水击在充泥管袋筑堤中的危害及对策

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【摘 要】本文结合南汇东滩促淤圈围五期工程实例，从水力学原理角度分析了在充泥管袋海堤施工过程中因海浪引起水击现象，导致合龙堵口堤段、其他堤段充泥管袋破坏、失稳的原因，定性分析了影响水击压强的几个关键要素，并从工程施工角度提出了降低水击危害的技术措施。

【关键词】水击；充泥管袋；筑堤；破坏；技术措施

充泥管袋筑堤在上海市滩涂围垦领域得到了广泛、成功的应用，充泥管袋合龙堵口技术更是刷新了最大宽度龙口成功合龙的纪录，达到了历史性的320米，但是在充泥管袋技术应用的历程中，因为长江口、沿海自然条件的原因，也出现了相当程度的损失。

一、概述

南汇东滩促淤圈围五期工程3标，地处长江口南岸大治河河口至浦东国际机场，北临机场南侧堤，南与四期工程隔大治河口港槽相望，主堤在2期促淤工程基础上实施，堤线原始高程0.00m。主堤采用斜坡式土石坝复式断面，堤身采用内、外充泥管袋夹堤芯吹填土方式构筑，外海侧结合原促淤坝设镇压平台，堤内布置内青坎。工程于2004年9月24日正式开工，2005年1月17日顺利同步合龙。

二、合龙过程中的水击破坏

五期工程3标龙口口宽320m，底宽274m，龙口保护构筑面高程1.5～1.7m，2005年1月13日启动合龙，当天顺利完成第一层8个袋子150m进尺的铺设、充填。14日，袋体以上平均水深70～80cm，流速大于1m/s，采取水中铺袋，完成下剩8个袋子124米，第一层平堵结束，袋顶平均高程2.3米，晚上潮水退却后，发现四个袋子被冲走，出现了65m左右的缺口，合龙进入关键时期。

经检查，被冲走的袋子全部分布在龙口外棱体和促淤坝之间，袋于龙口过流中泓线两侧，据此分析，在涨潮时，袋体被破坏，袋内下游一侧砂土被淘刷，退潮时，袋内下游一侧砂被继续淘刷，继而失去自身稳定，袋体被冲走。究其内在原因，浪是引起水击的前提，水击是导致袋体破坏的原因。

上图1表明，没有浪时，涨潮时充泥管袋上面过流速度随着潮位变化，袋体两边水头差变化而在涨潮初期逐渐增加，末期逐渐减少，引起袋内V2变化极小，水击不明显，袋体不会破坏。有浪时，浪压力引起袋内水向下游以V2流动，由于袋布的约束，下游袋布逐步雍高，袋内压强P逐渐增大，V2减小，引起水击，当P增大到引起的拉力（袋体内应力）大于袋布的接缝强度或袋布的极限抗拉强度时，内陆侧袋布破坏（图2，图3），进入第二个阶段。

由于涨潮平均历时约5.25个小时，退潮平均历时约7.25个小时，因此，如果不考虑浪的影响，龙口过流断面可看作是近似恒定流，即V1是恒定的，但实际上由于护底及龙头两侧的约束，流态呈现较大变化，引起V1有一定的波动，从而引起V2的波动，如果V2大于筑堤用砂的起动流速（约0.04m/s），则砂被少量带走。但引起袋内砂土大量流失的根本原因是波浪，波浪作用于充泥管袋引起的V2远大于砂的起动流速。波浪在某个点的压力变化是反复的，袋体破坏后，水击转变为不完全水击，袋布承受的水击应力重新分布，直至达到平衡。

浪压力引起的V2变化近似等于波浪的行近速度，袋内砂土混合物不断的被压出，流失，流失量与浪的行近流速（波速）、浪高以及波浪特性（浅水波、深水波或破碎波）有关，涨潮末，袋内下游侧大量砂土已被淘刷。

平潮期，V1趋近于0，而V2仍持续不断的作用，袋内砂土继续流失。

第三阶段，退潮时，内陆侧砂土被大量淘刷的袋体随着流速方向改变向外海侧反转，浪压力和退潮时的非稳定流交相作用，引起袋内泥水混合物压力交替变化，泥砂继续大量流失，直到袋内砂土不足于维持自身稳定，袋体在退潮的某个阶段被冲走，完成水击直至破坏乃至失稳的全过程。

三、筑堤过程中的水击

龙口保护运行阶段，龙口两侧充泥管袋棱体均匀上升，设计潮位以下部分袋体需赶潮施工，遇恶劣风浪天气，会出现水位变动区堤身顶层袋体损失严重，其破坏机理同前述。但在前述水击压强P产生的拉力（袋体内应力）小于袋布抗拉强度时，不发生袋布破裂，仅发生袋内砂土沿波浪前进方向推移，形成内侧雍高，严重时顶层充泥管袋失稳，向内侧滑移。潮水位以下的充泥管袋由于充填砂土的含粘量很小，袋内砂土在外部变化压力作用下恢复到充填时的泥水混合物状态，也可能引起袋内水击，可致袋布破坏，袋内砂土流失，整个堤身失稳。

四、应对水击破坏的工程措施

可定性分析，水击压强P是浪高（h），袋顶水头H，浪的行近流速V，浪在袋体上的行程s的函数，即：P=f（h，H，v，s），降低H，h，s，v四个参数中任何一个都可达到减少水击压强P的目的，另外，只有当P引起的拉应力fp大于袋布或拼缝的抗拉强度时，才致使根本破坏。因此工程上从以下几个方面采取相应的措施来防止水击破坏：

1、在构筑的充泥管袋棱体外抛石，形成抛石坝使波浪破碎，降低浪高，和浪的行近流速。

2、可通过在加工袋体上增设拉结点或压重块石为主来减少浪在袋体上的行程，在拉接点的提前约束下逐步抵抗浪压力P，不使P集中（合龙阶段），但要采取防止压载块石本身对袋体磨损的措施。

3、适当增大袋布强度和提高袋布拼缝强度，或将拼缝留置在袋体底层。

4、从水击破坏角度考虑，适当的砂土含粘量有利于提高砂土的起动流速，迟缓砂土流失速率，使袋内砂土不会在一个涨落潮期间过量流失，引起失稳。

在本工程中采用了压重块石、更换230g机织袋布和增加一道拼缝三项主要技术措施，大大降低了水击破坏程度，顺利完成了堵口及合龙任务。

五、结语

充泥管袋筑堤施工工艺成熟，成本低廉，但在台风、寒潮等恶劣天气条件情况下，以及在合龙这一特定阶段，风险较大，采取一定的工程措施和技术措施有利于降低工程施工风险和成本风险。