海堤镇压层块石护面优化研究

2019-09-16刘林松臧振涛

水道港口 2019年4期

刘林松，臧振涛，林波，高健

(1.浙江水利水电学院，杭州 310018；2.浙江水院勘测设计研究有限公司，杭州 310018)

作为一种较经济的海防建筑物，海堤主要利用堤身及防浪墙消散阻挡堤前的波浪，保护后方安全。在海堤工程设计中，由于理砌块石和灌砌块石护面结构具有成本低廉、取材方便、消浪效果较好等特点，被广泛应用于迎水面镇压层护面结构[1]等部位。但由于镇压层属于海堤外侧，在遇到台风期低潮位时，往往会发生块石“跳脱”、“翻滚”或护面“脱空”等现象，影响护面结构安全及外观[2]。

结合孙德勇等人提出的块石护面结构与块石间的嵌固力成正比的理论[3]以及陈振华等人提出的混凝土半灌砌石护面结构[2]，为了提高镇压层砌石类护面结构的稳定性以及块石的利用率，降低维护成本，在温州瓯飞围垦工程一期实施中，通过利用理论计算及现场试验对海堤块石护面结构进行优化研究，分析块石护面结构的稳定性，提出合理的护面结构优化方案。

1 工程概况

温州瓯飞围垦工程位于浙东南沿海瓯江河口和飞云江河口之间的滩涂区域，一期围垦面积为88.53 km2，二期为193.33 km2，工程建成后将极大的缓解温州市用地紧张的局面，计划总工期共9.5 a，估算总投资273亿元[4]。依据《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)[5]、《防波堤设计与施工规范》(JTS 154-1-2011)[6]相关设计要求，瓯飞围垦工程设计为斜坡式护面结构(图1)。

图1 瓯飞围垦工程设计断面图Fig.1 Schematic diagram of Oufei reclamation project

图2 试验区地理位置示意图Fig.2 Schematic diagram of test area location

为了避免镇压层(1.0～-0.5 m高程)块石护面结构在台风期发生“跳脱”、“翻滚”等现象，减少工程维修成本，保护后方安全，同时为了充分利用料场块石，在瓯飞一期围垦北片的南端、2#隔堤与主堤交接处“观景平台”的北侧，风浪条件最恶劣区域(如图2所示)开展海堤镇压层块石护面结构优化研究。

2 块体稳定重量

依据《防波堤设计与施工规范》(JTS 154-1-2011)中有关块体稳定重量的相关要求，当波向线与斜坡堤纵轴线法线的夹角小于22.5°，且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在计算水位上、下1.0倍设计波高之间的护面块体，单个块体的稳定重量可按Hudson公式计算。对于设计波浪平均周期大于10 s或设计波高与设计波长之比小于1/30的坦波，块体重量应进行模型试验验证。

(1)

式中：W为单个块体的稳定重量，t；γb为块体材料的重度，kN/m3；H为设计波高，m；KD为块体稳定系数；α为斜坡与水平面的夹角，(°)；γ为水的重度，kN/m3。

试验区防潮(洪)标准为50 a一遇，其相关水文情况见表1。

表1 50 a一遇水文统计表Tab.1 Hydrologic statistics for 50 years

注：*为波浪破碎，波向为ESE。

由于周期大于10 s，在采用规范公式进行块体重量计算的同时，在河海大学风浪水槽中进行相关实验，水槽长为80 m，宽为1.0 m，高为1.5 m，水槽一端安装不规则造波机，另一端设置消波系统，水槽纵向分为两部分，一部分铺设试验断面，另一部分用以消除波浪的二次反射，水槽的一端配有消浪缓坡设施，另一端配有推板式不规则波造波机，相关波浪要素由计算机自动控制产生。模型按正态重力相似准则设计，结合波要素、试验断面及设备性能等因素，确定断面模型长度比尺为λ=31，时间比尺λt=λ1/2，压强比尺λp=λ，越浪量比尺λq=λ3/2。

结合规范计算以及室内物理试验结果，试验区所在堤段镇压层需采用“单重大于800 kg、厚度大于80 cm、至少有2个大致平行面”的理砌块石护面结构。

3 现场试验结果及分析

3.1 试验方案

结合瓯飞围垦工程原设计断面结构形式，在试验区开展混凝土半灌块石护面结构的试验研究，并与原设计尺寸的镇压层理砌护面结构(简称：足尺理砌块石护面结构)作为对比。

试验区1(足尺理砌块石护面结构)：护面尺寸50 m×20 m，块石平均重量800 kg，平均厚度70 cm(考虑到料源不足，以及实际试验时难以遇见物理试验工况，将块石厚度降低至70 cm)，理砌时，块石间距小于15 cm。试验段桩号为2+070 ～ 3+020。

试验区2-1(混凝土半灌块石护面结构)：护面尺寸10 m×20 m，块石平均重量400 kg，平均厚度50 cm，采用混凝土半灌工艺[7]增加块石间的嵌固力。试验段桩号为0+020 ～ 0+030。

