大型软基堵港工程的堵口及抗冲水力稳定设计

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大型软基堵港工程由于潮差和内港吞吐潮量比较大，因此在堵口平堵抛石抬升口门底槛高程的过程中会引起内外水位差和口门流速不断增大。如果设计和施工不当，会使口门的水力条件恶化，大量已抛下的块石会被冲出坝体设计断面以外，有时需要大量的重型抛投材料才能抵卸高流速的冲刷，给堵口造成比较大的困难。根据我省已建几座软基堵港工程堵口设计和施工的经验教训，对堵口工程抗冲水力稳定设计中的几个主要技术问题进行分析。

      1、口门型式选择     堵口段的口门型式一般可分为两种：一是“窄深式”，二是“宽浅式”。
    “窄深式”口门宽度比较小，底槛高程比较低，这种口门型式会造成内外水位差、口门陡坡流速和单宽流量三者都大的很不利的水力条件，水流冲刷的能量很大，将给口门渡汛和平堵抬升块石的防冲带来很大的困难，往往需要大量的重型抛投材料才能解决。例如70年代初的象山县大塘港堵港工程中的岙孟门堵口，当时设计的口门宽度为100m，底槛高程-4.0m(黄海标高，下同)，属“窄深式”口门。设计中外海侧采用抛填200多只直径1.0m、长2.6m、重量约3.5t的竹笼保护。结果在渡汛过程中，退潮情况下内外最大水位差达到3.65m，实测最大流速7.8m/s，竹笼全部被冲走或冲散，口门被刷深2m左右。一次大潮4d时间冲走块石约2万m³，大潮过后试图加大平堵抛石力度尽快抬升口门底槛高程减少单宽流量(即减少冲刷能量)，均未能成功。大量抛下的块石又被冲走。经过反复研究，最后采用小潮汛小断面立堵结合抛填铅丝笼突击合龙的方案，经过3d立堵进占，完成100m口门的合龙。由于地基刷深后尚比较稳定，故未造成一次立堵加荷8m而引起地基失稳的情况。如果地基差，这种方案不可行。
    “宽浅式”口门的宽度要求比较大，底槛高程尽可能高，但往往受抛石船只吃水深度的限制。口门的宽度是根据潮差、吞吐潮量和块石重量大小确定的。例如宁海县胡陈港堵口工程，潮差与大塘港一样，吞吐潮量比大塘港约大3000万m³，达1.0亿³。接受大塘港堵口的经验教训，在原华东水利学院汪龙腾老师的指导下，采用“宽浅式”口门型式。渡汛口门宽度400m(坝长1138m)，底槛高程0m，以平堵抬升口门并采用水力扩展断面的方法，把外海侧陡坡流速控制在5.0m/s以下。在平堵高程到-3.0m以上时(采用块石重量在200kg左右，直至抬升到0m高程)，结果当口门底槛高程平堵到0m时，外海侧块石形成约1∶10的坡度，所有块石都是在地基抗滑稳定要求的范围内，内港侧没有发生水力扩展情况，即不发生块石移动扩展，按抗滑稳定断面的要求进行抛填。成功地解决了大型堵口工程的抗冲水力稳定问题。避免采用大量的重型抛投材料，节省工程投资，并为堵口合龙的立堵进占施工创造极为有利的水力条件。主要是口门底槛达0m，小潮汛堵口合龙时，口门最大水深在2m以下，水流冲刷能量较小，一般稍大尺寸的块石都不会被冲走。     2、水力稳定断面的选择     根据堵港工程的水力条件和地基条件，一般均以平堵为主的堵口方式。即以抬高抛石底槛高程后，设置适当大的口门宽度再进行立堵截流。如果抛石在抬升过程中，随着水流流速的增大而增大块石重量，使之不被水流推动，称为密集断面截流。这种型式一般适用于岩基或地基很好的堵港工程，需要大量的重型抛投材料。在软基堵口工程中难以采用，尤其是密集断面的堆石重量也是地基稳定所不允许的。所以在软基堵口中大多采用水力扩展断面的型式，它是以延展外海侧坡面长度来减缓坡面上的流速，使得能以较小的块石在外海侧坡面上呈稳定状态。坡面愈扩展即块石坡度愈缓，则所需的石块重量愈小。在软土地基上堵口，可以根据地基抗滑稳定断面的要求来确定抛投石料的重量，一般情况下，采用200kg左右的块石，它的水力扩展断面层延长度大致与抗滑稳定断面所要求的长度相等。     3、水力扩展断面设计     水力扩展断面设计需要确定堵口过程的各种水力要素，包括口门内外水位差Z、堰顶流速V_A、扩展断面均匀急流段流速V_B(即坡面块石稳定流速)、口门单宽流量q和均匀急流段长度L等(图1)。 图1　水力扩展断面示意图     根据口门尺寸，设计潮位过程线、内港库容曲线，泄水闸规模采用水量平衡公式进行水量调节计算，求出内港水位过程线与潮位过程线之差，即可求出各时段的内外水位差Z，同时求出口门单宽流量q和堰顶流速V_A。
    水量平衡公式：
    根据堵口工程的实践，块石扩展发生在口门外海侧，包括口门加速段和均匀急流段(近似)。内港水流溢过口门顶的流速为V_A，以后加速到A点达到V_B(当坡面块石重量已达稳定时)，并以近似均匀水流流经均匀急流段，以面流形式与下游连接，在溢流面上加速段的落差为Z_B，则均匀急流段分担的落差为Z-Z_B。设均匀急流段的边坡为i，则均匀急流段的长度L为：L=(Z-Z_B)/i。
式中： (φ-流速系数，取0.8～0.85)
　　　
　　　C-谢才系数　(n为坡面块石糙率，一般取0.04)
　　R-水力半径　
　　h-均匀急流段坡面水深　h=q/V_B
　　则
　　最后得：
    扩展断面边坡均匀急流段的水流速V_B是确定块石坡面稳定的流速。为避免采用大量的重型抛投材料，根据地基抗滑稳定断面的尺寸和采石场可以开采到的块石重量，V_B一般控制在5m/s左右，相应的块石重量在230kg左右。实际上在开始平抛时的流速比较小，小尺寸的块石就可满足稳定要求。只是当口门底槛抬升到一定高程以上才需用较大的块石。块石的重量与流速V_B的关系按依兹巴士公式计算。
　　
　　式中：r_石-块石容重，取2.5t/m³
　　　　　r_水-海水容重，取1.03t/m³
　　　　　d-块石当量直径，
块石重量     4、结语     综上所述，对于潮差和吞吐潮量较大的软基堵港工程，应采用“宽浅式”口门和水力扩展断面型式，才能有效解决堵口过程中的块石抗冲稳定问题，避免采用大量重型抛投材料。口门宽度、底槛高程和水力扩展断面长度是根据堵口水力计算成果、块石重量和基础抗滑稳定断面的尺寸来确定的。一般情况下，水力扩展断面不宜超过基础抗滑稳定断面，否则必须加大块石重量或口门宽度。