一種寬肩臺護岸的應(yīng)用研究

盧少彥，謝喬木

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

寬肩臺防波堤是較早提出的一種防波堤設(shè)計理念[1-2]，但直到1983年在冰島Keflavik的防波堤[1-2]上應(yīng)用后，才開始迅速的推行，在PIANC以及ROCK MANUAL上把寬肩臺防波堤分為3種（Statically stable non-reshaped，Statically stable reshaped，Dynamically stable reshaped[1-2]）：第 1 種同普通防波堤，是不允許破壞的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，第2種是允許斷面變形，但斷面及護面塊石都要求在波浪作用下是穩(wěn)定的，第3種就是我國規(guī)范中提到的堤身斷面（斷面外側(cè)）容許在波浪作用下發(fā)生變形，直到外坡形成一個動力平衡斷面[3]。本文所述屬于波浪作用下允許變形的動力平衡斷面。

1 工程概況

本工程位于廣東省內(nèi)的金獅灣港區(qū)，屬于納泥區(qū)的臨時護岸[4]，也作為二期工程的陸域形成圍堰，位于二期岸線的前沿線之內(nèi)，整個護岸長約1 100 m[4]，各建筑物位置相互關(guān)系見圖1。

圖1 碼頭、護岸位置相互關(guān)系圖Fig.1 Relationship between the quay and the revetment location

臨時護岸區(qū)域內(nèi)，高水位下，25 a一遇H13%波高為4.3 m，波長為115 m，護岸范圍內(nèi)地質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)貫入度15擊以上的砂層，無軟弱土層[4]。

2 臨時護岸結(jié)構(gòu)

根據(jù)臨時護岸的功能及地質(zhì)等條件，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，外側(cè)護面需要采用扭王字塊護面，見圖2。

圖2 臨時護岸初定典型斷面圖Fig.2 Temporary revetment initial typical section

圖2中斷面較大，造價較高，工期較長，且臨時護岸結(jié)構(gòu)在預(yù)留二期的陸域回填范圍內(nèi)，采用扭王字塊護面將影響二期陸域形成的地基處理。通過計算本工程的挖泥量及土石方平衡，臨時護岸前沿線退后，波浪降低，25 a一遇H13%=3.8 m，經(jīng)過核算，仍需要采用3 t扭王字塊護面。

而本工程有自己的開山石場，石料充足，采用塊石護面更加有優(yōu)勢且經(jīng)濟合理，因此采用動力平衡的寬肩臺拋石結(jié)構(gòu)作為臨時護岸的結(jié)構(gòu)形式。

寬肩臺護岸結(jié)構(gòu)的肩臺寬度、肩臺高程、外側(cè)護面塊石以及坡度[5]等是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。

現(xiàn)行防波堤規(guī)范條款僅有“寬肩臺斜坡堤的肩臺高程可定在設(shè)計高水位以上1.0～3.0 m處，肩臺寬度取2.3～2.9倍設(shè)計波高值，且不小于6.0 m[3]”，具體計算結(jié)果見表1。

表1 主要計算結(jié)果Table 1 Main calculation results

在國外規(guī)范rock manual以及PIANC中會對寬肩臺有更加詳細的設(shè)計方法說明：利用VAN DER MEER淺水區(qū)[1]的計算公式，計算得Dn50=0.91 m，M50=2 t，可取護面塊石 1～3 t。

VAN DER MEER公式與防波堤規(guī)范中護面塊體計算公式的最大區(qū)別是采用護面破壞等級[1]的參數(shù)Sd，而不是采用護面塊體穩(wěn)定系數(shù)[1]Kd，而本設(shè)計是允許在波浪作用下達到動力平衡的一個斷面，因此采用VAN DER MEER計算公式可以得出更加合適的護面塊石重量，Sd可以根據(jù)防波堤、護岸的生命周期，使用相應(yīng)取值，本工程計算中Sd取值為8。

