歐洲某潮汐電站蓄水砂芯防波堤壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王福強(qiáng)，錢原銘，徐少鯤

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

歐洲某潮汐電站蓄水砂芯防波堤壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王福強(qiáng)，錢原銘，徐少鯤

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

為了對(duì)歐洲某潮汐電站蓄水砂芯防波堤壩斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從工程環(huán)境、設(shè)計(jì)要求、斷面結(jié)構(gòu)選擇、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)化、施工和工程造價(jià)等方面進(jìn)行對(duì)比分析研究。結(jié)果顯示，高潮差、長周期波條件下石頭圍埝方案的砂芯防波堤壩斷面滿足該項(xiàng)目優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，該結(jié)構(gòu)斷面為類似工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。

潮汐電站；防波堤壩；砂芯；工程設(shè)計(jì)

潮汐能是河口海岸地區(qū)重要的綠色能源，潮汐電站利用潮漲、潮落形成的潮汐能發(fā)電，能源可靠，雖然有周期性間歇，但具有較為準(zhǔn)確的規(guī)律，可通過預(yù)報(bào)有計(jì)劃納入電網(wǎng)運(yùn)行。潮汐電站無淹沒損失、移民等問題，水庫內(nèi)可發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等，并且可有效提高庫內(nèi)護(hù)岸抵御風(fēng)暴潮浪的能力，改善庫內(nèi)水質(zhì)條件，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)綜合效益。

潮汐電站選址要求潮差大、海灣水域開闊、含沙量較小[1]，以保證足夠的發(fā)電量和電站的正常運(yùn)行。當(dāng)前國內(nèi)外潮汐電站主要有法國朗斯(最大潮差3.5 m，壩長750 m)，加拿大安納波利斯(最大潮差9.5 m，壩長225 m)，韓國始華(最大潮差14.0 m，壩長1 270 m)，中國江夏(最大潮差8.39 m，壩長670 m)[2]。這些電站建立在天然河灣或海灣，潮差較大，采用堤壩圍出較大的發(fā)電水庫。作為潮汐電站項(xiàng)目重要的組成部分，電站堤壩既要具備防浪能力，又需要滿足蓄水發(fā)電時(shí)水庫內(nèi)外較大水頭差下的防滲功能，通常約占電站總投資的30%～35%，是潮汐電站建設(shè)項(xiàng)目一個(gè)主要大項(xiàng)。同時(shí)，對(duì)于國際項(xiàng)目，特別是在歐洲發(fā)達(dá)國家，堤壩結(jié)構(gòu)的選型除了要考慮結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)外，還要考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求、地材價(jià)格、施工方案等。如何選擇合理的潮汐電站堤壩斷面，尤其是在高潮差、長周期波作用下的人工瀉湖式潮汐電站項(xiàng)目中，對(duì)潮汐電站項(xiàng)目的成敗至關(guān)重要。

以往相關(guān)工程通常采用的堤壩形式有混凝土心墻堆石壩(朗斯電站)、寬斷面砂芯拋石斜坡堤壩體(始華電站)、沉箱直墻式堤壩(韓國加露林電站)等。本文以歐洲某潮汐電站項(xiàng)目堤壩設(shè)計(jì)為例，根據(jù)歐洲海岸工程建設(shè)規(guī)范[3]，在結(jié)構(gòu)斷面選擇、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工和工程造價(jià)等方面對(duì)高潮差、長周期波作用下的斜坡式砂芯防波堤壩斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 工程環(huán)境和設(shè)計(jì)要求

1.1項(xiàng)目背景

圖1 潮汐發(fā)電站項(xiàng)目工程平面Fig.1 Plan of project

歐洲某潮汐發(fā)電站項(xiàng)目主要包括海上潮汐電站、總長9 360 m的防波堤壩及1 500 m的電站施工臨時(shí)圍堰，項(xiàng)目完成后將形成11.5 km2的人工瀉湖水域用以潮汐能發(fā)電(見圖1)。防波堤壩屬于永久結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命120年，使用期內(nèi)既要具備防浪擋砂的作用，又需要滿足蓄水發(fā)電的功能。

1.2水文條件

1.2.1 潮流

本工程位于歐洲某海灣之中，潮汐類型為典型的半日潮，最大潮差約10.5 m，平均水位5.16 m，設(shè)計(jì)高水位9.48 m，設(shè)計(jì)低水位0.85 m，極端高水位10.50 m，極端低水位0.03 m。

