混凝土半灌塊石技術(shù)在西灣圍涂工程中的試驗(yàn)性應(yīng)用

黃昌坡，廖敏智，周 龍，臧振濤

(1.平陽(yáng)縣利得海涂圍墾開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 溫州 325401；2.浙江水院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 杭州 310018)

干砌類(lèi)塊石如干砌塊(條、卵)石、豎砌條石、理砌塊石、理拋大塊石等，因具有適應(yīng)變形能力好、透水率高、成本低、生態(tài)自然等特點(diǎn)，且取材方便、成本低廉，常用于標(biāo)準(zhǔn)低、風(fēng)浪小，特別是低高程部位的堤壩坡面防護(hù)，但其整體性差、抗風(fēng)浪沖擊能力不高[1-2].為了盡可能發(fā)揮砌石間的嵌卡力，減少砌石護(hù)面在波浪、激流等作用下產(chǎn)生“翻動(dòng)”、“移位”等破壞，孫德勇，等[3]考慮塊石間的嵌卡力對(duì)塊石進(jìn)行受力分析，得到了砌石護(hù)面的抗風(fēng)浪能力與塊石厚度成正比、與塊石外表面成反比、與塊石間的嵌卡力成正比的結(jié)論.在此基礎(chǔ)上，陳振華，等[4]提出了一種“半灌混凝土的砌石護(hù)面結(jié)構(gòu)”，經(jīng)溫州甌飛一期圍墾工程現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證、河海大學(xué)陳國(guó)平室內(nèi)波浪模型試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該新型護(hù)面結(jié)構(gòu)不但抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、消浪性能好、適應(yīng)沉降變形，且具有施工速度快、充分利用塊石料源、大幅減少厚重規(guī)整的大塊石料的依賴(lài)、生態(tài)自然等優(yōu)點(diǎn)[5].

平陽(yáng)西灣南片圍涂工程于2014年11月竣工，由于該工程鎮(zhèn)壓平臺(tái)上部為塊石，下部為軟基，使得其沉降時(shí)間長(zhǎng)，沉降量大，易發(fā)生不均勻沉降，且每年的臺(tái)風(fēng)期，大塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)部位都會(huì)或多或少出現(xiàn)大量大塊石“翻動(dòng)”、“移位”、“軟基流失”、“塊底脫空”等損毀現(xiàn)象[6-7]，2017年臺(tái)風(fēng)季節(jié)之前，相關(guān)部門(mén)決定試驗(yàn)性的采用“混凝土半灌塊石”技術(shù)進(jìn)行加固處理，試驗(yàn)段長(zhǎng)度150 m，試驗(yàn)區(qū)面積1 500 m2.在2017年臺(tái)風(fēng)期間，通過(guò)臺(tái)風(fēng)期間波浪、潮位實(shí)時(shí)觀測(cè)，結(jié)合臺(tái)風(fēng)前后的面貌對(duì)比、試驗(yàn)區(qū)與其他區(qū)域的面貌對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了該新型護(hù)面結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，可供類(lèi)似工程借鑒.

1 工程概況

平陽(yáng)縣西灣南片圍涂工程位于平陽(yáng)縣城東南方向11 km的東海岸，鰲江出?？谔?該圍涂工程建筑物主要包括海堤和水閘兩部分，海堤由南順堤、南堤、中隔堤組成，全長(zhǎng)5 058 m，圍涂面積348 ha.南堤、南順堤為Ⅲ級(jí)海塘，按50年一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).海堤壩型為土石混合壩，用石壩擋潮擋浪，堤斷面型式采用復(fù)式斷面，上部為直立墻式，下設(shè)消浪平臺(tái)和斜坡式過(guò)渡，外部為塊石鎮(zhèn)壓層.該工程已于2015年2月通過(guò)竣工驗(yàn)收.

2 混凝土半灌塊石護(hù)面加固方案

2.1 護(hù)面加固方案

由于西灣南片海堤鎮(zhèn)壓平臺(tái)長(zhǎng)期收波浪、水流侵蝕，特別是風(fēng)暴潮期間的沖蝕，該區(qū)域的塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)多處出現(xiàn)“側(cè)翻”、“位移”等破壞，每年臺(tái)風(fēng)過(guò)后，都需要進(jìn)行維護(hù).為了加強(qiáng)鎮(zhèn)壓層的穩(wěn)定性和消浪性能，采用“混凝土半灌塊石技術(shù)”對(duì)該區(qū)域的部分堤段進(jìn)行加試驗(yàn)性固處理，試驗(yàn)區(qū)域位于楊嶼山西南側(cè)(見(jiàn)圖1).本次加固方法采用不規(guī)則混凝土半灌工藝，即灌注時(shí)，約一半的較大縫隙灌混凝土，一般每塊塊石四周1～3條邊的縫隙或1～3處三角縫灌混凝土.混凝土標(biāo)號(hào)采用C30，由于加固區(qū)受潮影響較大，攪拌混凝土?xí)r需添加一定量的速凝劑.

