某工程海堤護(hù)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王玉平，吳喬，彭志豪

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

0 引言

某工程填海面積約650 hm2，根據(jù)環(huán)保的需要，工程建設(shè)采用深層水泥攪拌對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，然后在加固地基上進(jìn)行回填施工。該工程主要建設(shè)內(nèi)容包括填海造陸，建造約13 km的海堤、地基改善工程、供應(yīng)填土材料、鋪設(shè)砂墊層、海上填土、陸上填土、附屬設(shè)施及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境保護(hù)工程。其中按照原設(shè)計(jì)方案，13 km的海堤結(jié)構(gòu)采用大塊石作為護(hù)面結(jié)構(gòu)，總共約需要79萬m3護(hù)面塊石。目前市場(chǎng)中難以采購到如此大量的大塊石護(hù)面，因?yàn)槿狈线m的石料，預(yù)定工期內(nèi)海堤結(jié)構(gòu)很可能無法按時(shí)完工，進(jìn)而影響到整個(gè)項(xiàng)目。

為了緩解這個(gè)問題，建議在一定區(qū)段的斜坡堤范圍內(nèi)采用人工塊體（Accropode）來代替緊缺的塊石護(hù)面，總共約需要78 000余塊0.8 m3和2 m3的Accropde，混凝土方量共約11萬m3。

1 工程概況

在原設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的護(hù)面塊石大小和不同的位置，斜坡式海堤被分為4種類型，優(yōu)化設(shè)計(jì)后3.5～7.0 t的大塊石護(hù)面被2.0 m3的Accropode替代，而1.5～3.0 t，1.2～2.4 t，1.0～2.0 t的塊石則被0.8 m3的Accropode替代。在斜坡式海堤與直立式結(jié)構(gòu)銜接段及排水口區(qū)域，由于位置狹窄不利于護(hù)面塊體的安裝，仍使用塊石護(hù)面過渡。優(yōu)化前后海堤的斷面對(duì)比見表1、圖1和圖2。

表1 優(yōu)化前后護(hù)面塊體的對(duì)比Table 1 Comparison of armour type before and after optimization

圖1 優(yōu)化前采用塊石護(hù)面的海堤典型斷面Fig.1 Typical cross-section of seawall adopting rock armour before optimization

圖2 優(yōu)化后采用Accropode塊體護(hù)面的海堤典型斷面Fig.2 Typical cross-section of seawall adopting Accropode armour after optimization

2 工藝研究護(hù)面穩(wěn)定

2.1 Accropode護(hù)面穩(wěn)定計(jì)算方法

Accropode塊體與國內(nèi)的扭王塊外形相似，均為單層擺放的咬合塊體，在波浪作用下具有良好的水力性能，其安裝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的使用。根據(jù)CLI的Accropode設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]，單個(gè)Accropode的穩(wěn)定體積V也可采用哈德森公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Δ=γb/γ，為扭王塊材料與海水的相對(duì)重度；α為斜坡的坡度；H為設(shè)計(jì)波高；KD為與塊體本身水動(dòng)力穩(wěn)定性、容許失穩(wěn)率、波浪條件和塊體擺放位置相關(guān)的穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)于Accropode，其容許失穩(wěn)率0%，海底平坦時(shí)，KD值取值詳見表2。根據(jù)CLI的設(shè)計(jì)手冊(cè)建議，采用Accropode作為護(hù)面層時(shí)，坡比應(yīng)當(dāng)采用1∶1.33或者1∶1.5，不推薦采用更緩的坡比。較陡的邊坡可以增大塊體之間的咬合力，有利于發(fā)揮人工塊體的勾連作用，減少單個(gè)塊體所需要的重量，同時(shí)還能夠減少結(jié)構(gòu)的斷面面積和工程量。

表2 Accropode穩(wěn)定系數(shù)K D和N s的推薦值Table 2 Recommended K D and N s value for Accropode

根據(jù)已有的研究成果[2]，Accropde在斜坡坡比為1∶1.33～1∶1.5之間時(shí)，其穩(wěn)定效果基本相當(dāng)，而對(duì)于防波堤坡度放緩至1∶2時(shí)，Accropode的穩(wěn)定效果并沒有明顯的增加。因此Accropode的計(jì)算體積也可以采用如下與坡度無關(guān)的公式計(jì)算：