在長落潮時(shí)期，該區(qū)域的最大平均流速可達(dá)0.5 m/s。

1.2.2 設(shè)計(jì)波浪要素

本工程水域直接面對(duì)外海，設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

表1 設(shè)計(jì)波浪要素Tab.1 Design wave parameters

1.3設(shè)計(jì)要求

堤壩設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素設(shè)計(jì)要求見表2。

表2 設(shè)計(jì)要求Tab.2 Requirements of design

2 堤壩斷面結(jié)構(gòu)選擇

2.1設(shè)計(jì)斷面

根據(jù)業(yè)主要求，針對(duì)本項(xiàng)目提出了5種斜坡式砂芯防波堤壩斷面進(jìn)行比選。

2.1.1 原方案(方案一)

按照工程所在地規(guī)定，本工程防波堤壩必須為斜坡式結(jié)構(gòu)，護(hù)面塊體不允許為人工塊體。原方案堤壩結(jié)構(gòu)形式為砂芯斜坡堤，斜坡坡度1∶2.5，護(hù)面為3.5～6.5 t級(jí)配塊石，堤心的圍埝結(jié)構(gòu)采用50～100 kg的碎石分級(jí)形成水下和水上圍埝邊界。采用土工布防止砂芯在水力作用下滲透出堤身造成堤體破壞(見圖2)。

原方案主要優(yōu)點(diǎn)為：滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，結(jié)構(gòu)耐久性好，堤芯砂來源豐富可就地取材，結(jié)構(gòu)防滲效果顯著等。碎石地材比較普遍，材料供應(yīng)有保障。

主要缺點(diǎn)為：該結(jié)構(gòu)施工過程復(fù)雜，要求各工序之間的搭接緊湊；該地區(qū)潮差大，漲落潮流和波浪(一年一遇有效波高2.79 m)聯(lián)合作用下，50～100 kg的碎石很難形成圍埝，導(dǎo)致砂芯成堤困難，特別是該項(xiàng)目工期要求很高，對(duì)于分級(jí)碎石成埝的施工過程繁瑣，工期、設(shè)備和人員需要很難滿足，因此需要在原方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖2 原方案斷面(方案一)Fig.2 Typical cross section of original design(Plan 1)

2.1.2 土工大沙袋方案(方案二)

方案二采用土工大沙袋(Geo-container)和土工管帶(Geo-tube)來形成沿防波堤壩軸向的圍埝邊界[4-5]，然后向圍埝內(nèi)部回填疏浚砂形成堤心，外側(cè)采用墊層石和護(hù)面塊石[4-5,7]，在墊層石與土工大沙袋和土工管帶之間鋪設(shè)高強(qiáng)度土工布形成倒濾層[4]，防止堤心砂從土工大沙袋或土工管帶空隙滲入墊層石、護(hù)面從而造成防波堤頂面沉降不均勻(見圖3)。其中土工大沙袋的長度為35 m，拋填后形成的截面高度為1.75 m左右，施工時(shí)在開體駁上先鋪設(shè)土工布，然后裝填疏浚砂，縫合之后運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢瞄_體駁開體將土工大沙袋拋入海中。土工管帶長度50 m，陸上吹砂形成的截面高度為2 m左右。土工大沙袋和堤心砂將在水上分層施工至+5.0 m標(biāo)高附近，然后陸上施工土工管帶及堤心砂。待土工大沙袋和土工管帶及堤心砂施工完畢后，鋪設(shè)土工布，安裝墊層石、護(hù)面塊石及防浪墻至設(shè)計(jì)堤頂標(biāo)高。

圖3 土工大沙袋方案斷面(方案二)Fig.3 Typical geo-container cross section (Plan 2)

方案二主要優(yōu)點(diǎn)為：施工簡(jiǎn)單，工序相對(duì)較少；由于土工大沙袋和土工管帶形成結(jié)構(gòu)之后本身自重很大，施工期無需額外防護(hù)[4]。

主要缺點(diǎn)為：由開體駁拋設(shè)土工大沙袋過程中，隨著水深增加，拋設(shè)誤差增大；土工大沙袋自重很大，一旦出現(xiàn)拋設(shè)位置錯(cuò)誤或者偏差太大，移除的代價(jià)很大；同時(shí)拋設(shè)誤差造成的沙袋間間隙容易造成堤心砂流失，施工風(fēng)險(xiǎn)較大[2]。

2.1.3 “圣誕樹”方案(方案三)

