王小磊

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

隨著海平面上升，海洋動(dòng)力條件俞加惡劣，沙灘侵蝕現(xiàn)象日趨明顯。目前，在沙灘修復(fù)或人工沙灘建設(shè)中，為了減小外海入射波高對沙灘區(qū)域的影響，在距沙灘一定距離海域建設(shè)離岸式防波堤是一種常用的方法，其防波堤結(jié)構(gòu)形式一般采用拋石堆填結(jié)構(gòu)。拋石實(shí)體結(jié)構(gòu)防波堤存在多種缺點(diǎn)，一是防波堤工程施工多在水上進(jìn)行，由于施工時(shí)石塊填料距離工地太遠(yuǎn)，導(dǎo)致運(yùn)輸困難，成本大幅增加；二是隨著國家對開采石料的限制，石料來源不太確定；三是沙灘修復(fù)或人工沙灘項(xiàng)目多為旅游或生態(tài)項(xiàng)目，對環(huán)境影響較為敏感，拋石實(shí)體結(jié)構(gòu)堤對海洋生態(tài)環(huán)境影響較大。

以大型土工管帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，自20 世紀(jì)70 年代引入我國，至今已在海港工程臨時(shí)及永久性圍堰、護(hù)岸、航道整治、填海造地、人工島、接岸引堤、防波堤等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)具有工期短、造價(jià)節(jié)省、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在海南熱帶海洋性季風(fēng)氣候明顯的無掩護(hù)海域，全斷面采用土工管帶作為離岸式防波堤主體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段國內(nèi)外可供借鑒的成熟工藝和經(jīng)驗(yàn)并不多。

本文在總結(jié)了充填土工管帶在國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，依托海南龍棲灣沙灘修復(fù)工程對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究，并分析了國內(nèi)其他案例失敗的原因，以供參考。

1 充填土工管帶在國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，土工管帶由于其工期短、造價(jià)節(jié)省、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多涉水領(lǐng)域都有應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)如下：

1）臨時(shí)及永久性圍堰、護(hù)岸：多建設(shè)于港池內(nèi)，屬有掩護(hù)水域，受波浪長期作用小，在施工完后或被后續(xù)工序掩蓋，或被拆除，后續(xù)維護(hù)、更換較便利。

2）航道整治工程：多位于內(nèi)河入?？谒聟^(qū)，或離陸域較近，水深較淺，受波浪、涌浪、漲落潮影響較小。

3）填海造地、人工島、接岸引堤：多位于有掩護(hù)水域，或堤身軸線避開常浪向、強(qiáng)浪向設(shè)置，一般不允許越浪，并輔以水下防沖鋼板樁、塊石護(hù)坡、人工塊體護(hù)面、石籠等結(jié)構(gòu)，尤其是填海造地、人工島工程，將土工管帶與輔助結(jié)構(gòu)、陸域有機(jī)的形成整體，極大的增強(qiáng)了土工管帶的穩(wěn)定性[2-3]。

4）土工管帶離岸防波堤：其工程區(qū)海域基本為無掩護(hù)水域，堤身軸線多垂直于常浪向、強(qiáng)浪向設(shè)置，長期位于水位變動(dòng)區(qū)，受波浪、涌浪作用時(shí)間長、作用力大，且離岸堤一般遠(yuǎn)離陸域、水深較深、允許有少量越浪，其迎浪面、背浪面穩(wěn)定性均依靠充填土工管帶自身重力實(shí)現(xiàn)，施工期結(jié)構(gòu)一旦受臺風(fēng)、熱帶風(fēng)暴襲擊，受損嚴(yán)重時(shí)幾乎無法進(jìn)行維護(hù)。

土工管帶離岸防波堤成功案例多輔以其他結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)堤身穩(wěn)定性。而輔以塊石護(hù)坡、人工塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)時(shí)，一般要求塊石規(guī)格、人工塊體重量較大，工序繁多、施工協(xié)調(diào)難度大、工期壓力大，且兼顧拋填時(shí)對土工管帶外露部分的成品保護(hù)，較小則自身穩(wěn)定性不足，無法對充填土工管帶進(jìn)行有效保護(hù)；而輔以石籠護(hù)面結(jié)構(gòu)的充填土工管帶離岸防波堤，人工作業(yè)量大，機(jī)械化程度低，成本較高，因此，全斷面采用充填土工管帶作為離岸式防波堤主體結(jié)構(gòu)，雖困難重重，但勢在必行。