圖1 西灣圍墾區(qū)域位置圖

2.2 試驗(yàn)對(duì)比區(qū)

對(duì)比區(qū)Ⅰ位于加固區(qū)的西南側(cè)，屬于未被加固的海堤塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái).

對(duì)比區(qū)Ⅱ位于楊嶼山的西北側(cè)(如圖1所示)，該區(qū)域堤段斜坡采用四腳空心消浪塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)，外部為塊石鎮(zhèn)壓層.

3 現(xiàn)場(chǎng)加固過(guò)程

由于西灣南片圍涂工程海堤的鎮(zhèn)壓平臺(tái)經(jīng)過(guò)多次臺(tái)風(fēng)沖擊，部分區(qū)域塊石發(fā)生“移位”、“翻動(dòng)”以及不均勻沉降等.為此，在混凝土半灌塊石前，進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作：(1)檢查塊石間的緊靠擠緊程度，單塊塊石兩邊或以上的縫隙均較大時(shí)，無(wú)法緊靠擠緊的，可采用單重較小、長(zhǎng)條形或板狀塊石“插砌”，以便充分?jǐn)D緊.(2)檢查塊石厚度，當(dāng)部分塊石不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)(按原質(zhì)量指標(biāo)要求檢查)，應(yīng)將其側(cè)砌或豎砌，再用單重較小、長(zhǎng)條形或板狀塊石后期“插砌”，以便充分?jǐn)D緊.(3)倉(cāng)面清理：混凝土灌注之前，需采用7.5 kW高壓水槍對(duì)塊石縫隙進(jìn)行沖洗，清理塑料泡沫、樹(shù)根、木枝等雜物；清理粒徑小于10 cm的細(xì)石碴，允許10 cm以上片石、小塊石留在縫隙中，但表面應(yīng)低于護(hù)面25 cm.

在采用混凝土半灌塊石技術(shù)時(shí)，灌注要求如下：

(1)灌注位置：選擇塊石四周較大的直縫與三角縫，塊石表面、縫隙上部不噴混凝土；灌注高度為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度的50%左右，縫隙上部20～25 cm不灌.不規(guī)則灌時(shí)，混凝土灌注范圍一般為塊石四周1/3～2/3縫隙，重點(diǎn)灌注較大的三角縫，對(duì)緊靠良好、寬度較小的縫隙留作排水減壓通道；框格式規(guī)則灌注時(shí)，中間部分的縫隙需埋設(shè)排水管或緊密的縫留縫不灌，排水管直徑75 mm，間距0.5 m左右(視縫隙情況)，每三個(gè)一組.

(2)混凝土標(biāo)號(hào)：不低于C30，坍落度10 cm左右，添加無(wú)堿速凝劑以防灌注時(shí)潮水沖刷，具體由設(shè)計(jì)定.

(3)混凝土入倉(cāng)與振搗：配合溜槽、鐵揪等工具人工方法入倉(cāng)、插入式振搗器振搗.

試驗(yàn)區(qū)施工與觀測(cè)儀器埋設(shè)工作于2017年7月20日完成，施工過(guò)程典型照片(見(jiàn)圖2).觀測(cè)期間經(jīng)歷了2017年受18號(hào)臺(tái)風(fēng)“泰利”影響，直至2017年臺(tái)汛期過(guò)后的10月底現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作結(jié)束.

圖2 混凝土半灌加固現(xiàn)場(chǎng)

4 加固效果分析

4.1 數(shù)據(jù)采集分析

為了掌握試驗(yàn)期間波浪要素、潮位等情況，觀測(cè)對(duì)比護(hù)面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況，在試驗(yàn)區(qū)布置了波浪及潮位觀測(cè)儀器，其相關(guān)參數(shù)信息如下：

(1)波浪觀測(cè)：采用加拿大RBR公司微形波浪儀RBRsolo D|wave隨波監(jiān)測(cè)，波浪儀安放于試驗(yàn)區(qū)堤腳外500 m的固定柱上，觀測(cè)點(diǎn)的水下涂面高程約-3.7 m，每17 min波浪采樣512個(gè)、停歇8 min，分辨率<滿量程的±0.001%.

(2)潮位觀測(cè)：采用瑞士產(chǎn)DCX-22自動(dòng)記錄水(潮)位計(jì)測(cè)定，潮位計(jì)安放于試驗(yàn)區(qū)堤腳外側(cè)-3.0高程，采集頻率取1/60 Hz.

