全断面土工管带在海南龙栖湾沙滩修复工程离岸防波堤中的应用

王小磊

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

随着海平面上升，海洋动力条件俞加恶劣，沙滩侵蚀现象日趋明显。目前，在沙滩修复或人工沙滩建设中，为了减小外海入射波高对沙滩区域的影响，在距沙滩一定距离海域建设离岸式防波堤是一种常用的方法，其防波堤结构形式一般采用抛石堆填结构。抛石实体结构防波堤存在多种缺点，一是防波堤工程施工多在水上进行，由于施工时石块填料距离工地太远，导致运输困难，成本大幅增加；二是随着国家对开采石料的限制，石料来源不太确定；三是沙滩修复或人工沙滩项目多为旅游或生态项目，对环境影响较为敏感，抛石实体结构堤对海洋生态环境影响较大。

以大型土工管带代替传统的抛石斜坡堤结构，自20 世纪70 年代引入我国，至今已在海港工程临时及永久性围堰、护岸、航道整治、填海造地、人工岛、接岸引堤、防波堤等领域得到广泛应用。这种结构具有工期短、造价节省、适应性强等优点[1]。但在海南热带海洋性季风气候明显的无掩护海域，全断面采用土工管带作为离岸式防波堤主体结构，现阶段国内外可供借鉴的成熟工艺和经验并不多。

本文在总结了充填土工管带在国内外应用现状的基础上，依托海南龙栖湾沙滩修复工程对其结构设计和稳定性情况进行了研究，并分析了国内其他案例失败的原因，以供参考。

1 充填土工管带在国内外应用现状

目前，土工管带由于其工期短、造价节省、适应性强等优点，在许多涉水领域都有应用，其应用领域和特点如下：

1）临时及永久性围堰、护岸：多建设于港池内，属有掩护水域，受波浪长期作用小，在施工完后或被后续工序掩盖，或被拆除，后续维护、更换较便利。

2）航道整治工程：多位于内河入海口水下区，或离陆域较近，水深较浅，受波浪、涌浪、涨落潮影响较小。

3）填海造地、人工岛、接岸引堤：多位于有掩护水域，或堤身轴线避开常浪向、强浪向设置，一般不允许越浪，并辅以水下防冲钢板桩、块石护坡、人工块体护面、石笼等结构，尤其是填海造地、人工岛工程，将土工管带与辅助结构、陆域有机的形成整体，极大的增强了土工管带的稳定性[2-3]。

4）土工管带离岸防波堤：其工程区海域基本为无掩护水域，堤身轴线多垂直于常浪向、强浪向设置，长期位于水位变动区，受波浪、涌浪作用时间长、作用力大，且离岸堤一般远离陆域、水深较深、允许有少量越浪，其迎浪面、背浪面稳定性均依靠充填土工管带自身重力实现，施工期结构一旦受台风、热带风暴袭击，受损严重时几乎无法进行维护。

土工管带离岸防波堤成功案例多辅以其他结构形式实现堤身稳定性。而辅以块石护坡、人工块体护面结构时，一般要求块石规格、人工块体重量较大，工序繁多、施工协调难度大、工期压力大，且兼顾抛填时对土工管带外露部分的成品保护，较小则自身稳定性不足，无法对充填土工管带进行有效保护；而辅以石笼护面结构的充填土工管带离岸防波堤，人工作业量大，机械化程度低，成本较高，因此，全断面采用充填土工管带作为离岸式防波堤主体结构，虽困难重重，但势在必行。

2 全断面土工管带离岸防波堤及其应用

2.1 工程区概况

2.1.1 气象条件

乐东龙栖湾岸线修复暨岸滩补砂工程地处北回归线以南的热带北缘，受海洋性气候影响较大，热带海洋性季风气候明显：全年雨量充沛，干湿季明显，常年风大，热带气旋影响频繁，气候资源多样。统计1981—2010 年期间登陆或影响工程区海域的台风有31 个，年平均1.0 个，强热带风暴10 个；年平均0.3 个；热带风暴9 个，年平均0.3 个。

2.1.2 水文条件

龙栖湾潮汐性质为不正规日潮型，每月7~10 d出现每天2 次高潮2 次低潮，其余时间每天出现1 次高潮1 次低潮。工程区海域潮流为明显的往复流，潮流方向基本平行于等深线；涨潮流流向NW 向，落潮流流向SE 向，统计工程区海域9 个站点观测数据：各站表层流速介于16.39~109.22 cm/s 之间，中层流速介于11.92~138.88 cm/s 之间，底层流速介于10.16~97.88 cm/s 之间。除1、4 号站落潮流较强于涨潮流外，其余各站落潮流速小于涨潮流速。最大涨潮流发生时刻基本上在高潮前1~3 h，最大落潮流速发生在低潮前2~4 h。风浪年总出现频率为80%，涌浪年总出现频率为41%，风浪波型为主要特征。波向特征：风浪常浪向是SE 向，次常浪向是SSE 向；涌浪常浪向是S 向，次常涌浪向是SSW 向。