2 全斷面土工管帶離岸防波堤及其應(yīng)用

2.1 工程區(qū)概況

2.1.1 氣象條件

樂東龍棲灣岸線修復(fù)暨岸灘補(bǔ)砂工程地處北回歸線以南的熱帶北緣，受海洋性氣候影響較大，熱帶海洋性季風(fēng)氣候明顯：全年雨量充沛，干濕季明顯，常年風(fēng)大，熱帶氣旋影響頻繁，氣候資源多樣。統(tǒng)計(jì)1981—2010 年期間登陸或影響工程區(qū)海域的臺風(fēng)有31 個(gè)，年平均1.0 個(gè)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴10 個(gè)；年平均0.3 個(gè)；熱帶風(fēng)暴9 個(gè)，年平均0.3 個(gè)。

2.1.2 水文條件

龍棲灣潮汐性質(zhì)為不正規(guī)日潮型，每月7~10 d出現(xiàn)每天2 次高潮2 次低潮，其余時(shí)間每天出現(xiàn)1 次高潮1 次低潮。工程區(qū)海域潮流為明顯的往復(fù)流，潮流方向基本平行于等深線；漲潮流流向NW 向，落潮流流向SE 向，統(tǒng)計(jì)工程區(qū)海域9 個(gè)站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)：各站表層流速介于16.39~109.22 cm/s 之間，中層流速介于11.92~138.88 cm/s 之間，底層流速介于10.16~97.88 cm/s 之間。除1、4 號站落潮流較強(qiáng)于漲潮流外，其余各站落潮流速小于漲潮流速。最大漲潮流發(fā)生時(shí)刻基本上在高潮前1~3 h，最大落潮流速發(fā)生在低潮前2~4 h。風(fēng)浪年總出現(xiàn)頻率為80%，涌浪年總出現(xiàn)頻率為41%，風(fēng)浪波型為主要特征。波向特征：風(fēng)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。

各基面關(guān)系如圖1 所示。

圖1 各基面關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of each basic surface

潮位特征值（1985 國家高程基準(zhǔn)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。

設(shè)計(jì)水位：

設(shè)計(jì)高水位1.90 m，設(shè)計(jì)低水位-0.32 m，極端高水位2.74 m，極端低水位-1.19 m。

2.1.3 地質(zhì)條件土層自上而下依次為中砂、含砂粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、中等風(fēng)化花崗巖。

2.2 設(shè)計(jì)方案

工程重現(xiàn)期按50 a 一遇設(shè)計(jì)，堤頂允許少量越浪。

結(jié)合國內(nèi)充填土工管帶失敗案例的主要表現(xiàn)形式及原因分析，在全斷面土工管帶離岸堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，制定以下針對性措施[4]（見圖2）。

圖2 土工管帶初步設(shè)計(jì)斷面圖Fig.2 Cross section of the preliminary design of geotechnical pipe

1）土工管帶及內(nèi)襯原材料均選用100%PP 原生料：海水浸泡30 a 物理性能衰減≤5%。禁止摻入有害回料或再生性PP、PE、PA 而影響產(chǎn)品長期使用壽命。其中，內(nèi)襯基布物理性能要求為：各向等性、單位面積質(zhì)量120~150 g/m2、寬條拉伸強(qiáng)度≥8 kN/m、滲透系數(shù)≥0.2 cm/s、等效孔徑≤0.2 mm 的保砂防刺破輔料。

下層管帶（域型）物理性能要求為：抗光老化能力（500 h）≥90%、抗磨損性能≥80%、縱橫向?qū)挆l拉伸強(qiáng)度≥210 kN/m、斷裂伸長率≤13%、縫合強(qiáng)度≥180 kN/m、單位面積質(zhì)量≤1 000 g/m2。單根砂管長45.4 m、截面周長15.7 m、填充后截面面積14.38 m2、單重980 t。

