溫州淺灘一期南圍堤護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

付天宇,王曉波

(1.溫州市甌江口開發(fā)建設(shè)投資集團有限公司,浙江 溫州 325000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

溫州淺灘一期圍涂工程位于靈昆島下游,由北圍堤、南圍堤、東圍堤和1座排水涵閘組成,圍區(qū)面積0.20萬hm2(3.05萬畝),其中北圍堤長5 238 m、南圍堤長6 278 m、東圍堤長5088m(見圖1)[1].。設(shè)計擋潮標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇。北圍堤一階段交通堤與靈霓海堤于2006年5月建成通車,實現(xiàn)了洞頭縣與大陸相連的夙愿。2006年3月16日,淺灘一期圍涂工程東圍堤開工,于2010年底完工。2007年1月,淺灘一期圍涂工程南圍堤及東圍堤延伸段開工,2011年7月基本完成施工。

淺灘一期南圍堤工程原設(shè)計護面結(jié)構(gòu)為柵欄板護面,主要考慮柵欄板護面消浪效果較好,且柵欄板預(yù)制堆放占地面積較小(當(dāng)時施工現(xiàn)場可提供的場地較小)。該護面結(jié)構(gòu)方案在施工圖設(shè)計中經(jīng)波浪模型試驗,堤頂高程和越浪量均滿足規(guī)范要求。以南圍堤斷面10為例,防浪墻頂高程8.6m,堤頂高程7.6m(見圖2)。

圖1 淺灘一期圍涂工程地理位置示意圖

圖2 原南圍堤斷面10施工圖

鑒于四腳空心塊相對于柵欄板更適應(yīng)溫州軟黏土地基條件下的堤身變形,四腳空心塊相對于柵欄板預(yù)制與安放施工難度有所降低,四腳空心塊造價較之柵欄板護面結(jié)構(gòu)有所降低,且開工后施工條件有所變化,靈昆島、霓嶼石料場和南山石料場的場地已能滿足四腳空心塊的預(yù)制施工要求。因此,施工過程中,建設(shè)方對南圍堤工程護面結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整。

護面結(jié)構(gòu)調(diào)整中,為確保不降低海堤擋潮御浪標(biāo)準(zhǔn),需根據(jù)護面結(jié)構(gòu)的調(diào)整復(fù)核堤頂高程和護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,其次須按規(guī)范重新進行波浪模型試驗驗證。

護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后,南圍堤斷面見圖3。

圖3 護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后南圍堤斷面10圖

2 堤頂高程與越浪量計算

按SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》,海堤防浪墻頂高程按下式計算:

式中:Zp為設(shè)計頻率的堤頂(防浪墻頂)高程;Hp為設(shè)計頻率高潮位,本工程取5.07 m;RF%為波浪爬高,允許部分越浪F=13;△H為安全加高,允許部分越浪 △H=0.4 m;P=2%。

波浪爬高按下式計算:

式中:KΔ為糙滲系數(shù),四腳空心塊與混凝土護面按面積比折算KΔ=0.725;KV為與風(fēng)速及塘前水深有關(guān)的系數(shù);R0—KΔ=1.0,H=1.0m時的爬高值;H1%為波高累積率為F=1%的波高值,當(dāng)H1%＞Hb時,則 H1%取Hb值;KF為爬高累積頻率換算系數(shù)。

經(jīng)(1)、(2)式計算,當(dāng)采用四腳空心塊時,防浪墻頂高程為9.10 m,與柵欄板計算結(jié)果8.95 m接近。

按《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》,越浪量按下式計算:

越浪量的風(fēng)效應(yīng)按下式修正:

式中:θ為海堤臨潮面坡角(°);R為波浪在海堤上爬高值(m);Wf為風(fēng)速影響系數(shù),風(fēng)速大于26.8m/s,取值為2.0。

經(jīng)(3)、(4)式計算,維持原設(shè)計8.6m防浪墻頂高程時,越浪量為0.03m3/(m?s),仍可滿足設(shè)計要求,計算值與柵欄板計算結(jié)果0.02m3/(m?s)接近。

3 波浪模型試驗驗證[2].

波浪模型試驗委托河海大學(xué)交通與海洋學(xué)院進行。試驗斷面采用南圍堤斷面3、10和東圍堤延伸段斷面4,本文僅說明南圍堤斷面10的情況。

3.1 試驗工況

南圍堤斷面10設(shè)計工況 (50 a一遇潮位5.07m+50 a一遇波浪)試驗波浪要素

南圍堤斷面10校核工況 (50 a一遇潮位5.07 m+100 a一遇波浪試驗波浪要素)

3.2 試驗內(nèi)容及要求

3.2.1 主要試驗原則和技術(shù)要求

根據(jù)圍堤代表斷面形式和基本尺寸,對斷面的波浪爬高、越浪情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行試驗驗證和優(yōu)化。

3.2.2 試驗內(nèi)容

(1)驗證海堤迎水坡護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,包括四腳空心塊體、灌砌塊石、埋石混凝土、護面塊石和擋浪墻等的穩(wěn)定性。