各基面关系如图1 所示。

图1 各基面关系图Fig.1 Relationship diagram of each basic surface

潮位特征值（1985 国家高程基准面起算，以下同）：

最高潮位3.06 m，最低潮位-1.02 m；平均高潮位1.91 m，平均低潮位0.41 m；平均海平面0.61 m，平均潮差1.53 m ；最大潮差3.40 m，最小潮差0.10 m。

设计水位：

设计高水位1.90 m，设计低水位-0.32 m，极端高水位2.74 m，极端低水位-1.19 m。

2.1.3 地质条件土层自上而下依次为中砂、含砂粉质黏土、粗砂、粉质黏土、中等风化花岗岩。

2.2 设计方案

工程重现期按50 a 一遇设计，堤顶允许少量越浪。

结合国内充填土工管带失败案例的主要表现形式及原因分析，在全断面土工管带离岸堤结构设计阶段，制定以下针对性措施[4]（见图2）。

图2 土工管带初步设计断面图Fig.2 Cross section of the preliminary design of geotechnical pipe

1）土工管带及内衬原材料均选用100%PP 原生料：海水浸泡30 a 物理性能衰减≤5%。禁止掺入有害回料或再生性PP、PE、PA 而影响产品长期使用寿命。其中，内衬基布物理性能要求为：各向等性、单位面积质量120~150 g/m2、宽条拉伸强度≥8 kN/m、渗透系数≥0.2 cm/s、等效孔径≤0.2 mm 的保砂防刺破辅料。

下层管带（域型）物理性能要求为：抗光老化能力（500 h）≥90%、抗磨损性能≥80%、纵横向宽条拉伸强度≥210 kN/m、断裂伸长率≤13%、缝合强度≥180 kN/m、单位面积质量≤1 000 g/m2。单根砂管长45.4 m、截面周长15.7 m、填充后截面面积14.38 m2、单重980 t。

2）上层管带（芋型）物理性能要求同土工管带域型，其外露面缝制一层沙滩色、抗光老化能力（500 h）≥98%（理论值应无折减）、抗磨损性能≥90%、厚度≥3.0 mm、表层纤维立体状（砂可饱满嵌入）的耐久复合纤维基布。单根土工管带长45.4 m、截面周长15.7 m、填充后截面面积14.38 m2、单重980 t。

3）在堤身迎浪面、背浪面底部均设置单根土工管带长45.4 m、截面周长3 m、填充后截面面积0.55 m2、单重38 t 的防冲护坦（土工管带郁型），防止根部冲刷造成上层管带坍落。物理性能要求如下：抗光老化能力（500 h）≥90%、抗磨损性能≥70%、纵横向宽条拉伸强度≥90 kN/m、断裂伸长率≤13%、缝合强度≥70 kN/m、单位面积质量≤475 g/m2。

4）通过物模试验论证上述结构在各阶段波浪要素作用下的稳定性以及波浪对充填管带结构的影响。

5）管带外露部分缝制高旦卷曲纤维，防止高强度紫外线辐射对砂管老化造成的影响。并在施工期采用不同的袖口处理方案，对比优化袖口处理工艺。

2.3 稳定性与消浪效果物模试验论证

2.3.1 物理模型建立

离岸堤施工水域平均原泥面为-2.7 m，采用1颐15 的几何比例尺建立全断面充填土工管带离岸堤模型试验，配以无惯性电机驱动的不规则波造波机，微机控制造波与数据采集。造波机后部及水槽尾部安装消能网、消能架空斜坡等消能设备，以尽量避免波浪反射。采用DS30 型浪高测量系统，同步测量多点波面过程并进行数据分析，进而测试管带离岸堤断面的稳定性。