方案三與土工大沙袋方案相比，采用開山石替代土工大沙袋形成水下堤心砂外側(cè)分級(jí)圍埝(見圖4)。開山石(60～300 kg)形成的石頭分級(jí)圍埝每級(jí)高3.0 m，頂寬3.0 m。當(dāng)海測(cè)和湖側(cè)的每級(jí)圍埝成形，在分級(jí)圍埝的內(nèi)側(cè)鋪設(shè)倒慮土工布，之后開始回填疏浚砂，與此同時(shí)進(jìn)行外側(cè)的墊層和護(hù)面安裝，保證施工期防波堤壩安全。疏浚砂在分級(jí)圍埝中形成一定高度和自然邊坡后，再進(jìn)行下一級(jí)圍埝成形，并回填疏浚砂直至+5.0 m標(biāo)高附近。+5.0 m標(biāo)高以上采用土工管帶施工方法，施工順序與方案二相同。

圖4 “圣誕樹”方案斷面(方案三)Fig.4 Typical “Christmas Tree” cross section (Plan 3)

方案三主要優(yōu)點(diǎn)為：開山石形成的分級(jí)圍埝，施工過程相對(duì)比較常規(guī)[3]。

主要缺點(diǎn)為：每級(jí)開山石形成的分級(jí)圍埝內(nèi)側(cè)都需要鋪設(shè)土工布，施工難度較大，對(duì)于工期有很大風(fēng)險(xiǎn)；開山石形成的分級(jí)圍埝自身抗浪能力較弱，成形之后需要馬上進(jìn)行墊層塊石和護(hù)面塊石的鋪設(shè)，工序之間銜接緊密，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的施工組織管理要求較高。

2.1.4 石頭圍埝方案(方案四)

方案四采用級(jí)配為300～1 000 kg的大塊石形成單級(jí)石頭圍埝至+3.0 m標(biāo)高，頂寬為3.0 m，圍埝的外邊坡為1∶1.75，內(nèi)坡為拋石自然邊坡約1∶1.5(見圖5)。與“圣誕樹”方案相同，用大石頭形成單級(jí)圍埝內(nèi)側(cè)鋪設(shè)倒慮土工布用以阻止堤心砂外泄。+3.0 m以上采用陸上施工土工管帶形成圍埝，施工順序與前兩個(gè)方案一致。

圖5 單級(jí)石頭圍埝方案典型斷面Fig.5 Typical rock bund cross section (Plan 4)

方案四主要優(yōu)點(diǎn)為：采用級(jí)配塊石形成單級(jí)石頭圍埝，施工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)避免了施工期臨時(shí)防護(hù)；由于采用了大塊石圍埝，臨海側(cè)+3.0 m標(biāo)高以下無需設(shè)置墊層塊石，直接在圍埝上鋪設(shè)護(hù)面塊體，有效提高了水上施工效率，減少船機(jī)設(shè)備，縮短工期。

主要缺點(diǎn)為：采用級(jí)配塊石形成單級(jí)石頭圍埝，需要大量的大塊石，這個(gè)對(duì)于材料供應(yīng)是很大的挑戰(zhàn)。

2.1.5 沙被方案(方案五)

方案五與方案三類似，采用單層厚度為0.5 m的沙被代替開山石分級(jí)形成3.0 m高的分級(jí)圍埝[4]，圍埝內(nèi)部分級(jí)回填堤心砂(見圖6)。倒慮土工布鋪設(shè)在沙被外側(cè)用以阻止堤心砂的流失。該方案施工順序與方案三類似。

圖6 沙被方案典型斷面Fig.6 Typical sand mattress cross section (Plan 5)

方案五主要優(yōu)點(diǎn)為：采用沙被方案來形成堤心砂圍埝，這對(duì)于圍埝施工期防護(hù)有利；同時(shí)沙被之間疊合在一起，能有效減少堤心砂外漏風(fēng)險(xiǎn)；沙被本身厚底不大，施工準(zhǔn)確性可以得到保障。

主要缺點(diǎn)為：由于沙被施工速度很慢，會(huì)嚴(yán)重制約工期，尤其是項(xiàng)目本身施工工期很緊，因此對(duì)于船機(jī)組織要求很高；分層沙被在水面附近受波浪力及潮流作用，施工期穩(wěn)定需要核算，極端天氣需要額外的施工防護(hù)措施，代價(jià)很大。另外沙被方案需要用到大量的土工材料，對(duì)于工程造價(jià)影響很大。

2.2施工可行性比選

根據(jù)當(dāng)?shù)?0年波浪后報(bào)資料(每小時(shí)一次數(shù)據(jù)，包含有效波高、平均波周期、潮位)，與施工方緊密配合，實(shí)時(shí)估算水上作業(yè)施工窗口期，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水上可施工時(shí)間影響的敏感性，分析得到各個(gè)方案的施工可行性(見表3)。