式中：Ns為穩(wěn)定系數(shù)，與防波堤的位置及波浪情況有關(guān)。

當(dāng)防波堤前海底平坦時(shí)，Ns可按照塊體安裝位置及波浪破碎情況按表2取值。

根據(jù)以上KD、Ns數(shù)值可計(jì)算得出，斜坡堤堤頭部分的塊體體積，比堤身部分塊體體積增加25%～30%，而位于波浪破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體重量，均應(yīng)相應(yīng)再增加20%～25%。

此外Accropode的KD值與Ns會(huì)隨著防波堤前海床坡度的增加而減少，當(dāng)防波堤前海底坡度達(dá)到5%時(shí)，Accropode的穩(wěn)定所需體積需要額外增加約50%；當(dāng)海底坡度達(dá)到10%左右，Accropode的穩(wěn)定所需體積需要額外增加約88%。

綜上所述，采用哈德森公式計(jì)算Accropode穩(wěn)定所需體積時(shí)，最佳坡比為1∶1.33～1∶1.50，且更緩的坡比不會(huì)獲得更好的穩(wěn)定性[3]。然而由于本工程情況特殊，海堤的堤心及墊層部分均已施工完成，坡比難以更改，因此本項(xiàng)目可通過哈德森公式預(yù)估出Accropode需要的最小穩(wěn)定體積，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)加大Accropode塊體，可確保護(hù)面層的穩(wěn)定，計(jì)算過程見表3。

表3 Accropode穩(wěn)定需要的體積計(jì)算Table 3 Calculation of stability required volume of Accropode

2.2 物模試驗(yàn)驗(yàn)證護(hù)面穩(wěn)定性

因本項(xiàng)目實(shí)際護(hù)面坡度超出Accropode塊體最佳坡度范圍，需通過2D物模實(shí)驗(yàn)來復(fù)核驗(yàn)證優(yōu)化斷面的穩(wěn)定性，物模試驗(yàn)采取如下3種試驗(yàn)工況以模擬最不利的施工工況：

1）10 a一遇高水位+對(duì)應(yīng)水位的100 a一遇波浪。

2）10 a一遇高水位+超載波浪。

3）平均低水位+對(duì)應(yīng)水位的100 a一遇波浪。

其中，工況1為設(shè)計(jì)工況，主要用于測(cè)試護(hù)面塊體的穩(wěn)定性。而工況2的超載波浪是通過在設(shè)計(jì)波浪的基礎(chǔ)上將波高放大20%，測(cè)試護(hù)面塊體的安全富裕度，避免Accropode護(hù)面層的突然破壞。工況3則是用于驗(yàn)證低水位情況下壓腳塊石的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)中Accropode塊體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為塊體位移超過0.1H（H為塊體高度），而國標(biāo)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》中則規(guī)定扭王字塊的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為累計(jì)位移超過0.5H。因此Accropode塊體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格[4]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在波浪作用下，所有的護(hù)面塊體Accropode均保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)塊體滑落或過大位移的情況，壓腳塊石的破壞系數(shù)Nod＜2[5]，不影響護(hù)面結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求[6]。

3 倒濾驗(yàn)算

墊層結(jié)構(gòu)作為Accropode的支撐結(jié)構(gòu)，其具有3個(gè)重要的作用：1）支撐Accropode護(hù)面層；2）作為Accropode和堤心之間的倒濾，保證墊層石料及堤心石料不被波浪淘蝕；3）提供良好的透水性，以保證護(hù)面塊體的穩(wěn)定性。

根據(jù)國內(nèi)同類塊體的施工經(jīng)驗(yàn)，墊層塊石作為Accropode的支撐層，其平整度的要求不超過塊體高度的1/6，如果墊層塊石出現(xiàn)過高或者過低情況，將直接影響到護(hù)面塊體的安裝質(zhì)量和咬合程度。

為了保證在波浪作用下墊層塊石不被波浪從護(hù)面塊縫隙中吸出，其墊層塊石的設(shè)計(jì)需要滿足如下要求[2]：

式中：MNUL，u為墊層塊石的名義上限重量；MNLL，u為墊層塊石的名義下限重量；Ma為護(hù)面塊體的重量。在實(shí)際運(yùn)用過程中，以上名義重量可以適當(dāng)上下浮動(dòng)30%。

計(jì)算結(jié)果（表4）表明，采用0.8 m3和2.0 m3的Accropode塊體可以充分利用原有斷面的墊層結(jié)構(gòu)，不必增加新的塊石級(jí)配，有利于現(xiàn)場(chǎng)石料供應(yīng)，簡(jiǎn)化施工工序。

