劉林松，臧振濤，林 波，高 健

(1.浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018；2.浙江水院勘測設(shè)計研究有限公司，杭州 310018)

作為一種較經(jīng)濟的海防建筑物，海堤主要利用堤身及防浪墻消散阻擋堤前的波浪，保護后方安全。在海堤工程設(shè)計中，由于理砌塊石和灌砌塊石護面結(jié)構(gòu)具有成本低廉、取材方便、消浪效果較好等特點，被廣泛應(yīng)用于迎水面鎮(zhèn)壓層護面結(jié)構(gòu)[1]等部位。但由于鎮(zhèn)壓層屬于海堤外側(cè)，在遇到臺風(fēng)期低潮位時，往往會發(fā)生塊石“跳脫”、“翻滾”或護面“脫空”等現(xiàn)象，影響護面結(jié)構(gòu)安全及外觀[2]。

結(jié)合孫德勇等人提出的塊石護面結(jié)構(gòu)與塊石間的嵌固力成正比的理論[3]以及陳振華等人提出的混凝土半灌砌石護面結(jié)構(gòu)[2]，為了提高鎮(zhèn)壓層砌石類護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及塊石的利用率，降低維護成本，在溫州甌飛圍墾工程一期實施中，通過利用理論計算及現(xiàn)場試驗對海堤塊石護面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，分析塊石護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提出合理的護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 工程概況

溫州甌飛圍墾工程位于浙東南沿海甌江河口和飛云江河口之間的灘涂區(qū)域，一期圍墾面積為88.53 km2，二期為193.33 km2，工程建成后將極大的緩解溫州市用地緊張的局面，計劃總工期共9.5 a，估算總投資273億元[4]。依據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(GB/T 51015-2014)[5]、《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)[6]相關(guān)設(shè)計要求，甌飛圍墾工程設(shè)計為斜坡式護面結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 甌飛圍墾工程設(shè)計斷面圖Fig.1 Schematic diagram of Oufei reclamation project

圖2 試驗區(qū)地理位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test area location

為了避免鎮(zhèn)壓層(1.0～-0.5 m高程)塊石護面結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)期發(fā)生“跳脫”、“翻滾”等現(xiàn)象，減少工程維修成本，保護后方安全，同時為了充分利用料場塊石，在甌飛一期圍墾北片的南端、2#隔堤與主堤交接處“觀景平臺”的北側(cè)，風(fēng)浪條件最惡劣區(qū)域(如圖2所示)開展海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

2 塊體穩(wěn)定重量

依據(jù)《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)中有關(guān)塊體穩(wěn)定重量的相關(guān)要求，當(dāng)波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于22.5°，且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在計算水位上、下1.0倍設(shè)計波高之間的護面塊體，單個塊體的穩(wěn)定重量可按Hudson公式計算。對于設(shè)計波浪平均周期大于10 s或設(shè)計波高與設(shè)計波長之比小于1/30的坦波，塊體重量應(yīng)進(jìn)行模型試驗驗證。

(1)

式中：W為單個塊體的穩(wěn)定重量，t；γb為塊體材料的重度，kN/m3；H為設(shè)計波高，m；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；α為斜坡與水平面的夾角，(°)；γ為水的重度，kN/m3。

試驗區(qū)防潮(洪)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，其相關(guān)水文情況見表1。

表1 50 a一遇水文統(tǒng)計表Tab.1 Hydrologic statistics for 50 years

注：*為波浪破碎，波向為ESE。

由于周期大于10 s，在采用規(guī)范公式進(jìn)行塊體重量計算的同時，在河海大學(xué)風(fēng)浪水槽中進(jìn)行相關(guān)實驗，水槽長為80 m，寬為1.0 m，高為1.5 m，水槽一端安裝不規(guī)則造波機，另一端設(shè)置消波系統(tǒng)，水槽縱向分為兩部分，一部分鋪設(shè)試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射，水槽的一端配有消浪緩坡設(shè)施，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機，相關(guān)波浪要素由計算機自動控制產(chǎn)生。模型按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，結(jié)合波要素、試驗斷面及設(shè)備性能等因素，確定斷面模型長度比尺為λ=31，時間比尺λt=λ1/2，壓強比尺λp=λ，越浪量比尺λq=λ3/2。

結(jié)合規(guī)范計算以及室內(nèi)物理試驗結(jié)果，試驗區(qū)所在堤段鎮(zhèn)壓層需采用“單重大于800 kg、厚度大于80 cm、至少有2個大致平行面”的理砌塊石護面結(jié)構(gòu)。

