水利工程论文-桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究.doc

水利工程论文-桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究摘要：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,这种消浪结构的主要缺点在于堤身护面块石的重量需达数百公斤,一般施工条件下难以达到,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、响水保滩工程等多处应用,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=3.0。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10.0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0=3.60,设计波周期=6.8。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=5.15,此时的设计波高0=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1.0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=20。试验在长40、宽0.5、深0.9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#和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,堤身高度,堤前波高0,桩径以及桩间距等。定义桩式离岸堤堤后波高与堤前波高0之比为波高透射率,其可表示为以下函数:=/0=(,0,)由于桩式离岸堤采用混凝土预制桩径=600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,/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/为相对波高；=/(+)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:=0.00、0.20、0.30、0.40和0.60,6级潮位:=6.15、5.50、5.00、4.50、4.0和3.50,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=000的桩式离岸堤为连续板桩离岸堤。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()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/=0.58(设计高潮位=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0=2.0)时,桩式离岸堤堤后波高由堤前的200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0=360,0/=07)时,波高由堤前的3.60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。表1桩式离岸堤堤后波高及波高透射率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时,桩式离岸堤的消浪效果越好。例如,在极限波高(0/=07)的情况下,堤身相对高度/=0.58、0.67、0.75、0.86和1.00时,方案3所得的波高透射率分别为=0.69、0.71、0.68、0.58和0.56,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()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/=0.86(潮位Z=450,堤身处于淹没状态)时,方案1方案5的波高透射率分别为=0.49、0.56、0.58、0.59和0.63。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=0.4,透空率=40%,即每延米一根外径=600的混凝土圆管桩。表2极限波高条件下的波高透射率表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(见图5)为:=-(1-)其中,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