2017年，在18號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“泰利”影響期間(主要是13日下午及14日凌晨)，通過(guò)對(duì)該片區(qū)的波浪、潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行提取處理，試驗(yàn)區(qū)最大波高(已推算至堤前)、潮位變化過(guò)程(見(jiàn)圖3).

圖3 臺(tái)風(fēng)期間潮位、波高與時(shí)間關(guān)系曲線

由根據(jù)試驗(yàn)區(qū)附近的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)以及圖3中的潮位、波高信息可知，在臺(tái)風(fēng)“泰利”影響期間，西灣南片圍涂工程堤前最大風(fēng)速到達(dá)8級(jí)，最大波高為1.67 m，最高潮位為3.79 m.

4.2 現(xiàn)場(chǎng)加固效果對(duì)比分析

“混凝土半灌塊石技術(shù)”是指在理拋塊石的約50%的縫隙、灌注約50%厚度混凝土的新型護(hù)面結(jié)構(gòu)，在保持塊石護(hù)面透水的同時(shí)增加“嵌卡力”，讓少量的“混凝土”發(fā)揮最大的作用，大幅提高抗風(fēng)浪能力.

2017年7月，平陽(yáng)縣水利局將該技術(shù)試驗(yàn)性應(yīng)用于西灣圍墾南順堤的“理拋大塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)”的加固.為驗(yàn)證其效果，研究團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了風(fēng)浪實(shí)時(shí)觀測(cè)與加固效果對(duì)比觀測(cè)工作.

2017年9月13～14日，西灣圍墾工程受18號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“泰利”影響，部分海堤段出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比臺(tái)風(fēng)前后試驗(yàn)區(qū)及對(duì)比區(qū)現(xiàn)場(chǎng)面貌(見(jiàn)圖4～圖7)，進(jìn)一步分析“混凝土半灌塊石技術(shù)”的加固優(yōu)點(diǎn).

圖4 試驗(yàn)區(qū)鎮(zhèn)壓平臺(tái)臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)面貌

圖5 對(duì)比區(qū)Ⅰ鎮(zhèn)壓平臺(tái)臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)面貌

圖6 對(duì)比區(qū)Ⅱ鎮(zhèn)壓平臺(tái)臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)面貌

圖7 對(duì)比區(qū)Ⅱ斜坡臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)面貌

根據(jù)臺(tái)風(fēng)期間的潮位、波高以及臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)面貌可知：

(1)采用“混凝土半灌塊石技術(shù)”后，試驗(yàn)區(qū)的塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)前后未發(fā)生塊石“移位”、“側(cè)翻”等現(xiàn)象；

(2)對(duì)比區(qū)Ⅰ及對(duì)比區(qū)Ⅱ的塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)過(guò)后，大面積出現(xiàn)“移位”、“側(cè)翻”現(xiàn)象，其中最大的塊石重達(dá)300 kg；

(3)對(duì)比區(qū)Ⅱ的四腳空心消浪塊體斜坡在臺(tái)風(fēng)過(guò)后，部分塊體中心空隙發(fā)生堵塞，鎮(zhèn)壓平臺(tái)塊石沖入斜坡，對(duì)塊體的“腳”產(chǎn)生沖擊破壞，削弱了四腳塊體的消浪能力，也影響了護(hù)面外觀；

(4)混凝土半灌塊石技術(shù)”是為了讓塊石間發(fā)揮“嵌固”作用，混凝土含量只占砌體的10%～20%，比混凝土灌砌塊石中混凝土量減少60%～80%，從而使得施工速度快、造價(jià)低，同時(shí)，加固后的護(hù)面結(jié)構(gòu)表面看不到混凝土、50%左右縫隙不灌混凝土而顯得較為生態(tài)自然.

5 結(jié) 語(yǔ)

考慮平陽(yáng)西灣南片圍涂工程的塊石鎮(zhèn)壓平臺(tái)大面積存在“側(cè)翻”、“移位”等失穩(wěn)問(wèn)題，利用“混凝土半灌塊石技術(shù)”對(duì)其進(jìn)行加固處理.通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)2017年臺(tái)風(fēng)期間的波浪、潮位等要素，對(duì)比分析各區(qū)域臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)失穩(wěn)狀況，可知在保證護(hù)面結(jié)構(gòu)孔隙率的前提下，“混凝土半灌塊石技術(shù)”能夠以少量的混凝土大幅度增加塊石間的“嵌卡力”，從而使散體狀的干砌類(lèi)塊石形成“以柔克剛”、“協(xié)同抵抗”風(fēng)浪的整片半剛性護(hù)面，能夠大幅提高干砌類(lèi)塊石護(hù)面的抗風(fēng)浪沖擊能力.

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