3 現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗方案

結(jié)合甌飛圍墾工程原設(shè)計斷面結(jié)構(gòu)形式，在試驗區(qū)開展混凝土半灌塊石護面結(jié)構(gòu)的試驗研究，并與原設(shè)計尺寸的鎮(zhèn)壓層理砌護面結(jié)構(gòu)(簡稱：足尺理砌塊石護面結(jié)構(gòu))作為對比。

試驗區(qū)1(足尺理砌塊石護面結(jié)構(gòu))：護面尺寸50 m×20 m，塊石平均重量800 kg，平均厚度70 cm(考慮到料源不足，以及實際試驗時難以遇見物理試驗工況，將塊石厚度降低至70 cm)，理砌時，塊石間距小于15 cm。試驗段樁號為2+070 ～ 3+020。

試驗區(qū)2-1(混凝土半灌塊石護面結(jié)構(gòu))：護面尺寸10 m×20 m，塊石平均重量400 kg，平均厚度50 cm，采用混凝土半灌工藝[7]增加塊石間的嵌固力。試驗段樁號為0+020 ～ 0+030。

試驗區(qū)2-2(混凝土半灌塊石護面結(jié)構(gòu))：護面尺寸10 m×20 m，塊石平均重量100～150 kg，平均厚度35 cm，采用混凝土半灌工藝增加塊石間的嵌固力。試驗段樁號為0+040 ～ 0+050。

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 數(shù)據(jù)采集及分析

為了達(dá)到試驗效果，獲得試驗區(qū)相關(guān)斷面發(fā)生破壞時的波浪要素，在試驗區(qū)布設(shè)了水位計、波浪儀和測風(fēng)儀等設(shè)備。試驗區(qū)于2016年7月完工，此后經(jīng)歷了對其影響最大的17號臺風(fēng)“鲇魚”(農(nóng)歷八月二十七、二十八)，臺風(fēng)期間最大風(fēng)速為22.3 m/s，相關(guān)波高、潮位變化見圖3。由圖3可知，臺風(fēng)“鲇魚”期間，正是天文小潮期，且最大波高達(dá)到3.17 m，最高潮位為3.66 m，對鎮(zhèn)壓平臺影響最大。

圖3 臺風(fēng)“鲇魚”期間試驗區(qū)潮位及 波高隨時間變化曲線圖Fig.3 Tide and wave of test region changes with time during Typhoon Megi

3.2.2 試驗結(jié)果

通過對比臺風(fēng)“鲇魚”前后試驗區(qū)鎮(zhèn)壓層相關(guān)護面結(jié)構(gòu)面貌，觀察統(tǒng)計其穩(wěn)定情況，相關(guān)試驗結(jié)果見表2。

表2 臺風(fēng)“鲇魚”后試驗區(qū)鎮(zhèn)壓層護面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況Tab.2 Pavement structure stable situation of test after Typhoon Megi

圖4 臺風(fēng)“鲇魚”過后試驗區(qū)1現(xiàn)場失穩(wěn)照片F(xiàn)ig.4 Instability situation of test 1 after Typhoon Megi

5-a 試驗區(qū)2-15-b 試驗區(qū)2-2圖5 臺風(fēng)“鲇魚”過后試驗區(qū)2-1和2-2現(xiàn)場穩(wěn)定照片F(xiàn)ig.5 Stability situation of test 2-1 and 2-2 after Typhoon Megi

3.3 塊石相互作用分析

Hudson公式是通過對塊石受力簡化分析求得，未考慮塊石間的相互作用力，使得該公式在計算應(yīng)用中過于保守。通過鎮(zhèn)壓層塊石護面現(xiàn)場試驗結(jié)果可以看出，塊石間的相互作用力對護面結(jié)構(gòu)的影響很大，通過采用合適的方式(如灌注混凝土)增加塊石間的作用力，可極大地提高塊石的整體穩(wěn)定性。但如果全面灌砌(如灌砌塊石)，則會因孔隙率不足而發(fā)生波浪上托力過大、下墊層或反濾層破壞導(dǎo)致護面失穩(wěn)，且由于塊石護面表面被抹平，進(jìn)而極大地削弱了護面結(jié)構(gòu)的消浪性能。

3.4 護面塊石穩(wěn)定性分析

K.W. Pilarczyk[8]通過對波浪作用下護面砌塊失穩(wěn)問題進(jìn)行研究，從護坡結(jié)構(gòu)組成方面提出引起護面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原因主要包括波浪上托力過大、墊層和反濾層破壞、下層土體失穩(wěn)以及護面層滑動。

