扭王字塊體護(hù)面潛堤加高方案

倪靖宇，于蘊(yùn)澤

(中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120)

1 研究背景

天津港某防波堤為出水堤+潛堤復(fù)合堤結(jié)構(gòu)，其樁號(hào)0+000～1+500為出水堤，堤頂高程5.5 m；樁號(hào)1+500～2+350為潛堤，堤頂高程2.5 m。工程海域的設(shè)計(jì)高水位為4.3 m，故堤頂高程為2.5 m的850 m潛堤段長(zhǎng)時(shí)間處于海水淹沒(méi)狀態(tài)。防波堤建成后部分小型漁船不按導(dǎo)助航標(biāo)示路線(xiàn)行駛，強(qiáng)行穿越潛堤堤頂，偶有發(fā)生漁船擱淺在堤頂上的情況(圖1)。為避免此類(lèi)事件的再次發(fā)生，計(jì)劃對(duì)復(fù)合堤進(jìn)行加高改造，將潛堤變?yōu)槌鏊?，從而徹底阻斷小型漁船橫穿潛堤的通航路徑。

圖1 漁船擱淺

2 已建潛堤結(jié)構(gòu)

擬加高潛堤全長(zhǎng)850 m，堤頂高程2.5 m，堤頂寬度6.32 m，內(nèi)外邊坡均為1:1.75，堤芯采用大型袋裝砂棱體結(jié)構(gòu)，堤頂、內(nèi)外側(cè)邊坡護(hù)面塊體均采用6 t扭王字塊，塊體下設(shè)300～500 kg拋石墊層，厚度1.1 m。拋石墊層下設(shè)反濾層，由厚度0.7 m、規(guī)格10～40 kg塊石+600 g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ冀M成。內(nèi)外側(cè)鎮(zhèn)腳平臺(tái)高程為-4.2 m，采用砂肋軟體排加拋石結(jié)構(gòu)，表層石塊規(guī)格300～500 kg，厚度1.1 m，下設(shè)0.6 m厚10～100 kg墊層石，墊層石下鋪設(shè)砂肋軟體排；內(nèi)外側(cè)鎮(zhèn)腳拋石平臺(tái)寬度均為18 m，余排寬度8 m?；A(chǔ)采用砂被+排水板進(jìn)行處理，排水板間距1.1 m，打設(shè)底高程-16 m，垂直于堤軸線(xiàn)處理范圍為60.5 m(圖2)。

圖2 已建潛堤結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

3 堤頂高程

根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》第5.5.2條[1]規(guī)定“位于海岸和感潮河段常年潮流段的港口，設(shè)計(jì)高水位應(yīng)采用高潮累計(jì)頻率10%的潮位或歷時(shí)累計(jì)頻率1%的潮位”，本海域設(shè)計(jì)高水位為4.3 m，即歷時(shí)累計(jì)頻率1%的潮位為4.3 m，在正常氣象條件下，該海域在99%的時(shí)間段內(nèi)潮位低于4.3 m，因此阻止小型漁船通航，潛堤段頂高程至少加高至4.3 m。另一方面，由于已建防波堤為復(fù)合堤，其中出水堤堤段的頂高程為5.5 m，潛堤段的加高本著經(jīng)濟(jì)合理、協(xié)調(diào)一致的原則不應(yīng)超過(guò)已建出水堤。故潛堤加高的頂高程應(yīng)設(shè)計(jì)在4.3～5.5 m之間，對(duì)于加高出水阻斷航路的功能需求而言，堤頂高程抬高越大越有助于該功能的實(shí)現(xiàn)，但堤頂高程設(shè)計(jì)得越大工程投入越大，工程費(fèi)用越高，這是一個(gè)非常突出的矛盾，需要在方案研究中加以全面考量。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)

潛堤加高在國(guó)內(nèi)已有實(shí)踐：張偉豪[2]在汕頭港外導(dǎo)流攔沙堤加高工程中，將結(jié)構(gòu)形式為扭王字塊護(hù)面的拋石斜坡潛堤，采用削角王字塊壓頂+扭王字塊護(hù)面的方式，使堤頂高程由-2.10～-0.30 m加高為2.5～2.7 m；黃驊港某防砂堤[3]于2005年建成，結(jié)構(gòu)形式為拋石斜坡潛堤，2013年采用拋石加?xùn)艡诎遄o(hù)面的方式將其頂高程由0.0 m加高至2.5 m，并在堤頂澆筑了鋼筋混凝土防浪墻。