(2)越浪量測定,并檢驗內(nèi)坡沖刷情況。設(shè)計工況控制越浪量為0.05 m3/(m?s),校核工況控制越浪量為0.07 m3/(m?s)。

3.2.3 試驗要求

按波浪試驗規(guī)程進行,試驗采用不規(guī)則波。

3.3 試驗方法

試驗按照J(rèn)TJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》進行,試驗采用不規(guī)則波,按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計模型。

模型長度比尺 λ=23;時間比尺 λt=λ1/2;壓強比尺λp=λ;越浪量比尺λq=λ3/2。

不規(guī)則波波譜取JONSWAP譜:

式中:α為無因次常數(shù);γ為譜峰升高因子,取3.3;ωP為譜峰頻率;

將特征波要素輸入計算機,按模型比尺計算產(chǎn)生造波訊號,控制造波機產(chǎn)生相應(yīng)的不規(guī)則波序列。不規(guī)則波波數(shù)大于120個,每組試驗重復(fù)3次,取其均值作為試驗值,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定試驗時,波浪連續(xù)作用相當(dāng)于原體1個風(fēng)暴潮過程 (約3 h)。

試驗在河海大學(xué)風(fēng)浪水槽中進行,水槽長80.0 m,寬1.0m,高1.5m,水槽一端安裝不規(guī)則造波機,另一端設(shè)置消波系統(tǒng),水槽縱向分為2部分各0.5m寬,一部分鋪設(shè)試驗斷面,另一部分用以消除波浪的二次反射。波高及波浪爬高采用電容式波高儀量測,越浪量采用集水稱重法量測。

為了滿足設(shè)計要求,試驗中將根據(jù)設(shè)計斷面的結(jié)構(gòu)型式及抗浪要求,適當(dāng)增加試驗波要素的組合,擴大試驗成果的應(yīng)用范圍。試驗波要素率定值見表1。試驗值與要求值的誤差很小,符合交通部JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》的要求。

表1 模型試驗風(fēng)浪要素表

3.4 試驗成果

為了驗證設(shè)計斷面的抗浪標(biāo)準(zhǔn),對設(shè)計斷面分別進行了4種不同潮位,波浪要素的組合試驗。分別觀察了外海坡護面結(jié)構(gòu)、內(nèi)海坡護面結(jié)構(gòu)、擋浪墻、鎮(zhèn)壓層塊石的穩(wěn)定性,測量了越浪量并對護面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

表2 南圍堤斷面10穩(wěn)定情況表

3.5 試驗結(jié)論

(1)在50 a一遇設(shè)計潮位和相應(yīng)波浪要素作用下,試驗斷面擋浪墻、堤后護坡、堤頂路面及格梁等結(jié)構(gòu)均滿足穩(wěn)定要求,且越浪很小,小于0.05m3/(m?s),均滿足規(guī)范的要求。

(2)南圍堤斷面10上斜坡四腳空心方塊重量不宜小于3.5 t,下斜坡四腳空心方塊重量可采用2.2 t,鎮(zhèn)壓層坡肩塊石處于臨界穩(wěn)定,建議加大塊石重量[3].。

4 比較與分析

(1)對比南圍堤原柵欄板護面波浪模型試驗成果,其設(shè)計工況為0.001m3/(m?s),校核工況為0.006m3/(m?s)。護面結(jié)構(gòu)調(diào)整為四腳空心塊后,越浪量與原試驗成果接近。說明相同條件柵欄板和四腳空心塊消浪效果接近,且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求。

(2)對比規(guī)范公式法計算成果,根據(jù)護面結(jié)構(gòu)情況折算糙滲系數(shù)后,計算所得堤頂高程與試驗值較為接近。試驗情況驗證的越浪量要遠(yuǎn)小于公式計算成果,僅為1/30。

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)試驗成果斷面10護面結(jié)構(gòu)由原設(shè)計40 cm厚柵欄板調(diào)整為上坡3.5 t/只、下坡2.2 t/只的四腳空心塊。南圍堤工程護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后,護面結(jié)構(gòu)投資按中標(biāo)價格計算降低了478萬元,取得了較好的經(jīng)濟效益。四腳空心塊相對于柵欄板更適應(yīng)溫州軟黏土地基條件下的堤身變形控制,且相對于柵欄板預(yù)制安放施工難度有所降低,加快了工程建設(shè)進度。

(2)按規(guī)范公式法計算堤頂高程時,糙滲系數(shù)影響較大,針對多種護面結(jié)構(gòu)同時使用的情況,應(yīng)根據(jù)不同護面結(jié)構(gòu)的面積比,合理折算后使用。

(3)對于較為復(fù)雜的多平臺復(fù)式斷面,目前按規(guī)范計算所得的防浪墻頂高程及越浪量與試驗值有一定的差距,越浪量差距更為顯著。因此,對于海堤實施波浪模型試驗進行驗證是十分必要的。

[1].俞相成,張賽生.溫州淺灘一期圍涂工程南圍堤初步設(shè)計調(diào)整報告 (報批稿)[R]..上海:上海市水利工程設(shè)計研究院,2006.

[2].陳國平,嚴(yán)士常.溫州淺灘一期圍涂工程南圍堤 (調(diào)整)波浪模型試驗 [R]..南京:河海大學(xué)交通與海洋學(xué)院,2008.

[3].陳國平,嚴(yán)士常.溫州淺灘南圍堤工程波浪模型試驗 [R]..南京:河海大學(xué)交通與海洋學(xué)院,2006.