從鎮(zhèn)壓層塊石護面結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗結(jié)果可以看出，在臺風(fēng)與小潮耦合作用時，由試驗區(qū)1可知，理砌塊石護面結(jié)構(gòu)雖然具有很好的透水性和消浪性能，但由于其塊石之間的相互作用力不足，僅依靠塊石自重抵抗風(fēng)浪作用，使得其整體穩(wěn)定性差，當(dāng)局部塊石發(fā)生失穩(wěn)后，會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，進(jìn)而影響護面使用功能；由試驗區(qū)2可知混凝土半灌塊石護面結(jié)構(gòu)，雖然其塊石重量小(如試驗區(qū)2-2，塊石重僅在100～150 kg)，但由于采用混凝土半灌工藝，使得其在具有較好的透水性和消浪性能的情況下，提高了塊石間的相互作用力(取芯檢測混凝土與塊石間的粘結(jié)強度為0.48 MPa)，進(jìn)而提高了塊石護面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4 護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到現(xiàn)場試驗的塊石尺寸、臺風(fēng)“鲇魚”的相關(guān)波浪要素、甌飛圍墾工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)以及料場塊石開采情況等因素，鎮(zhèn)壓層塊石護面結(jié)構(gòu)由“理砌塊石”更改為“混凝土半灌塊石”(圖6)，在滿足護面設(shè)計厚度的情況下，塊石重量指標(biāo)降至400 kg，同時采用框格尺寸5 m×5 m、邊框1 m寬范圍不灌砼留作排水帶、中間灌注60 cm厚混凝土的規(guī)則灌注法半灌混凝土塊石結(jié)構(gòu)?；炷凉嘧r，塊石縫中灌注量不小于30%，灌注后需保證塊石露面并清掃干凈，沿海堤線間隔5 m留0.5～1 m排水帶，經(jīng)現(xiàn)場隨機測量(測量平面不小于25 m2)，混凝土半灌塊石護面結(jié)構(gòu)整體透空率在10%～13%。

6-a 理砌大塊石護面6-b 半灌混凝土塊石護面圖6 海堤護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖Fig.6 Comparison of pavement structure of sea wall before and after optimization

2017年10月，針對甌飛圍墾工程海堤沿線長約36.66 km，涉及110萬m2的鎮(zhèn)壓層，采用了本次塊石護面優(yōu)化研究成果進(jìn)行優(yōu)化加固，以提高塊石利用率以及護面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)浪能力。優(yōu)化后的鎮(zhèn)壓平臺護面結(jié)構(gòu)經(jīng)受了2017(泰利，最大風(fēng)速達(dá)8級，最大波高約1.7 m，最高潮位約3.5 m)、2018(康妮，最大風(fēng)速達(dá)10級，最大波高約3.1 m，最高潮位約3.7 m)的多次臺風(fēng)考驗，確保了工程質(zhì)量、進(jìn)度和安全。

5 結(jié)語

海堤鎮(zhèn)壓層主要起到消能、消減波浪爬高、增加堤身穩(wěn)定等作用，結(jié)合甌飛圍墾工程的實際情況，進(jìn)行了海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，研究成果對甌飛圍墾工程以及相關(guān)海堤工程具有重要的參考意義。

(1)理砌塊石護面結(jié)構(gòu)雖然具有很好的消浪性能和透水性能，但是由于塊石間的相互作用差，主要依靠自身重量保持穩(wěn)定，使得其護面整體性差，已發(fā)生“跳脫”、“翻滾”及“移位”等現(xiàn)象。

(2)在保證塊石護面結(jié)構(gòu)具有較好的消浪性能和透水性能的前提下，采用混凝土半灌工藝增加塊石間塊石間的相互作用力，可極大地提高塊石護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(3)在料原不足或塊石不滿足理砌要求時，適當(dāng)減小塊石重量，采用“側(cè)砌”、“豎砌”(滿足厚度設(shè)計要求)，并利用混凝土半灌工藝能極大地提高護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(4)采用混凝土半灌工藝的塊石護面結(jié)構(gòu)與灌砌塊石護面結(jié)構(gòu)相比，其具有較好的消浪性能和透水性能，能夠極大地提高其抗風(fēng)浪性能，同時還具有造價低、外觀自然生態(tài)、整體穩(wěn)定性和個體穩(wěn)定性好等特點。

(5)海堤鎮(zhèn)壓層塊石護面結(jié)構(gòu)優(yōu)化成果不僅僅局限于鎮(zhèn)壓層結(jié)構(gòu)，也適用于海堤扭王塊下墊層、促淤壩以及相關(guān)新建及加固的塊石護面結(jié)構(gòu)。