海堤施工期快速度汛防護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

臧振濤，陳振華，劉林松，高 健

（1.浙江水院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 問(wèn)題的提出

圍墾工程對(duì)于沿海區(qū)域開發(fā)利用土地資源以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，如何解決圍墾工程施工期的海堤度汛防護(hù)也是一項(xiàng)值得研究的問(wèn)題[1]。海堤施工期安全度汛主要包括龍口段和非龍口段海堤度汛，其中非龍口段海堤由于尚未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，施工期限長(zhǎng)，大潮期臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)可能形成堤身越浪或失穩(wěn)，對(duì)圍墾區(qū)閉氣土方造成沖刷，進(jìn)而對(duì)海堤安全產(chǎn)生不利的影響，且影響工程施工進(jìn)度，成為海堤施工安全度汛的關(guān)鍵階段。

目前，關(guān)于施工期非龍口段海堤度汛的主要工程措施是放緩?fù)夂?cè)坡比，將較大塊石拋填在外海側(cè)，以起到消浪的目的。這種度汛方案適用于大塊石料源充足的中小型圍墾工程，但對(duì)于單體大、堤線長(zhǎng)、需經(jīng)歷多個(gè)汛期且石料來(lái)源不足或料源較差的圍墾工程卻不適用。為此，結(jié)合溫州市甌飛一期圍墾工程的實(shí)際情況，開展施工期快速安全度汛結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，通過(guò)2016年臺(tái)汛期的第14號(hào)及16號(hào)臺(tái)風(fēng)的驗(yàn)證，提出一種海堤施工期快速度汛防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠很好地結(jié)合永久護(hù)面結(jié)構(gòu)，且施工方便、造價(jià)較低，從而為該圍墾工程施工期提供一種快速度汛方案，也為其它類似工程提供一定參考。

2 工程概況

溫州市甌飛圍墾工程是全國(guó)單體最大的圍墾工程，位于浙江東南沿海甌江河口和飛云江河口之間的灘涂區(qū)域。甌飛一期圍墾工程圍墾面積約0.885萬(wàn)hm2（13.28萬(wàn)畝），堤線總長(zhǎng)約36.66 km，施工計(jì)劃總工期9.5 a（分北片與南片）[2]，估算總投資273億元，北片與南片分別已于2013年7月、2016年7月開建，截止本次研究開始之時(shí)，主堤拋石高程5.50 ～ 6.00 m，閉氣土方填筑高程0.00 ～ 2.00 m，1.00鎮(zhèn)壓平臺(tái)外肩混凝土、外坡肩100 cm厚灌砌塊石正在施工。圍墾工程的度汛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)其工程等級(jí)和主要建筑物海堤、水閘的級(jí)別來(lái)確定，一般采用10 ～ 20 a一遇設(shè)計(jì)高潮位及其典型潮型[3]。甌飛一期圍墾工程中，海堤度汛按汛期20 a一遇風(fēng)浪設(shè)計(jì)。

甌飛一期圍墾工程采用霓嶼料場(chǎng)的石料，通過(guò)對(duì)該石料場(chǎng)地質(zhì)狀況、開采、裝卸及運(yùn)輸方式等調(diào)研顯示：該礦區(qū)能滿足試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)要求的塊石開采率平均為10.9%；塊石在裝卸運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后會(huì)發(fā)生二次破損，實(shí)際施工時(shí)的塊石厚度、重量難以滿足原設(shè)計(jì)要求；絕大多數(shù)塊石很難滿足有2個(gè)平面，導(dǎo)致砌筑后塊體較難緊靠、間隙較大。

3 現(xiàn)場(chǎng)度汛試驗(yàn)方案

由于甌飛一期圍墾工程具有單體大、堤線長(zhǎng)、時(shí)間跨度大（從施工至完成需經(jīng)歷多個(gè)臺(tái)汛期）、防護(hù)等級(jí)高、料源較差等特點(diǎn)，為了在施工期能夠快速安全度汛，并結(jié)合永久結(jié)構(gòu)斷面以提高石料利用率、減少工程造價(jià)，在施工現(xiàn)場(chǎng)開展施工期快速度汛的方案研究。

3.1 水文條件

試驗(yàn)堤位于在甌飛一期圍墾北片的南端、2#隔堤與主堤交接處“觀景平臺(tái)”的北側(cè)，是甌飛一期圍墾工程風(fēng)浪條件最惡劣的區(qū)域（見(jiàn)圖1）。該試驗(yàn)段20 a一遇設(shè)計(jì)潮位：年最高設(shè)計(jì)潮位為4.72 m，非汛期最高設(shè)計(jì)潮位為4.03 m，年最低設(shè)計(jì)潮位為- 3.72 m；工程20 a一遇的各累計(jì)頻率設(shè)計(jì)堤前波要素見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置示意圖