2）上層管帶（芋型）物理性能要求同土工管帶域型，其外露面縫制一層沙灘色、抗光老化能力（500 h）≥98%（理論值應(yīng)無折減）、抗磨損性能≥90%、厚度≥3.0 mm、表層纖維立體狀（砂可飽滿嵌入）的耐久復(fù)合纖維基布。單根土工管帶長45.4 m、截面周長15.7 m、填充后截面面積14.38 m2、單重980 t。

3）在堤身迎浪面、背浪面底部均設(shè)置單根土工管帶長45.4 m、截面周長3 m、填充后截面面積0.55 m2、單重38 t 的防沖護(hù)坦（土工管帶郁型），防止根部沖刷造成上層管帶坍落。物理性能要求如下：抗光老化能力（500 h）≥90%、抗磨損性能≥70%、縱橫向?qū)挆l拉伸強(qiáng)度≥90 kN/m、斷裂伸長率≤13%、縫合強(qiáng)度≥70 kN/m、單位面積質(zhì)量≤475 g/m2。

4）通過物模試驗(yàn)論證上述結(jié)構(gòu)在各階段波浪要素作用下的穩(wěn)定性以及波浪對充填管帶結(jié)構(gòu)的影響。

5）管帶外露部分縫制高旦卷曲纖維，防止高強(qiáng)度紫外線輻射對砂管老化造成的影響。并在施工期采用不同的袖口處理方案，對比優(yōu)化袖口處理工藝。

2.3 穩(wěn)定性與消浪效果物模試驗(yàn)論證

2.3.1 物理模型建立

離岸堤施工水域平均原泥面為-2.7 m，采用1頤15 的幾何比例尺建立全斷面充填土工管帶離岸堤模型試驗(yàn)，配以無慣性電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不規(guī)則波造波機(jī)，微機(jī)控制造波與數(shù)據(jù)采集。造波機(jī)后部及水槽尾部安裝消能網(wǎng)、消能架空斜坡等消能設(shè)備，以盡量避免波浪反射。采用DS30 型浪高測量系統(tǒng)，同步測量多點(diǎn)波面過程并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而測試管帶離岸堤斷面的穩(wěn)定性。

2.3.2 試驗(yàn)?zāi)M過程

1）抽取管帶原材料試樣，檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求；

2）通過調(diào)整波浪要素，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)高水位、極端高水位狀態(tài)下，上層迎浪面管帶穩(wěn)定性；通過調(diào)整上、下層管帶材料紋路方向，確定材料間滑移摩擦系數(shù)；

3）通過調(diào)整防沖護(hù)坦周長、充填高度，模擬護(hù)坦對堤身根部的防沖刷效果；

4）通過調(diào)整波浪要素，檢驗(yàn)臺風(fēng)浪、越浪、涌浪發(fā)生時(shí)，迎浪面、背浪面管帶穩(wěn)定性。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過二維斷面波浪物理模型試驗(yàn)，得出如下結(jié)果：

1）抽取的管帶原材料試樣各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求；

2）管帶材料滑移摩擦系數(shù)與材料紋路方向有關(guān)，上、下層管帶縱、橫向布置時(shí)，有利于上層砂管穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，不穩(wěn)定管帶均出現(xiàn)在上層，對管帶滑動(dòng)作用影響最大的水位主要集中在極端高水位與設(shè)計(jì)高水位，最不利水位為平頂附近水位。在較大波浪作用下，上層管帶首先表現(xiàn)為迎浪面抬升震蕩，繼而滑移，隨波浪連續(xù)作用時(shí)間的延長，滑移量逐步增大；此外，管帶內(nèi)填砂隨波浪的作用，不斷被壓實(shí)并在管帶內(nèi)向后方推移，導(dǎo)致管帶截面變形，迎浪面管帶厚度逐漸變薄，增大了管帶前區(qū)的抬升運(yùn)動(dòng)；

3）護(hù)坦截面周長加長為6 m、填充飽和度與原設(shè)計(jì)一致時(shí)，護(hù)坦基本穩(wěn)定，但護(hù)坦和堤體之間的泥沙被沖刷，護(hù)坦管帶失效后，將導(dǎo)致堤體前基礎(chǔ)被淘刷，堤體管帶下沉，在低水位時(shí)，淘刷相對明顯；

