瓯飞围垦工程海堤护面结构优化断面研究

2022-12-24谢龙，周建

水利技术监督 2022年12期

谢龙，周建

(1.温州市瓯飞经济开发投资有限公司,浙江温州 325025;2.温州市瓯飞开发建设投资集团有限公司,浙江温州 325025)

瓯飞一期围垦工程位于温州市瓯江、飞云江河口间平直岸滩，东临大海，西连瑞安丁山、龙湾永兴、天城、海滨等沿海围垦区，南顺飞云江北岸至长拔山，北顺瓯江口南岸，经批准的规划用海面积为13.28万亩，堤线总长36.6公里，总工期9.5a，概算投资272.9亿元[1]，工程分两阶段实施，主体工程北区于2013年7月份开工。

瓯飞围垦一期工程是全国单体最大的围垦工程，海堤迎潮面永久护面结构与施工期安全度汛结构的设计与施工是围垦工程建设过程中的重点与难点。斜坡堤迎浪面是承受波浪作用的主要部位，其护面结构的整体稳定性对堤坝的安全至关重要[2]。不同的护面结构在波浪作用下受力机制不同，稳定性的表现也有很大不同。因此，有必要对护面不同断面结构稳定性进行研究，通过系列模型试验[3]，观测各度汛断面在不同高潮位和波浪条件下的波浪爬高、越浪量；镇压层、护面垫层的作用情况以确保所优选的方案满足实际工程的稳定性要求。

1 设计断面

本次试验共有3个典型断面：

(1)第1个断面为瓯飞围垦工程海堤度汛断面，即为施工期断面，堤前水深为-3.25m，采用斜坡式方案，堤顶高程为3.8m，采用灌砌块石护面，灌砌块石护面有满灌、条灌、点灌(两种开孔率)[4]等方案，如图1所示；

图1 第1种典型断面

(2)第2个断面为瓯飞围垦工程海堤度汛断面，即为施工期断面，堤前水深为-3.25m，采用斜坡式方案，堤顶高程为3.8m，采用400～800kg大块石护面，如图2所示；

图2 第2种典型断面

(3)第3个断面为瓯飞围垦工程海堤使用期断面，堤前水深为-3.25m，采用复式方案，堤顶高程为7.8m，挡浪墙顶高程为8.8m，如图3所示。

2 各方案比较

2.1 抛填厚度

试验中对各度汛期断面护面进行了双层理抛单重400～800kg块石、厚度为35cm满灌灌砌块石、条灌灌砌块石及点灌灌砌块石等多种不同的方案试验，根据《Rock manual》[5]推荐公式：中值粒径Dn50=(M50/ρ)1/3，厚度t=nktDn50，单层理抛单重为200～300kg块石厚度约为35cm，单层理抛单重400～800kg块石厚度约为57cm，双层理抛单重400～800kg块石厚度约为100cm，单层理抛单重800～1000kg块石厚度约为70cm，双层理抛单重800～1000kg块石厚度约为122cm。

图3 第3种典型断面

表1 块石重量和抛填厚度对应关系

2.2 镇压层坡肩及下斜坡

表2 坡肩及下斜坡护面方案比较

2.3 镇压层后部

对于镇压层后部，各级潮位及相应波浪组合作用下，满灌灌砌块石均失稳，条灌及两种开孔率点灌灌砌块石均稳定，400～800kg块石护面均少数滚动，失稳率[7]均没有超过5%，除了满灌灌砌块石以外，其余各种护面型式均可行，可根据施工条件、石料来源及综合造价选用，具体见表3。

2.4 斜坡

根据表4可知，对于巨石堆，20年一遇潮位及相应20年一遇波浪作用下，3.8m高程以上部分均失稳，平均高潮位2.46m及相应50年一遇波浪作用下，3.8m高程以上大部分失稳，但未引起度汛堤整体垮塌，对于度汛期断面而言，是能满足要求的，50年一遇高潮位及相应50年一遇波浪仅半小时作用下，巨石堆3.8m以上部分完全失稳，迎浪面斜坡块石也大量滚动，而采用点灌灌砌块石斜坡上护面满足稳定要求。在平均高潮位2.46m下，满灌灌砌块石临界稳定，而条灌及点灌灌砌块石均满足稳定要求，可见和满灌灌砌块石相比，斜坡采用条灌灌及点灌施工方式，承受波浪的重现期可以从20年一遇提高到50年一遇。

2.5 各方案在不同重现期波浪作用下稳定重量(厚度)情况

表5为度汛断面镇压层及迎浪面斜坡灌砌块石护面稳定厚度及大块石护面块石稳定重量，从表中可知，总体上点灌稳定性优于条灌，条灌稳定性优于满灌[8]。

采用满灌灌砌块石，20年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为75cm，斜坡稳定厚度为60cm；50年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为110cm。

采用条灌灌砌块石，透空率为11.8%，20年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为35cm，斜坡稳定厚度为35cm；50年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为70cm。

表3 镇压层后部各方案稳定情况

表4 斜坡及巨石堆稳定情况

表5 度汛断面不同重现期波浪作用下稳定厚度(重量)

