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桩式离岸堤保滩促淤工程消浪效果试验研究
作者:佚名 来源:土木工程网 点击量: 发布时间:2013-12-13 17:10:39

  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766.2m,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50m,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=+1.0m(吴淞零点,下同),堤顶高程Z0=+4.0m,桩的自由端长h=3.0m。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10.0m和5.0m,桩基处抛石顶标高+2.0m,设计高潮位为Z=6.15m,设计波高H0=3.60m,设计波周期T=6.8s。考虑到离岸堤处的滩面高程为Zt=+1. 0m,设计高潮位时的水深为d=5.15m,此时的设计波高H0=0.7d,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1.0m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λL=20。试验在长40m、宽0.5m、深0.9m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1.25m(对应于原体25m)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d,堤身高度h,堤前波高H0,桩径D以及桩间距b等。定义桩式离岸堤堤后波高H′与堤前波高H0之比为波高透射率K,其可表示为以下函数:

  K=H′/H0=f(d,h,H0,b,D)

  由于桩式离岸堤采用混凝土预制桩径D=600mm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:

  K=f(h/d,H0/d,b/b+D)

  其中,h/d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;H0/d为相对波高;η=b/(b+D)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:b=0.00、0.20、0.30、0.40和0.60m,6级潮位:Z=6.15、5.50、5.00、4.50、4.0和3.50m,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b=0 00m的桩式离岸堤为连续板桩离岸堤。

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