试验区2-2(混凝土半灌块石护面结构)：护面尺寸10 m×20 m，块石平均重量100～150 kg，平均厚度35 cm，采用混凝土半灌工艺增加块石间的嵌固力。试验段桩号为0+040 ～ 0+050。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 数据采集及分析

为了达到试验效果，获得试验区相关断面发生破坏时的波浪要素，在试验区布设了水位计、波浪仪和测风仪等设备。试验区于2016年7月完工，此后经历了对其影响最大的17号台风“鲇鱼”(农历八月二十七、二十八)，台风期间最大风速为22.3 m/s，相关波高、潮位变化见图3。由图3可知，台风“鲇鱼”期间，正是天文小潮期，且最大波高达到3.17 m，最高潮位为3.66 m，对镇压平台影响最大。

图3 台风“鲇鱼”期间试验区潮位及波高随时间变化曲线图Fig.3 Tide and wave of test region changes with time during Typhoon Megi

3.2.2 试验结果

通过对比台风“鲇鱼”前后试验区镇压层相关护面结构面貌，观察统计其稳定情况，相关试验结果见表2。

表2 台风“鲇鱼”后试验区镇压层护面结构稳定情况Tab.2 Pavement structure stable situation of test after Typhoon Megi

图4 台风“鲇鱼”过后试验区1现场失稳照片Fig.4 Instability situation of test 1 after Typhoon Megi

5-a 试验区2-15-b 试验区2-2图5 台风“鲇鱼”过后试验区2-1和2-2现场稳定照片Fig.5 Stability situation of test 2-1 and 2-2 after Typhoon Megi

3.3 块石相互作用分析

Hudson公式是通过对块石受力简化分析求得，未考虑块石间的相互作用力，使得该公式在计算应用中过于保守。通过镇压层块石护面现场试验结果可以看出，块石间的相互作用力对护面结构的影响很大，通过采用合适的方式(如灌注混凝土)增加块石间的作用力，可极大地提高块石的整体稳定性。但如果全面灌砌(如灌砌块石)，则会因孔隙率不足而发生波浪上托力过大、下垫层或反滤层破坏导致护面失稳，且由于块石护面表面被抹平，进而极大地削弱了护面结构的消浪性能。

3.4 护面块石稳定性分析

K.W. Pilarczyk[8]通过对波浪作用下护面砌块失稳问题进行研究，从护坡结构组成方面提出引起护面结构失稳原因主要包括波浪上托力过大、垫层和反滤层破坏、下层土体失稳以及护面层滑动。

从镇压层块石护面结构的现场试验结果可以看出，在台风与小潮耦合作用时，由试验区1可知，理砌块石护面结构虽然具有很好的透水性和消浪性能，但由于其块石之间的相互作用力不足，仅依靠块石自重抵抗风浪作用，使得其整体稳定性差，当局部块石发生失稳后，会产生连锁反应，进而影响护面使用功能；由试验区2可知混凝土半灌块石护面结构，虽然其块石重量小(如试验区2-2，块石重仅在100～150 kg)，但由于采用混凝土半灌工艺，使得其在具有较好的透水性和消浪性能的情况下，提高了块石间的相互作用力(取芯检测混凝土与块石间的粘结强度为0.48 MPa)，进而提高了块石护面结构的整体稳定性。

4 护面结构优化

考虑到现场试验的块石尺寸、台风“鲇鱼”的相关波浪要素、瓯飞围垦工程的防洪标准以及料场块石开采情况等因素，镇压层块石护面结构由“理砌块石”更改为“混凝土半灌块石”(图6)，在满足护面设计厚度的情况下，块石重量指标降至400 kg，同时采用框格尺寸5 m×5 m、边框1 m宽范围不灌砼留作排水带、中间灌注60 cm厚混凝土的规则灌注法半灌混凝土块石结构。混凝土灌注时，块石缝中灌注量不小于30%，灌注后需保证块石露面并清扫干净，沿海堤线间隔5 m留0.5～1 m排水带，经现场随机测量(测量平面不小于25 m2)，混凝土半灌块石护面结构整体透空率在10%～13%。

6-a 理砌大块石护面6-b 半灌混凝土块石护面图6 海堤护面结构优化前后对比图Fig.6 Comparison of pavement structure of sea wall before and after optimization

2017年10月，针对瓯飞围垦工程海堤沿线长约36.66 km，涉及110万m2的镇压层，采用了本次块石护面优化研究成果进行优化加固，以提高块石利用率以及护面结构的抗风浪能力。优化后的镇压平台护面结构经受了2017(泰利，最大风速达8级，最大波高约1.7 m，最高潮位约3.5 m)、2018(康妮，最大风速达10级，最大波高约3.1 m，最高潮位约3.7 m)的多次台风考验，确保了工程质量、进度和安全。