2.3.2 试验模拟过程

1）抽取管带原材料试样，检验各项参数是否符合设计要求；

2）通过调整波浪要素，检验设计高水位、极端高水位状态下，上层迎浪面管带稳定性；通过调整上、下层管带材料纹路方向，确定材料间滑移摩擦系数；

3）通过调整防冲护坦周长、充填高度，模拟护坦对堤身根部的防冲刷效果；

4）通过调整波浪要素，检验台风浪、越浪、涌浪发生时，迎浪面、背浪面管带稳定性。

2.3.3 试验结论

通过二维断面波浪物理模型试验，得出如下结果：

1）抽取的管带原材料试样各项参数满足设计要求；

2）管带材料滑移摩擦系数与材料纹路方向有关，上、下层管带纵、横向布置时，有利于上层砂管稳定。试验表明，不稳定管带均出现在上层，对管带滑动作用影响最大的水位主要集中在极端高水位与设计高水位，最不利水位为平顶附近水位。在较大波浪作用下，上层管带首先表现为迎浪面抬升震荡，继而滑移，随波浪连续作用时间的延长，滑移量逐步增大；此外，管带内填砂随波浪的作用，不断被压实并在管带内向后方推移，导致管带截面变形，迎浪面管带厚度逐渐变薄，增大了管带前区的抬升运动；

3）护坦截面周长加长为6 m、填充饱和度与原设计一致时，护坦基本稳定，但护坦和堤体之间的泥沙被冲刷，护坦管带失效后，将导致堤体前基础被淘刷，堤体管带下沉，在低水位时，淘刷相对明显；

4）在极端高水位、台风作用下发生越浪、风涌混合型浪时，背浪面上层管带同样出现抬升震荡、继而滑移、滑移量逐步增大的现象，甚至出现上层管带滑移失稳；

5）在初步设计方案的基础上做出如下优化：

①加大上层管带截面积、周长，上层管带纵向布置，并在堤身处向迎浪面自然下垂，在堤头处分别向迎浪面、背浪面自然下垂。该项优化可对迎浪面、背浪面形成保护，降低迎浪面波浪浮托力对上层管带滑移的影响；并与下层管带形成整体，提高堤身稳定性；同时可减少管带外露根数，对下层管带形成保护；

②500 mm 厚防冲护坦优化为1 000 m 厚砂被（物理性能要求同防冲护坦），并在堤身下满铺，堤身内、外侧铺设宽度6 m。该项优化可在提高砂被稳定性的同时，降低波浪对堤身根部的冲刷；

③下层管带横向布置、堤头处设置纵向堵头，中间管带更换为郁型。该项优化可提高管带间滑移摩擦系数，提高上层管带稳定性，减少堤头处管带外露根数，降低材料成本。

经过多组结构形式的反复试验，最终确定实施方案如图3 和图4 所示。优化后设计方案经物理模型试验检验，在50 a 一遇重现期波浪24 h 作用后，上层管带未见滑移，断面整体稳定，根部未见冲刷。

图3 土工管带堤身结构最终方案断面图Fig.3 Cross section of final plan of dike body structure of geotechnical pipe

图4 土工管带堤头结构最终方案断面图Fig.4 Cross section of final plan of dike head structure of geotechnical pipe

同时，需要特别指出的是，全断面采用土工管带作为离岸堤主体结构、充填后形成弧形断面的设计理念及施工工艺，在国内尚属首例，在国外类似工程中亦未多见。

2.4 施工工艺

1）管带在生产车间加工定制，采用高强度聚丙烯材料将内衬、土工管带基布、高旦卷曲纤维进行机械缝制，各层采用复合方式结合紧密。同时，每幅原材料之间缝合处加强处理；

2）管带铺排采用打设定位桩定位，通过吸砂泵从纳泥舱吸砂、利用吹砂软管进行充填，因该工艺与传统施工方法相近[5]，不再赘述；

3）上层管带制作时，在自然下垂位置处缝制横隔断；充填时，先充填自然下垂段，充填完毕后简单封堵袖口，待经历1 个高潮和低潮密实后，继续充填至设计要求；然后再进行上层纵向管带充填；

4）管带充砂袖口封堵时，首先绑扎袖口、反塞入管带袖口内部，并采用高强度聚丙烯材料对边缘进行封口缝合处理，缝合时按照间距每7~8 cm打死结；然后清除管带表面浮砂，使用普通硅酮胶覆盖缝合线位置，使用底涂对需涂抹海洋专用胶位置进行处理，该过程底涂需渗透入管带及袖口封盖基布内部，改变砂管材料表面分子构造，从而加强海洋专用胶与管带的黏合度，最后涂抹海洋专用胶后对袖口封盖处理，同时使用海洋专用胶密封封盖基布边缘，为防止胶水凝固过程中基布边角发生翘起，可适当使用不锈钢螺钉加固并密封，见图5；