采用点灌灌砌块石，透空率为12.1%，20年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为35cm，斜坡稳定厚度为35cm；50年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为70cm。

采用点灌灌砌块石，透空率为12.4%，20年一遇波浪作用下，镇压层稳定厚度为35cm，斜坡稳定厚度为35cm；50年一遇波浪作用下，镇压层厚度为35cm时，灌砌块石轻微跳动，稳定厚度大于35cm，建议厚度为50cm[9]。

镇压层采用大块石护面时，20年一遇波浪作用下，镇压层块石稳定重量为400～800kg，该方案块石少量滚动，个别地方露出堤心石；50年一遇波浪作用下，稳定重量为800～1000kg，该工况方案块石少量滚动，个别地方露出堤心石。

度汛断面堤顶采用大块石抛填形成巨石堆时，20年一遇波浪作用下，巨石堆满足要求的块石重量为400～800kg，该方案块石大量滚动，经过波浪相当于原型3个小时作用后，3.8m高程以上部分块石几乎全部失稳，但未引起度汛堤整体垮。

综上所述，采用灌砌块石，块石重量可以大幅减小，20年一遇波浪作用下，采用重量为200～300kg块石单层灌砌，不论采用条灌、点灌均能满足稳定要求；50年一遇作用下，采用重量为400～800kg块石单层点灌能满足稳定要求，采用重量为800～1000kg块石单层条灌能满足稳定要求。点灌灌砌块石两个方案之间开孔率、点灌灌砌块石和条灌灌砌块石之间开孔率相差不大，但稳定差别很大，两种灌砌块石主要区别在于点灌灌砌块石的开孔有一部分位于中间，开孔位置更为均匀，由此可见，同样开孔率条件下，开孔位置越均匀分布，灌砌块石稳定性越好，在理抛、灌浆施工时，须注意控制开孔位置[10]。

3 度汛断面推荐方案

综合前面研究成果，度汛断面推荐方案为点灌灌砌块石和堤顶巨石组合方案，如图4所示，堤脚块石单重为大于300kg；迎浪面镇压平台和抛石棱体采用1∶4斜坡连接，镇压平台上设置1∶2斜坡和堤顶连接，镇压平台及下斜坡采用厚度为35cm点灌灌砌块石，灌砌块石开孔率不低于12.4%，堤顶采用单重400～800kg块石抛填形成巨石堆。

图4 度汛断面推荐方案

4 结论

4.1 各典型断面方案优劣

(1)断面1为度汛期断面灌砌块石护面，采用厚度为35cm满灌灌砌块石不能满足要求；厚度为35cm条灌灌砌块石，镇压层坡肩不能满足要求，其余各部位满足稳定要求；厚度为35cm点灌灌砌块石，仅个别地方极轻微跳动，各部位均满足稳定要求，因此推荐断面可以采用厚度为35cm点灌灌砌块石。

(2)断面2为度汛期断面大块石护面，采用400～800kg大块石护面，经过波浪相当于原型3个小时作用后，镇压层坡肩及下斜坡大量块石滚动，局部露出堤心石，但未引起堤心石大量淘刷，对于度汛期断面而言，可认为满足要求；镇压层后部少数块石滚动，个别地方露出堤心石，满足稳定要求；巨石堆在50年一遇高潮位及相应50年一遇波浪组合作用下，不能满足要求，在20年一遇潮位及相应20年一遇波浪作用下、平均高潮位及相应50年一遇波浪作用下、平均高潮位及相应20年一遇波浪作用下，虽然大量块石滚动，但未引起断面整体垮塌，可认为满足度汛期要求。巨石堆及镇压平台坡肩等部位大量块石滚动，大风大浪等恶劣天气过后需注意检修补充石料。堤顶在50年一遇高潮位及相应50年一遇波浪组合作用下，不能满足要求，在20年一遇潮位及相应20年一遇波浪作用下、平均高潮位及相应50年一遇波浪作用下、平均高潮位及相应20年一遇波浪作用下，堤顶堤心石被不同程度淘刷，最深处达1.2m左右，但未危及整个断面稳定。汛期过后，需注意对堤顶检修。

(3)断面3为使用期断面，护脚单重大于300kg抛石棱体坡肩变形，但未危及镇压平台下斜坡稳定，满足要求；镇压平台坡肩及下斜坡采用400～800kg大块石护面局部露出堤心石，不能满足要求，采用开孔率为12.4%厚度为35cm点灌灌砌块石轻微跳动；镇压层后部采用35cm条灌及点灌灌砌块石满足稳定要求，满灌灌砌块石不能满足稳定要求，由于点灌灌砌块石间混凝土量较少，要特别关注块石间连接，建议适当增加灌砌块石厚度；8t扭王字块体满足稳定要求，扭王字块垫层各方案均满足稳定要求，建议采用块石或点灌灌砌块石作为垫层；越浪量较小，50年一遇设计高潮位及相应50年一遇波浪作用下，越浪量[11]为0.0062m3/(m·s)，使用期其余各部位满足稳定要求。