根據(jù)潛堤加高后的使用功能要求，上述項(xiàng)目在堤頂加高形式設(shè)計(jì)上較為保守，多數(shù)采用大體積的削角王字塊壓頂或者鋼筋混凝土防浪墻加高堤頂。若參考此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式對(duì)本工程開(kāi)展方案設(shè)計(jì)顯然不經(jīng)濟(jì)、不適用，而近年來(lái)在一些防波堤修復(fù)工程中采用的堆疊扭王字塊體的加高形式給本項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)帶來(lái)了良好的啟發(fā)。

溫嶺市釣浜漁港防波堤常年受臺(tái)風(fēng)影響破損嚴(yán)重，原堤身3.0～7.5 t的扭王字塊護(hù)面破損和失穩(wěn)嚴(yán)重。趙子文等[4]設(shè)計(jì)將6 t以上的扭王字塊體就地破碎分解，然后再在其上鋪設(shè)15 t扭王字塊體，最后將防波堤的抗災(zāi)能力提高到了100 a一遇。在北方海域，臺(tái)風(fēng)“梅花”曾造成大連某沿?；^(qū)護(hù)岸損壞。楊會(huì)利等[5]在損壞的9 t扭王字塊體護(hù)面上直接增設(shè)了1層15 t的扭王字塊體進(jìn)行修復(fù)，取得了良好的防護(hù)效果，該研究同時(shí)驗(yàn)證了原塊體作為墊層的適應(yīng)性。根據(jù)上述同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)可知，扭王字塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)的潛堤加高可采用扭王字塊體直接在其上鋪設(shè)的方式。

4.2 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)分析可知，直接堆疊扭王字塊體加高潛堤的方法簡(jiǎn)便快捷，對(duì)已建堤身影響較小，且能夠?qū)崿F(xiàn)本工程加高出水阻斷航路的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但設(shè)計(jì)過(guò)程中須考慮增加堤身塊體質(zhì)量和堤身整體穩(wěn)定的問(wèn)題。

4.2.1增加堤頂塊體質(zhì)量

根據(jù)JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.17條[6]規(guī)定，“堤頂塊體的質(zhì)量宜與外坡塊體相同。當(dāng)?shù)添敻叱淘谠O(shè)計(jì)高水位以上不足0.2倍設(shè)計(jì)波高時(shí)，其質(zhì)量不應(yīng)小于外坡護(hù)面塊體質(zhì)量的1.5倍?！爆F(xiàn)狀潛堤堤頂高程為2.5 m，設(shè)計(jì)高水位為4.3 m，二者高差1.8 m，而堤身外側(cè)使用的護(hù)面塊體為6 t扭王字塊，該塊體疊加安放后的豎向高度為1.79 m，即在已建的潛堤堤頂增設(shè)1層6 t扭王字塊即可將堤頂高程提高到4.29 m，與4.3 m僅相差0.01 m，基本可實(shí)現(xiàn)其出水阻航的功能。若加高后的堤頂高程設(shè)計(jì)高于4.3 m，雖然出水效果更好，但按照規(guī)范要求至少要將堤頂?shù)呐ね踝謮K體質(zhì)量增加至9 t以上。

4.2.2堤身整體穩(wěn)定

由于該防波堤地基為淤泥質(zhì)海岸深厚軟土，堤身結(jié)構(gòu)采用大型袋裝砂棱體堤芯+拋石墊層和人工塊體護(hù)面的結(jié)構(gòu)，為保障堤身安全并最大限度地降低工程造價(jià)，在潛堤設(shè)計(jì)之初便已按照“充分利用袋裝砂棱體的整體性”的設(shè)計(jì)原則，把堤身整體穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備盡量壓減，以縮小斜坡堤的斷面面積、減少工程用料。根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果，堤頂高程加高不超過(guò)4.3 m時(shí)，不會(huì)對(duì)防波堤整體穩(wěn)定帶來(lái)顯著影響，無(wú)須增設(shè)穩(wěn)定附加措施；但當(dāng)?shù)添敻叱碳痈叱^(guò)4.3 m時(shí)，由于堤頂增高幅度過(guò)大，導(dǎo)致堤身整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果超出規(guī)范限值，需要對(duì)拋石反壓平臺(tái)進(jìn)行加長(zhǎng)或增厚才能夠達(dá)到規(guī)范[7]的穩(wěn)定要求。故堤頂高程設(shè)計(jì)得越大，堤身整體穩(wěn)定附加措施的投入就會(huì)越大。