图5 袖口封盖示意图Fig.5 Schematic diagram of the cuff cover

5）需要特别注意的是施工过程中，分别采用法兰封堵、高强度聚丙烯材料缝合、高强度聚丙烯材料缝合+海洋专用胶工艺进行袖口处理，通过试验对比发现，后者效果最佳；同时，为使海洋专用胶充分凝固，达到预期的处理效果，袖口处理需在落潮、低潮期间进行。反之，则易出现袖口黏贴的封盖基布脱落现象。

2.5 应用效果及效益分析

工程区陆域为乐东龙栖湾波波利海岸旅游度假区，采用沙滩色全断面土工管带，不仅迎合了海南省打造国际旅游岛的契机，而且在海南石料、河砂等原材料严重匮乏的情况下，采用疏浚海砂充填管带极大地提升了与周边环境和谐共存的景观效果。

该工程属乐东县“蓝色海湾项目”，采用土工管带形成685 m 离岸堤，相比于同条件下的传统的抛石斜坡堤结构，节约成本约566.5 万元。

全断面土工管带离岸堤于2017 年8 月10 日开始施工，2018 年4 月20 日完工，期间因各类因素影响，实际施工天数150 日历天。对比同条件下采用抛石斜坡堤、块石护底、人工块体护面结构，施工工期可缩短1~2 个月。另外，采用传统抛石斜坡堤，不仅需要有足够的人工块体预制、存放场地，而且需要有成形的出运码头供扭王字块上驳、安装；同时，传统抛石斜坡堤施工各工序均需水上作业，施工船舶种类多，交叉施工协调难度大。

全断面土工管带离岸堤施工时，管带在生产车间进行制作，无需占地，可通过小型船舶运输至施工区域，且施工期间船舶种类单一，便于生产协调。

相关研究表明，当藻类、牡蛎等在土工管带外露部分繁殖时，不影响管带耐久性、抗腐蚀性、纵横向宽条拉伸强度等，且有助于管带防高强度紫外线辐射能力。

3 国内失败案例主要表现形式及原因分析

全断面土工管带离岸防波堤在龙栖湾沙滩修复工程中的应用是成功的，但在国内也出现过多起失败的案例，其主要表现形式和原因如下[6]：

第1 种表现形式为管带撕裂、破损，由表及里，淘刷较深部位时更促使上层充填管带滑落、撕裂。其原因主要是由于管带原材料纵横向抗撕裂强度低、伸长率高，同时，受强紫外线辐射、海水腐蚀等因素影响，其纵横向抗撕裂强度、耐久性降低。

第2 种表现形式为上层充填管带位移、滑动。其原因是，上层充填管带多位于水位变动区，长期处于最大波浪作用力下，其自身稳定性不足或与下层充填管带之间的滑移摩擦系数较小时，均不足以抵抗最大波压力及波浪浮托力，管带一旦发生位移、滑动，如不及时处理，势必愈演愈烈。

第3 种表现形式为堤身迎浪面根部出现冲刷，导致上层充填管带坍落，在受台风、大风浪袭击时，除最下层外，整个断面充填管带全部被淘光。主要原因是未考虑在施工中不同阶段的结构稳定性，未能及时对充填完成后的管带进行有效防护；或采用了防冲护底、护面措施，但如果其自身稳定性不足，也无法形成有效防护。

第4 种表现形式为发生较大越浪时，堤身背浪面砂管外露部分同样受到冲刷，且呈现位移、滑动现象。主要是未考虑越浪、涌浪等因素影响，或在设计、施工阶段未制定针对性措施。

第5 种表现形式为各层充填管带外露部分管带内砂被波浪掏空。主要是由于管带原材料伸长率较高，导致管带在缝扎严紧的条件下，风浪频繁作用纤维伸长而空隙加大；或管带外露袖口处理措施不当，不能实现对砂管内砂长期、有效的保护。

因此由以上表现形式和原因可以看出，失败案例原因可以归结为管带材料未达到一定的强度和韧性、设计方案未充分进行模型验证和未采取针对性措施。由此来看，龙栖湾沙滩修复工程中使用全断面土工管带离岸防波堤，并充分经过物理模型试验验证，其成功也是必然的。

4 结语

全断面土工管带离岸堤在施工期间及完工后，先后遭遇台风“杜苏芮”、“卡努”、“山神”及2018年7 月22 日北部湾热带风暴等袭击，除迎浪面袖口局部出现封盖基布脱落现象，未见其他形式损毁。工程保质保量地满足各项要求，为其他类似施工条件下的充填管带离岸堤工程设计、施工提供了借鉴。