迨拍?1718—1720年),浙江巡撫朱軾在海寧修筑海塘?xí)r,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(hù)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(hù)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(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)板樁、基樁,平臺之外復(fù)設(shè)坦水2~3道,工程較為復(fù)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(shè)置0.80~1.00m高、寬的砌石平臺,平臺之外再打排樁。20世紀(jì)50年代中期起,又改進(jìn)為只設(shè)平臺,不打排樁,而在平臺之外預(yù)堆塊石防護(hù),一旦塘前灘地刷深時,再加拋塊石護(hù)腳。強潮河段有用裝石鋼筋籠以護(hù)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(hù)坦基本獲得成功。其施工要點是:當(dāng)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(nèi)塊石集中留存槽底,抽干槽內(nèi)積水后由人工挑抬清石。在塊石清除后,即可用水沖法將預(yù)制混凝土板樁沉下,聯(lián)接成片后,即在樁內(nèi)側(cè)填石,在頂面修筑護(hù)坦(見圖4)1.5防沖擊墻設(shè)計1.5.1水下混凝土防沖墻曾在七格4號壩用預(yù)制管樁作連續(xù)防沖墻的試驗。即在沖刷坑最深處沉放內(nèi)徑10cm的薄壁混凝土管,管內(nèi)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(nèi)側(cè)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(chǎn)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(chǔ)防沖。加固設(shè)計采用在護(hù)坦外側(cè)施打長10.00~12.00m的鋼筋混凝土板樁,樁頂設(shè)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(hù)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(jì)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(hù)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(rèn)識到,要解決長期困擾護(hù)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(shè)想。最初的想法是用混凝土樁保護(hù)丁壩的堆石體,準(zhǔn)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(hù)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(hù)塘功能,因而突破了原有觀念,開始設(shè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(hù)灘保灘效果明顯(見圖9)3各河段護(hù)塘建筑物(1)本文綜合分析了錢塘江的各種護(hù)塘建筑物,闡述了其歷史演進(jìn)過程。對于強潮作用河段,護(hù)塘手段有直