4.2.3方案比選

從滿(mǎn)足功能需求和最為經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了方案1；考慮通過(guò)增加堤頂塊體的質(zhì)量和尺度進(jìn)一步提高功能性的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了方案2和方案3(圖3)。

圖3 設(shè)計(jì)加高潛堤結(jié)構(gòu)斷面

1)方案1：堤頂6 t扭王字塊體。在潛堤外海側(cè)堤身上增設(shè)1層質(zhì)量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放3排6 t扭王字塊體；

2)方案2：堤頂9 t扭王字塊體。在潛堤外海側(cè)堤身上增設(shè)1層質(zhì)量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放2排9 t扭王字塊體，外海側(cè)拋石平臺(tái)上方增設(shè)厚度1.1 m，規(guī)格300～500 kg拋石；

3)方案3：堤頂12 t扭王字塊體.在潛堤外海側(cè)堤身上增設(shè)1層質(zhì)量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放2排12 t扭王字塊體，外海側(cè)拋石平臺(tái)上方增設(shè)厚度1.1 m，規(guī)格300～500 kg拋石。

5 物模試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件及模型設(shè)計(jì)

防波堤斷面波浪物理模型試驗(yàn)在寬1.2 m、深1.8 m的水槽中進(jìn)行，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型比尺1:25，采用不規(guī)則波與規(guī)則波分別試驗(yàn)，規(guī)則波試驗(yàn)采用H5%，每一波況累計(jì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于原型3 h，各特征水位的設(shè)計(jì)波浪要素見(jiàn)表1。

表1 防波堤試驗(yàn)波浪要素

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)不同水位及波浪組合，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次。當(dāng)3次重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果差別較大時(shí)，則增加重復(fù)次數(shù)。每次試驗(yàn)均重新鋪放斷面。根據(jù)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》要求[8]，以塊體滾落或累計(jì)位移超過(guò)塊體最大幾何尺度的一半為扭王字塊護(hù)面失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)。各方案的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 ENE向50 a一遇波浪作用下各方案塊體穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，SE向波浪由于設(shè)計(jì)波高較小，所有水位工況均未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。ENE向波浪作用下，3個(gè)方案的坡面6 t扭王字塊體在不同水位工況下均能保持穩(wěn)定；方案3未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，方案1和方案2堤頂塊體有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，其中方案1在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位工況下出現(xiàn)失穩(wěn)，方案2僅在設(shè)計(jì)高水位工況下出現(xiàn)失穩(wěn)。

從圖4可知：方案1在極端高水位工況時(shí)1塊6 t堤頂扭王字塊體位移超限，在設(shè)計(jì)高水位工況時(shí)1塊6 t堤頂扭王字塊體滾落到內(nèi)側(cè)坡面；方案2在設(shè)計(jì)高水位工況時(shí)3塊堤頂9 t扭王字塊體滾落，其中1塊滾落到內(nèi)側(cè)坡面，另外2塊滾落至護(hù)面塊體坡腳。故從破壞程度上看方案2比方案1更嚴(yán)重。方案3由于堤頂塊體質(zhì)量大幅增加，在各種工況下均未出現(xiàn)塊體失穩(wěn)的情況。

5.3 推薦方案

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照J(rèn)TS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.7條“扭王字塊護(hù)面塊體容許失穩(wěn)率0%”的要求判定，僅有方案3能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，故選擇方案3作為推薦實(shí)施方案。

6 結(jié)語(yǔ)

1)扭王字塊護(hù)面結(jié)構(gòu)潛堤采用直接堆疊扭王字塊進(jìn)行加高是可行的。

2)加高設(shè)計(jì)中堤身護(hù)面采用與下層相同規(guī)格的塊體能夠滿(mǎn)足穩(wěn)定要求也便于施工。

3)當(dāng)?shù)添敻叱淘谠O(shè)計(jì)高水位以上不足0.2倍設(shè)計(jì)波高時(shí)，堤頂塊體質(zhì)量采用外坡護(hù)面塊體質(zhì)量的1.5倍通常不夠，須達(dá)到2倍以上才可靠。