確定護面塊體的重量后，可計算變形的寬度Rec與深度hf（變形的寬度與深度[1，6]見圖3）來確定肩臺的寬度[1，7]，計算得 Rec=6.57 m，hf=1.48 m，肩臺寬度取值不得小于Rec[1-2]，本工程取10 m。

圖3 變形寬度與深度的位置示意圖Fig.3 The schematic diagram of deformation width and depth location

堤頂高程可以通過計算波浪爬高以及越浪量確定，與普通防波堤、護岸類似，不再詳述。由于本工程為臨時性工程，只要保證在波浪作用下，后方回填土不被沖刷流出。根據(jù)陸域的回填高度以及水位，確定堤頂高程為7.5 m，在極端高水位情況下，計算得越浪量0.068 m3/s/m，后方護面塊石同外坡護面塊石大小。最終設(shè)計斷面見圖4。與扭王字護面斷面比，總投資節(jié)省1 000多萬元。

圖4 寬肩臺護岸典型斷面圖Fig.4 The typical section of wide-berm revetment

施工期間由于臺風(fēng)的影響，在臨時護岸拐彎圓弧段對肩臺范圍進行了補拋[8]，其他范圍變形都在可接受范圍，且狀況良好。本項目于2012年6月份完工后至今，期間經(jīng)歷了幾次臺風(fēng)，均未出現(xiàn)失穩(wěn)問題，顯然護岸斷面在波浪作用下已趨于穩(wěn)定。

3 寬肩臺斷面適用條件及設(shè)計要點

首先護面塊石的重量[5-8]相對常規(guī)穩(wěn)定斷面來說較小，整個斷面需要的石料用量較大，其次堤頂上部不適合有穩(wěn)定要求的結(jié)構(gòu)，比如混凝土擋墻，混凝土路面等，因為波浪的作用下容易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的變形[5-6]，上部結(jié)構(gòu)可在動力平衡后再行設(shè)置。

肩臺上下坡度取值，可根據(jù)項目實際情況取用，坡度的不同也會影響護面塊體破壞程度參數(shù)Sd的取值，坡度較緩，Sd的取值可相對提高，護面塊石重量也可以相對降低。本項目設(shè)計中考慮到寬肩臺的變形[5-6]主要是肩臺以及下部，見圖5，下部坡度在波浪作用下最終達到一個平衡的坡度，因此設(shè)計中為了相對縮小斷面的寬度，下部坡度采用了1∶1.5而上部坡度采用的是1∶3。

圖5 典型寬肩臺變形斷面Fig.5 Typical deformation section of wide-berm revetment

另外若堤頂高度較高，越浪量及爬高都較小，后方護面塊石可取比外坡護面小的塊石，否則內(nèi)外側(cè)護面塊石取相同重量。越浪量的要求以及內(nèi)外坡塊石大小都可參考ROCK MANUAL相關(guān)章節(jié)進行計算，有條件可通過物模試驗[5-6]進行驗證后確定。

綜上所述，本項目的成功建設(shè)主要有以下因素：首先項目所在地石料豐富，石料場就在項目所在地，有大量的石材，為寬肩臺護岸的成功實施提供了基礎(chǔ)；其次，本護岸為納泥區(qū)臨時護岸，只需保證后方回填的土不流出，護岸變形不影響后方的穩(wěn)定；另外，施工期的監(jiān)測很關(guān)鍵，發(fā)現(xiàn)變形過大應(yīng)及時采取相關(guān)措施；最后設(shè)計通過多規(guī)范對比計算得出寬肩臺拋石護岸的關(guān)鍵尺寸也是本護岸成功建設(shè)的一個因素。

4 結(jié)語

本項目中的寬肩臺護岸設(shè)計雖然具有一定的特殊性，但其設(shè)計及應(yīng)用仍具有一定的參考價值。有條件的項目，設(shè)計后可進行物模試驗來驗證。另外，在施工期應(yīng)加強觀測，發(fā)現(xiàn)變形過大時應(yīng)采取及時補拋等相關(guān)措施，這樣更有利于動力平衡寬肩臺護岸的適應(yīng)性。