海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面優(yōu)化研究

劉林松，臧振濤，林 波，高 健

(1.浙江水利水電學院，杭州 310018；2.浙江水院勘測設計研究有限公司，杭州 310018)

作為一種較經(jīng)濟的海防建筑物，海堤主要利用堤身及防浪墻消散阻擋堤前的波浪，保護后方安全。在海堤工程設計中，由于理砌塊石和灌砌塊石護面結構具有成本低廉、取材方便、消浪效果較好等特點，被廣泛應用于迎水面鎮(zhèn)壓層護面結構[1]等部位。但由于鎮(zhèn)壓層屬于海堤外側(cè)，在遇到臺風期低潮位時，往往會發(fā)生塊石“跳脫”、“翻滾”或護面“脫空”等現(xiàn)象，影響護面結構安全及外觀[2]。

結合孫德勇等人提出的塊石護面結構與塊石間的嵌固力成正比的理論[3]以及陳振華等人提出的混凝土半灌砌石護面結構[2]，為了提高鎮(zhèn)壓層砌石類護面結構的穩(wěn)定性以及塊石的利用率，降低維護成本，在溫州甌飛圍墾工程一期實施中，通過利用理論計算及現(xiàn)場試驗對海堤塊石護面結構進行優(yōu)化研究，分析塊石護面結構的穩(wěn)定性，提出合理的護面結構優(yōu)化方案。

1 工程概況

溫州甌飛圍墾工程位于浙東南沿海甌江河口和飛云江河口之間的灘涂區(qū)域，一期圍墾面積為88.53 km2，二期為193.33 km2，工程建成后將極大的緩解溫州市用地緊張的局面，計劃總工期共9.5 a，估算總投資273億元[4]。依據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》(GB/T 51015-2014)[5]、《防波堤設計與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)[6]相關設計要求，甌飛圍墾工程設計為斜坡式護面結構(圖1)。

圖1 甌飛圍墾工程設計斷面圖Fig.1 Schematic diagram of Oufei reclamation project

圖2 試驗區(qū)地理位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test area location

為了避免鎮(zhèn)壓層(1.0～-0.5 m高程)塊石護面結構在臺風期發(fā)生“跳脫”、“翻滾”等現(xiàn)象，減少工程維修成本，保護后方安全，同時為了充分利用料場塊石，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”的北側(cè)，風浪條件最惡劣區(qū)域(如圖2所示)開展海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結構優(yōu)化研究。

2 塊體穩(wěn)定重量

依據(jù)《防波堤設計與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)中有關塊體穩(wěn)定重量的相關要求，當波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于22.5°，且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在計算水位上、下1.0倍設計波高之間的護面塊體，單個塊體的穩(wěn)定重量可按Hudson公式計算。對于設計波浪平均周期大于10 s或設計波高與設計波長之比小于1/30的坦波，塊體重量應進行模型試驗驗證。

(1)

式中：W為單個塊體的穩(wěn)定重量，t；γb為塊體材料的重度，kN/m3；H為設計波高，m；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；α為斜坡與水平面的夾角，(°)；γ為水的重度，kN/m3。

試驗區(qū)防潮(洪)標準為50 a一遇，其相關水文情況見表1。

表1 50 a一遇水文統(tǒng)計表Tab.1 Hydrologic statistics for 50 years

注：*為波浪破碎，波向為ESE。

由于周期大于10 s，在采用規(guī)范公式進行塊體重量計算的同時，在河海大學風浪水槽中進行相關實驗，水槽長為80 m，寬為1.0 m，高為1.5 m，水槽一端安裝不規(guī)則造波機，另一端設置消波系統(tǒng)，水槽縱向分為兩部分，一部分鋪設試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射，水槽的一端配有消浪緩坡設施，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機，相關波浪要素由計算機自動控制產(chǎn)生。模型按正態(tài)重力相似準則設計，結合波要素、試驗斷面及設備性能等因素，確定斷面模型長度比尺為λ=31，時間比尺λt=λ1/2，壓強比尺λp=λ，越浪量比尺λq=λ3/2。

結合規(guī)范計算以及室內(nèi)物理試驗結果，試驗區(qū)所在堤段鎮(zhèn)壓層需采用“單重大于800 kg、厚度大于80 cm、至少有2個大致平行面”的理砌塊石護面結構。