表4 Accropode墊層計(jì)算Table 4 Accropode cushion calculation kg

4 越浪量的影響

海堤結(jié)構(gòu)要求能夠抵抗波浪爬坡，保護(hù)陸域免受波浪越頂?shù)那治g沖擊[7]。其設(shè)計(jì)越浪量應(yīng)滿足文獻(xiàn)[8]第4部分第5.3.2節(jié)相關(guān)條款（見表5），最大越浪量可達(dá)到平均越浪量的100倍[8]。

表5 海堤設(shè)計(jì)的允許越浪量Table 5 Allowed overtopping rate in seawall design m3（/s.m）

為了滿足極端風(fēng)浪條件下的跑道作業(yè)人員和車輛安全，確保任何情況下的機(jī)場(chǎng)緊急作業(yè)安全，因此計(jì)算采用100 a一遇的波高和10 a一遇的高潮位作為輸入條件，采用TAW方法對(duì)比了護(hù)面優(yōu)化前后越浪量。

根據(jù)EurOtop[9]相關(guān)公式，當(dāng)ξm-1，0＜5時(shí)，可按照如下公式計(jì)算越浪量：

最大越浪量為：

式中：q為越浪量，m3/（s.m）；g為重力加速度，m/s2；Rc為堤頂超高；Hm0為特征波高；Tm-1，0為平均波周期，s；ξm-1，0為破波系數(shù)，為護(hù)面粗糙度系數(shù)；γν為堤頂擋浪墻影響系數(shù)，沒有擋浪墻時(shí)取1.0；γ*為綜合考慮擋浪墻和護(hù)面粗糙度的影響系數(shù)；γβ為波浪入射角度影響系數(shù)；γb為肩臺(tái)影響系數(shù)，無肩臺(tái)時(shí)取1.0。

計(jì)算結(jié)果（表6）表明Accropode的粗糙度系數(shù)小于塊石護(hù)面，更換護(hù)面后海堤越浪量?jī)?yōu)于原設(shè)計(jì)方案。

表6 越浪量結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of overtopping rate results

為驗(yàn)證堤后維護(hù)跑道作業(yè)人員車輛的安全，

堤頂后方越浪量的空間分布（圖3）可按照如下公式[9]估算：

圖3 越浪量隨距離的衰減Fig.3 Overtopping rate decreases with distance

式中：x、y為距離堤頂?shù)乃?、豎向距離；Sop為波陡系數(shù)；Hs為有效波高；L為波長(zhǎng)。

越浪量隨著距堤頂?shù)木嚯x呈指數(shù)下降，在距離堤后15 m左右，越浪量降低至約0.03 L/（s.m），足夠保證在極端工況下人員維護(hù)機(jī)場(chǎng)陸域設(shè)施的安全，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 沉降和變形的影響

針對(duì)斜坡堤的變形沉降問題，通過有限元軟件建立模型（圖4）模擬分析了整個(gè)施工工序，最終獲得了不同護(hù)面結(jié)構(gòu)的工后沉降和堤頂水平位移。施工步驟如表7所示。

圖4 計(jì)算沉降和變形的有限元模型Fig.4 Finite element model for settlement and displacement calculation

表7 模擬的施工順序Table 7 Simulation of construction stage

計(jì)算結(jié)果（表8）表明，采用Accropode或者塊石護(hù)面，對(duì)沉降量和水平位移的影響僅為1～2 mm，區(qū)別不大。

表8 水平位移量和沉降量對(duì)比Table 8 Comparison of horizontal displacement and settlementm

6 結(jié)語

根據(jù)本文的計(jì)算和分析，通過某工程海堤護(hù)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究可得出如下結(jié)論：

1）人工塊體的穩(wěn)定性優(yōu)于塊石護(hù)面，采用更小的體積即可替代塊石護(hù)面；

2）通過優(yōu)化人工塊體的體積，可以充分利用已施工的墊層石料，避免開挖重填，簡(jiǎn)化施工工序；

3）人工塊體護(hù)面比塊石護(hù)面消浪效果更好，堤后越浪量更小；

4）護(hù)面結(jié)構(gòu)采用塊石或者人工塊體，對(duì)護(hù)岸的沉降和整體變形方面影響不大，兩者區(qū)別很小。