表1 甌飛一期20 a一遇各累計(jì)頻率設(shè)計(jì)堤前波要素表

3.2 度汛典型斷面

整個(gè)試驗(yàn)堤堤頂內(nèi)口為4.42 m高程（指試驗(yàn)期施工高程，余同），堤頂向外海側(cè)設(shè)坡比5%，堤頂外肩高程為4.00 m，下接1∶2斜坡至1.00 m高程，另加2.00 m的坡腳（見(jiàn)圖2）。

圖2 試驗(yàn)區(qū)典型斷面圖

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，實(shí)際遭遇的風(fēng)向、波浪動(dòng)力等較難估計(jì)，不能像室內(nèi)物模試驗(yàn)?zāi)菢涌梢匀藶榭刂?，為取得不同波浪?dòng)力作用下的度汛護(hù)面的穩(wěn)定成果，在保證試驗(yàn)堤斷面幾何尺寸不變的前提下，適當(dāng)改變不同比尺下護(hù)面結(jié)構(gòu)層厚度、塊石單塊尺寸與重量、混凝土強(qiáng)度，并根據(jù)相應(yīng)比尺改變?cè)囼?yàn)區(qū)的堤頂寬度、堤前水深等，在試驗(yàn)區(qū)開展度汛護(hù)面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

3.3 度汛試驗(yàn)方案

本次度汛斷面試驗(yàn)是結(jié)合海堤迎海側(cè)永久工程防護(hù)結(jié)構(gòu)，提高海堤施工期的度汛防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在每年的臺(tái)汛前，對(duì)拋石堤迎潮面的肩部、頂部、越浪沖擊等部位，先行采取適應(yīng)一定沉降變形的工程防護(hù)措施，汛后該工程措施作為永久防護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。為此在現(xiàn)場(chǎng)開展坡肩灌砌塊石、備料塊石防護(hù)、半灌及塊石備料方案[1]研究。

試驗(yàn)堤堤頂除噴灌塊石防護(hù)部位外，應(yīng)采用含大塊石級(jí)配正常的“塊石混合料”填筑壓實(shí)，堤頂不得采用挑除大塊石后的石渣料填筑。

3.3.1 方案1： 坡肩灌砌塊石方案

試驗(yàn)段1#：試驗(yàn)堤按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行塊石理拋（塊石重量為100 ～ 200 kg，具有至少2個(gè)平面且表面粗糙的石料）后，在堤頂2.00 m，堤頂外肩1.00 m、1∶2斜坡坡腳1.00 m范圍采用C8混凝土灌砌，灌注厚度為35 cm。

試驗(yàn)段2#：試驗(yàn)堤按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行塊石理拋（塊石重量為50 ～ 100 kg，不具有平面、表面粗糙的石料）后，在堤頂2.00 m，堤頂外肩1.00 m采用C8混凝土灌砌，灌注厚度為25 cm。

灌砌部分需埋設(shè)排水孔，孔徑7.5 cm、3 ～ 4孔為1組，縱橫間距50.0 cm，孔底包土工布，并在灌注完工后將其戳破。

3.3.2 方案2： 備料塊石防護(hù)方案

試驗(yàn)段3#：試驗(yàn)堤堤頂4.00 m，堤頂外肩1.00 m、1∶2斜坡及其坡腳采用兩層重量為250 kg的塊石理拋，理拋塊石總厚度為80 cm。

3.3.3 方案3：半灌及塊石備料方案

試驗(yàn)段4#：試驗(yàn)堤堤頂3.00 m采用C8混凝土半灌大塊石，塊石厚度為50 cm；堤頂外肩2.00 m、1∶2斜坡及其坡腳采用2層重量為250 kg的塊石理拋，總厚度為80 cm；下墊層選用厚度為20 cm的小石塊。

試驗(yàn)段5#：試驗(yàn)堤堤頂2.00 m采用C8混凝土半灌大塊石，塊石厚度為35 cm；堤頂外肩2.00 m、1∶2斜坡及其坡腳采用3層塊石理拋，總厚度為80 cm；下墊層選用厚度為20 cm的小石塊。

4 度汛方案對(duì)比分析

海堤施工期度汛防護(hù)的結(jié)構(gòu)與永久防護(hù)結(jié)構(gòu)明顯不同，具有以下特點(diǎn)：

該結(jié)構(gòu)屬施工期間的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，允許“開裂”、少量“掀起”或“沖蝕”；

（1）要求所保護(hù)的主堤的主體部分“沖而不坍”；

（2）要求采取的工程措施便于快速施工；

（3）盡量與永久結(jié)構(gòu)結(jié)合、額外成本低。

4.1 數(shù)據(jù)采集分析

為了達(dá)到試驗(yàn)效果，捕捉試驗(yàn)區(qū)塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)受破壞期間所經(jīng)歷的臺(tái)風(fēng)、波浪、潮位等相關(guān)參數(shù)，在試驗(yàn)區(qū)安置了水位計(jì)、波浪儀及測(cè)風(fēng)儀。