3 現(xiàn)場試驗結果及分析

3.1 試驗方案

結合甌飛圍墾工程原設計斷面結構形式，在試驗區(qū)開展混凝土半灌塊石護面結構的試驗研究，并與原設計尺寸的鎮(zhèn)壓層理砌護面結構(簡稱：足尺理砌塊石護面結構)作為對比。

試驗區(qū)1(足尺理砌塊石護面結構)：護面尺寸50 m×20 m，塊石平均重量800 kg，平均厚度70 cm(考慮到料源不足，以及實際試驗時難以遇見物理試驗工況，將塊石厚度降低至70 cm)，理砌時，塊石間距小于15 cm。試驗段樁號為2+070 ～ 3+020。

試驗區(qū)2-1(混凝土半灌塊石護面結構)：護面尺寸10 m×20 m，塊石平均重量400 kg，平均厚度50 cm，采用混凝土半灌工藝[7]增加塊石間的嵌固力。試驗段樁號為0+020 ～ 0+030。

試驗區(qū)2-2(混凝土半灌塊石護面結構)：護面尺寸10 m×20 m，塊石平均重量100～150 kg，平均厚度35 cm，采用混凝土半灌工藝增加塊石間的嵌固力。試驗段樁號為0+040 ～ 0+050。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 數(shù)據(jù)采集及分析

為了達到試驗效果，獲得試驗區(qū)相關斷面發(fā)生破壞時的波浪要素，在試驗區(qū)布設了水位計、波浪儀和測風儀等設備。試驗區(qū)于2016年7月完工，此后經(jīng)歷了對其影響最大的17號臺風“鲇魚”(農(nóng)歷八月二十七、二十八)，臺風期間最大風速為22.3 m/s，相關波高、潮位變化見圖3。由圖3可知，臺風“鲇魚”期間，正是天文小潮期，且最大波高達到3.17 m，最高潮位為3.66 m，對鎮(zhèn)壓平臺影響最大。

圖3 臺風“鲇魚”期間試驗區(qū)潮位及 波高隨時間變化曲線圖Fig.3 Tide and wave of test region changes with time during Typhoon Megi

3.2.2 試驗結果

通過對比臺風“鲇魚”前后試驗區(qū)鎮(zhèn)壓層相關護面結構面貌，觀察統(tǒng)計其穩(wěn)定情況，相關試驗結果見表2。

表2 臺風“鲇魚”后試驗區(qū)鎮(zhèn)壓層護面結構穩(wěn)定情況Tab.2 Pavement structure stable situation of test after Typhoon Megi

圖4 臺風“鲇魚”過后試驗區(qū)1現(xiàn)場失穩(wěn)照片F(xiàn)ig.4 Instability situation of test 1 after Typhoon Megi

5-a 試驗區(qū)2-15-b 試驗區(qū)2-2圖5 臺風“鲇魚”過后試驗區(qū)2-1和2-2現(xiàn)場穩(wěn)定照片F(xiàn)ig.5 Stability situation of test 2-1 and 2-2 after Typhoon Megi

3.3 塊石相互作用分析

Hudson公式是通過對塊石受力簡化分析求得，未考慮塊石間的相互作用力，使得該公式在計算應用中過于保守。通過鎮(zhèn)壓層塊石護面現(xiàn)場試驗結果可以看出，塊石間的相互作用力對護面結構的影響很大，通過采用合適的方式(如灌注混凝土)增加塊石間的作用力，可極大地提高塊石的整體穩(wěn)定性。但如果全面灌砌(如灌砌塊石)，則會因孔隙率不足而發(fā)生波浪上托力過大、下墊層或反濾層破壞導致護面失穩(wěn)，且由于塊石護面表面被抹平，進而極大地削弱了護面結構的消浪性能。

3.4 護面塊石穩(wěn)定性分析

K.W. Pilarczyk[8]通過對波浪作用下護面砌塊失穩(wěn)問題進行研究，從護坡結構組成方面提出引起護面結構失穩(wěn)原因主要包括波浪上托力過大、墊層和反濾層破壞、下層土體失穩(wěn)以及護面層滑動。