表3 各方案施工可行性及難點(diǎn)對(duì)比分析Tab.3 Comparative analysis of constructability and difficulties for each scheme

綜合對(duì)比五個(gè)方案可知：

1)工程所在地1年一遇波浪的有效波高2.79 m，原方案圍埝在風(fēng)浪中難以成形(50～100 kg塊石)，無法施工。

2)歐洲當(dāng)?shù)貕K石供應(yīng)價(jià)格高昂，以及供應(yīng)速度和供應(yīng)量成為制約項(xiàng)目成本和進(jìn)度的關(guān)鍵。

3)水上作業(yè)需要大量的船機(jī)，而歐洲本土較為缺乏此類資源，價(jià)格又過于高昂，因此施工可行性比選的關(guān)鍵在于盡量減少石料使用和船機(jī)數(shù)量，并力求達(dá)到兩者的平衡。

經(jīng)過綜合比選，石頭圍埝方案(方案四)具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)+3.0 m高程以下采用水上拋填的大體積塊石圍埝，盡管用石量較大，但大大節(jié)省了水下理坡和鋪設(shè)土工布的工作量，減少了船機(jī)設(shè)備的工時(shí)及潛水員的使用，另外，此方案可由石料進(jìn)口船舶直接抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后卸船，節(jié)省了石料堆存和二次倒運(yùn)的場(chǎng)地、工作量及時(shí)間，也避免了采用土工大沙袋的施工精度問題。

2)+3 m高程以上采用陸上充填管帶的方式逐段推進(jìn)，節(jié)省了一部分圍埝塊石量，并且其與水上施工的圍埝工作相互獨(dú)立，相應(yīng)地提高了施工速度，減少了總的船機(jī)用量。

3)在地質(zhì)較差的斷面采用了底部通長的土工格柵來增強(qiáng)斷面整體穩(wěn)定性。

4)砂芯及陸上充填管帶的存在確保了斷面的抗?jié)B性能，同時(shí)，大體積塊石圍埝良好的透水性也降低了快速降水對(duì)斷面穩(wěn)定性的不利作用。

2.3造價(jià)和工期比選

各方案造價(jià)估算及預(yù)計(jì)工期如表4所示。

表4 各方案造價(jià)估算及預(yù)計(jì)工期Tab.4 Estimated cost and construction period for each scheme

通過設(shè)計(jì)方案比選，施工方案以及采購等多方面優(yōu)化，石頭圍埝方案(方案四)比方案一、方案三和方案五減少工期8～25個(gè)月，造價(jià)比方案二減少約6千萬英鎊，可滿足項(xiàng)目要求。

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

對(duì)本次選定的方案四的護(hù)面塊石穩(wěn)定性及滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1護(hù)面塊石穩(wěn)定性分析

防波堤護(hù)面塊石穩(wěn)定性按文獻(xiàn)[3]中的范德米爾公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算公式列于表5。

表5 范德米爾公式及適用范圍Tab.5 Van der Meer formula and the range of application

式中：h為水深；Hs為有效波高；Δ為塊石相對(duì)密度；Dn50為塊石的當(dāng)量直徑，Dn50=(M50/ρs)1/3，M50為塊石質(zhì)量分布曲線的50%值(中值)；P為結(jié)構(gòu)滲透性系數(shù)；Sd為護(hù)面損壞水平，Sd=(Ae/Dn502)1/3，Ae為斷面沖蝕面積；N為波數(shù)；α為斜坡角度；ξm為破波參數(shù)。

由于該防波堤壩所在區(qū)域潮位變化劇烈，因此需要對(duì)護(hù)面塊石在不同水深情況下的穩(wěn)定性計(jì)算復(fù)核，表6為最危險(xiǎn)情況下的復(fù)核結(jié)果。

表6 護(hù)面塊石穩(wěn)定重量設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.6 Sizes of armour rocks required

對(duì)防波堤壩設(shè)計(jì)斷面開展物理模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表7。

表7 護(hù)面塊石穩(wěn)定性模型試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Result of armour rocks stability in physical model

試驗(yàn)結(jié)果表明，4.5 t護(hù)面塊石在500年一遇波浪作用下破壞率小于2.0，滿足穩(wěn)定性要求。

3.2瞬態(tài)滲流下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算

工程區(qū)水域潮位變化劇烈，當(dāng)潮汐電站建成發(fā)電后，電站泄湖內(nèi)外的潮位發(fā)生變化，存在水頭差(見圖7)，尤其是極端大潮差情況伴隨潮位快速變化下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算需要考慮瞬態(tài)滲流的作用。