試驗(yàn)段于2016年7月30日完工，對(duì)度汛試驗(yàn)區(qū)有影響的臺(tái)風(fēng)主要有第14、16號(hào)臺(tái)風(fēng)（“莫蘭蒂”“馬勒卡”）。經(jīng)提取并分析相關(guān)數(shù)據(jù)可知，臺(tái)風(fēng)期間試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的波高、潮位變化見(jiàn)圖3。

圖3 臺(tái)風(fēng)期間潮位、波高與時(shí)間變化曲線圖

由圖3可知，2場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期間，對(duì)試驗(yàn)區(qū)有影響較大的時(shí)間段統(tǒng)計(jì)分析如下：

臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”“馬勒卡”影響試驗(yàn)區(qū)期間恰遇天文大潮期（農(nóng)歷八月十五至八月十八），試驗(yàn)堤頂、護(hù)肩、1∶2斜坡經(jīng)歷4次高潮位疊加大波浪的沖擊時(shí)段、潮位、波高、風(fēng)速等見(jiàn)表2。

表2 臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”“馬勒卡”影響試驗(yàn)區(qū)的相關(guān)要素表

4.2 現(xiàn)場(chǎng)方案對(duì)比分析

試驗(yàn)段遭遇多次超試驗(yàn)工況的風(fēng)浪越浪沖擊后（試驗(yàn)工況指試驗(yàn)時(shí)相當(dāng)于20 a一遇度汛防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的潮位、波浪組合，即潮位3.40 m + 最大波高1.66 m），現(xiàn)場(chǎng)查看統(tǒng)計(jì)失穩(wěn)狀況（現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖4），安全度汛試驗(yàn)段護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況見(jiàn)表3。

圖4 臺(tái)風(fēng)過(guò)后試驗(yàn)區(qū)失穩(wěn)照片圖

表3 臺(tái)風(fēng)期后度汛護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）相同風(fēng)浪條件下，采用50 ～ 100 kg、厚35 cm塊石灌砌結(jié)構(gòu)（試驗(yàn)段2#）的防護(hù)能力明顯弱于100 ～ 200 kg、厚25 cm塊石灌砌結(jié)構(gòu)（試驗(yàn)段1#），這主要是由于灌砌塊石的透水率還是較低，當(dāng)護(hù)面結(jié)構(gòu)較薄且塊石重量不足時(shí)，易發(fā)生拋起破壞。

（2）同樣風(fēng)浪條件下，與試驗(yàn)段1#相比，采用半灌及塊石備料的護(hù)面結(jié)構(gòu)雖然局部遭到?jīng)_蝕，但能保持度汛防護(hù)的功能，能夠滿足施工期度汛防護(hù)的任務(wù)，且不需布置排水孔，施工速度快、混凝土用量少。

（3）單依靠備料塊石很難完成甌飛一期圍墾工程的大風(fēng)浪區(qū)域的施工期快速安全度汛，但由于其具有施工速度快、工藝簡(jiǎn)單，可用于塊石充足、風(fēng)浪較小的區(qū)域。

4.3 經(jīng)濟(jì)效率評(píng)估

根據(jù)施工期安全度汛防護(hù)設(shè)計(jì)斷面及概算單價(jià)，對(duì)3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較（見(jiàn)表4）。

表4 度汛防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可以看出，方案3具有以下特點(diǎn)：

（1）由于采用混凝土半灌施工工藝，施工理拋塊石時(shí)，不需要特意保證塊石間的縫隙（灌砌塊石縫隙為8 cm），采用半灌混凝土工藝，加快了施工進(jìn)度，且施工工藝簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)；

（2）表面凸凹不平，具有較好的消浪性能；

（3）采用半灌混凝土施工工藝，提高了塊石間的嵌固力及摩擦力，增強(qiáng)了塊石的穩(wěn)定性；

（4）在永久性結(jié)構(gòu)施工時(shí)，將半灌部分進(jìn)行刨毛、混凝土灌砌找平，可以作為鎮(zhèn)壓平臺(tái)的一部分，較好地與永久護(hù)面結(jié)構(gòu)相結(jié)合

（5）整體施工速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，綜合成本較低。

綜合考慮，建議方案3作為甌飛一期圍墾工程施工期度汛的主推方案，方案2可應(yīng)用于風(fēng)浪明顯小的堤段度汛。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了解決圍墾工程中非龍口海堤施工期快速度汛的問(wèn)題，在甌飛一期圍墾工程開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方案主要有方案1（坡肩灌砌塊石方案）、方案2（備料塊石防護(hù)方案）及方案3（半灌及塊石備料方案）。

試驗(yàn)區(qū)先后經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”“馬勒卡”，通過(guò)對(duì)2場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期間的波高、潮位、風(fēng)速等采集分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)的穩(wěn)定情況及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，方案3具有較好的透水性能、消浪性能、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、綜合造價(jià)較低且能與永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合。最終建議方案3作為甌飛一期圍墾工程施工期快速度汛的主推方案，方案2可應(yīng)用于風(fēng)浪明顯小的堤段度汛。該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究也可為類似的大型圍墾工程提供一種施工期快速度汛的施工方案。

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