從鎮(zhèn)壓層塊石護面結構的現(xiàn)場試驗結果可以看出，在臺風與小潮耦合作用時，由試驗區(qū)1可知，理砌塊石護面結構雖然具有很好的透水性和消浪性能，但由于其塊石之間的相互作用力不足，僅依靠塊石自重抵抗風浪作用，使得其整體穩(wěn)定性差，當局部塊石發(fā)生失穩(wěn)后，會產(chǎn)生連鎖反應，進而影響護面使用功能；由試驗區(qū)2可知混凝土半灌塊石護面結構，雖然其塊石重量小(如試驗區(qū)2-2，塊石重僅在100～150 kg)，但由于采用混凝土半灌工藝，使得其在具有較好的透水性和消浪性能的情況下，提高了塊石間的相互作用力(取芯檢測混凝土與塊石間的粘結強度為0.48 MPa)，進而提高了塊石護面結構的整體穩(wěn)定性。

4 護面結構優(yōu)化

考慮到現(xiàn)場試驗的塊石尺寸、臺風“鲇魚”的相關波浪要素、甌飛圍墾工程的防洪標準以及料場塊石開采情況等因素，鎮(zhèn)壓層塊石護面結構由“理砌塊石”更改為“混凝土半灌塊石”(圖6)，在滿足護面設計厚度的情況下，塊石重量指標降至400 kg，同時采用框格尺寸5 m×5 m、邊框1 m寬范圍不灌砼留作排水帶、中間灌注60 cm厚混凝土的規(guī)則灌注法半灌混凝土塊石結構?；炷凉嘧r，塊石縫中灌注量不小于30%，灌注后需保證塊石露面并清掃干凈，沿海堤線間隔5 m留0.5～1 m排水帶，經(jīng)現(xiàn)場隨機測量(測量平面不小于25 m2)，混凝土半灌塊石護面結構整體透空率在10%～13%。

6-a 理砌大塊石護面6-b 半灌混凝土塊石護面圖6 海堤護面結構優(yōu)化前后對比圖Fig.6 Comparison of pavement structure of sea wall before and after optimization

2017年10月，針對甌飛圍墾工程海堤沿線長約36.66 km，涉及110萬m2的鎮(zhèn)壓層，采用了本次塊石護面優(yōu)化研究成果進行優(yōu)化加固，以提高塊石利用率以及護面結構的抗風浪能力。優(yōu)化后的鎮(zhèn)壓平臺護面結構經(jīng)受了2017(泰利，最大風速達8級，最大波高約1.7 m，最高潮位約3.5 m)、2018(康妮，最大風速達10級，最大波高約3.1 m，最高潮位約3.7 m)的多次臺風考驗，確保了工程質(zhì)量、進度和安全。

5 結語

海堤鎮(zhèn)壓層主要起到消能、消減波浪爬高、增加堤身穩(wěn)定等作用，結合甌飛圍墾工程的實際情況，進行了海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結構優(yōu)化研究，研究成果對甌飛圍墾工程以及相關海堤工程具有重要的參考意義。

(1)理砌塊石護面結構雖然具有很好的消浪性能和透水性能，但是由于塊石間的相互作用差，主要依靠自身重量保持穩(wěn)定，使得其護面整體性差，已發(fā)生“跳脫”、“翻滾”及“移位”等現(xiàn)象。

(2)在保證塊石護面結構具有較好的消浪性能和透水性能的前提下，采用混凝土半灌工藝增加塊石間塊石間的相互作用力，可極大地提高塊石護面結構的穩(wěn)定性。

(3)在料原不足或塊石不滿足理砌要求時，適當減小塊石重量，采用“側(cè)砌”、“豎砌”(滿足厚度設計要求)，并利用混凝土半灌工藝能極大地提高護面結構的穩(wěn)定性。

(4)采用混凝土半灌工藝的塊石護面結構與灌砌塊石護面結構相比，其具有較好的消浪性能和透水性能，能夠極大地提高其抗風浪性能，同時還具有造價低、外觀自然生態(tài)、整體穩(wěn)定性和個體穩(wěn)定性好等特點。

(5)海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結構優(yōu)化成果不僅僅局限于鎮(zhèn)壓層結構，也適用于海堤扭王塊下墊層、促淤壩以及相關新建及加固的塊石護面結構。