4）在極端高水位、臺風(fēng)作用下發(fā)生越浪、風(fēng)涌混合型浪時(shí)，背浪面上層管帶同樣出現(xiàn)抬升震蕩、繼而滑移、滑移量逐步增大的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)上層管帶滑移失穩(wěn)；

5）在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上做出如下優(yōu)化：

①加大上層管帶截面積、周長，上層管帶縱向布置，并在堤身處向迎浪面自然下垂，在堤頭處分別向迎浪面、背浪面自然下垂。該項(xiàng)優(yōu)化可對迎浪面、背浪面形成保護(hù)，降低迎浪面波浪浮托力對上層管帶滑移的影響；并與下層管帶形成整體，提高堤身穩(wěn)定性；同時(shí)可減少管帶外露根數(shù)，對下層管帶形成保護(hù)；

②500 mm 厚防沖護(hù)坦優(yōu)化為1 000 m 厚砂被（物理性能要求同防沖護(hù)坦），并在堤身下滿鋪，堤身內(nèi)、外側(cè)鋪設(shè)寬度6 m。該項(xiàng)優(yōu)化可在提高砂被穩(wěn)定性的同時(shí)，降低波浪對堤身根部的沖刷；

③下層管帶橫向布置、堤頭處設(shè)置縱向堵頭，中間管帶更換為郁型。該項(xiàng)優(yōu)化可提高管帶間滑移摩擦系數(shù)，提高上層管帶穩(wěn)定性，減少堤頭處管帶外露根數(shù)，降低材料成本。

經(jīng)過多組結(jié)構(gòu)形式的反復(fù)試驗(yàn)，最終確定實(shí)施方案如圖3 和圖4 所示。優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案經(jīng)物理模型試驗(yàn)檢驗(yàn)，在50 a 一遇重現(xiàn)期波浪24 h 作用后，上層管帶未見滑移，斷面整體穩(wěn)定，根部未見沖刷。

圖3 土工管帶堤身結(jié)構(gòu)最終方案斷面圖Fig.3 Cross section of final plan of dike body structure of geotechnical pipe

圖4 土工管帶堤頭結(jié)構(gòu)最終方案斷面圖Fig.4 Cross section of final plan of dike head structure of geotechnical pipe

同時(shí)，需要特別指出的是，全斷面采用土工管帶作為離岸堤主體結(jié)構(gòu)、充填后形成弧形斷面的設(shè)計(jì)理念及施工工藝，在國內(nèi)尚屬首例，在國外類似工程中亦未多見。

2.4 施工工藝

1）管帶在生產(chǎn)車間加工定制，采用高強(qiáng)度聚丙烯材料將內(nèi)襯、土工管帶基布、高旦卷曲纖維進(jìn)行機(jī)械縫制，各層采用復(fù)合方式結(jié)合緊密。同時(shí)，每幅原材料之間縫合處加強(qiáng)處理；

2）管帶鋪排采用打設(shè)定位樁定位，通過吸砂泵從納泥艙吸砂、利用吹砂軟管進(jìn)行充填，因該工藝與傳統(tǒng)施工方法相近[5]，不再贅述；

3）上層管帶制作時(shí)，在自然下垂位置處縫制橫隔斷；充填時(shí)，先充填自然下垂段，充填完畢后簡單封堵袖口，待經(jīng)歷1 個(gè)高潮和低潮密實(shí)后，繼續(xù)充填至設(shè)計(jì)要求；然后再進(jìn)行上層縱向管帶充填；

4）管帶充砂袖口封堵時(shí)，首先綁扎袖口、反塞入管帶袖口內(nèi)部，并采用高強(qiáng)度聚丙烯材料對邊緣進(jìn)行封口縫合處理，縫合時(shí)按照間距每7~8 cm打死結(jié)；然后清除管帶表面浮砂，使用普通硅酮膠覆蓋縫合線位置，使用底涂對需涂抹海洋專用膠位置進(jìn)行處理，該過程底涂需滲透入管帶及袖口封蓋基布內(nèi)部，改變砂管材料表面分子構(gòu)造，從而加強(qiáng)海洋專用膠與管帶的黏合度，最后涂抹海洋專用膠后對袖口封蓋處理，同時(shí)使用海洋專用膠密封封蓋基布邊緣，為防止膠水凝固過程中基布邊角發(fā)生翹起，可適當(dāng)使用不銹鋼螺釘加固并密封，見圖5；