圖7 設(shè)計(jì)大潮時(shí)電站瀉湖內(nèi)外水位變化Fig.7 Change of the water level inside and outside lagoon in design spring tide condition

圖8 PLAXIS 2D計(jì)算模型Fig.8 PLAXIS 2D model

采用PLAXIS 2D軟件分析計(jì)算潮汐電站防波堤壩在電站蓄水發(fā)電過程中伴隨潮位快速變化下的邊坡穩(wěn)定性。計(jì)算中考慮了非飽和瞬態(tài)滲流與結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定分析的相互耦合作用，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定，建立的模型如圖8所示。

滲流模型采用VAN GENUCHTEN模型，非飽和滲流一般發(fā)生在潛水面以上，采用水土特征曲線(SWCC)來描述滲流中的水力學(xué)參數(shù)。水土特征曲線用來表示土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)土體中水的基質(zhì)吸力，PLAXIS 2D中最常用的特征曲線模型是Van Genuchten模型[8]，該模型方程為：

式中：Pw為吸入空隙壓力；γw為空隙流體重度；Sres為剩余飽和度，用于描述在高吸力水頭下孔隙介質(zhì)中的剩余部分流體；Ssat為飽和狀態(tài)下的飽和度；ga為與空氣進(jìn)入土體相關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)；gn為與土體被空氣擠出水體相關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)；gc為Van Genuchten方程中使用的調(diào)節(jié)參數(shù)，與ga和gn有關(guān)。

在考慮快速降水影響時(shí)，由于水位的快速降低導(dǎo)致堤身浸潤線以下及下部土層中出現(xiàn)超空隙水壓力且消散很慢，超空隙水壓力的出現(xiàn)降低了堤身穩(wěn)定性，見圖9和圖10。

圖9 考慮快速降水下的超空隙水壓力分布Fig.9 Excess water pressure distribution considering rapid drawdown

圖10 強(qiáng)度折減法的滑弧Fig.10 Slip circle of strength reduction FEM

每12小時(shí)潮位歷程中，防波堤壩整體穩(wěn)定性安全系數(shù)變化計(jì)算結(jié)果列于表8。

表8 防波堤壩整體穩(wěn)定性安全系數(shù)歷時(shí)變化Tab.8 Result of breakwater slope stability during tidal range

計(jì)算結(jié)果表明，考慮快速降水的影響，堤身穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為1.31，滿足斷面整體穩(wěn)定安全要求。

4 結(jié) 語

潮汐電站的堤壩不僅要具備防浪能力，還要滿足蓄水發(fā)電時(shí)水庫內(nèi)外較大水頭差下穩(wěn)定要求。本文以歐洲某潮汐電站項(xiàng)目堤壩設(shè)計(jì)為例，在斷面選擇、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工和工程造價(jià)等方面對(duì)多種防波堤結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，得到以下結(jié)論：

1)考慮到工程造價(jià)等因素，砂芯斜坡堤可滿足大潮差潮汐電站的堤壩設(shè)計(jì)要求。

2)本項(xiàng)工程中，大體積塊石圍埝方案造價(jià)較低，施工工序最少，施工簡(jiǎn)便，雖然石料相對(duì)其它方案用量較大，但是由于施工期不需要額外防護(hù)，施工費(fèi)用少且工期可以保證，可作為推薦方案。

3)對(duì)于國際項(xiàng)目，特別是在歐洲發(fā)達(dá)國家，堤壩結(jié)構(gòu)的選型除了要考慮結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)外，還要考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求、地材價(jià)格、施工方案等，本文可為類似國際工程提供借鑒。

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Study on optimization design of sand-core breakwater sections for a tidal power station in Europe

WANG Fuqiang,QIAN Yuanming,XU Shaokun

(CCCC-Fourth Harbor Design Institute Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China)

In order to find the optimization design of the breakwater sections for a tidal power station in Europe,a comparative analysis has been adopted on project environment,design requirements,section selection,stability optimization,construction and cost.The results show that the rock bund sections can meet the optimization design requirements under the high tidal range and long-period wave conditions,and the conclusion can provide a reference for the similar projects.

tidal power station; breakwater; sand-core; optimization design

TV149.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.016

1005-9865(2017)05-0132-09

2017-02-09

王福強(qiáng)(1979-)，男，海南萬寧人，碩士，高級(jí)工程師，英國皇家特許工程師，主要從事港口航道及近海工程的研究、設(shè)計(jì)咨詢及項(xiàng)目管理等工作。E-mail：wangfq@fhdigz.com

錢原銘。E-mail：qianym@fhdigz.com