圖5 袖口封蓋示意圖Fig.5 Schematic diagram of the cuff cover

5）需要特別注意的是施工過程中，分別采用法蘭封堵、高強(qiáng)度聚丙烯材料縫合、高強(qiáng)度聚丙烯材料縫合+海洋專用膠工藝進(jìn)行袖口處理，通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，后者效果最佳；同時(shí)，為使海洋專用膠充分凝固，達(dá)到預(yù)期的處理效果，袖口處理需在落潮、低潮期間進(jìn)行。反之，則易出現(xiàn)袖口黏貼的封蓋基布脫落現(xiàn)象。

2.5 應(yīng)用效果及效益分析

工程區(qū)陸域?yàn)闃窎|龍棲灣波波利海岸旅游度假區(qū)，采用沙灘色全斷面土工管帶，不僅迎合了海南省打造國際旅游島的契機(jī)，而且在海南石料、河砂等原材料嚴(yán)重匱乏的情況下，采用疏浚海砂充填管帶極大地提升了與周邊環(huán)境和諧共存的景觀效果。

該工程屬樂東縣“藍(lán)色海灣項(xiàng)目”，采用土工管帶形成685 m 離岸堤，相比于同條件下的傳統(tǒng)的拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本約566.5 萬元。

全斷面土工管帶離岸堤于2017 年8 月10 日開始施工，2018 年4 月20 日完工，期間因各類因素影響，實(shí)際施工天數(shù)150 日歷天。對比同條件下采用拋石斜坡堤、塊石護(hù)底、人工塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)，施工工期可縮短1~2 個(gè)月。另外，采用傳統(tǒng)拋石斜坡堤，不僅需要有足夠的人工塊體預(yù)制、存放場地，而且需要有成形的出運(yùn)碼頭供扭王字塊上駁、安裝；同時(shí)，傳統(tǒng)拋石斜坡堤施工各工序均需水上作業(yè)，施工船舶種類多，交叉施工協(xié)調(diào)難度大。

全斷面土工管帶離岸堤施工時(shí)，管帶在生產(chǎn)車間進(jìn)行制作，無需占地，可通過小型船舶運(yùn)輸至施工區(qū)域，且施工期間船舶種類單一，便于生產(chǎn)協(xié)調(diào)。

相關(guān)研究表明，當(dāng)藻類、牡蠣等在土工管帶外露部分繁殖時(shí)，不影響管帶耐久性、抗腐蝕性、縱橫向?qū)挆l拉伸強(qiáng)度等，且有助于管帶防高強(qiáng)度紫外線輻射能力。

3 國內(nèi)失敗案例主要表現(xiàn)形式及原因分析

全斷面土工管帶離岸防波堤在龍棲灣沙灘修復(fù)工程中的應(yīng)用是成功的，但在國內(nèi)也出現(xiàn)過多起失敗的案例，其主要表現(xiàn)形式和原因如下[6]：

第1 種表現(xiàn)形式為管帶撕裂、破損，由表及里，淘刷較深部位時(shí)更促使上層充填管帶滑落、撕裂。其原因主要是由于管帶原材料縱橫向抗撕裂強(qiáng)度低、伸長率高，同時(shí)，受強(qiáng)紫外線輻射、海水腐蝕等因素影響，其縱橫向抗撕裂強(qiáng)度、耐久性降低。

第2 種表現(xiàn)形式為上層充填管帶位移、滑動(dòng)。其原因是，上層充填管帶多位于水位變動(dòng)區(qū)，長期處于最大波浪作用力下，其自身穩(wěn)定性不足或與下層充填管帶之間的滑移摩擦系數(shù)較小時(shí)，均不足以抵抗最大波壓力及波浪浮托力，管帶一旦發(fā)生位移、滑動(dòng)，如不及時(shí)處理，勢必愈演愈烈。

第3 種表現(xiàn)形式為堤身迎浪面根部出現(xiàn)沖刷，導(dǎo)致上層充填管帶坍落，在受臺風(fēng)、大風(fēng)浪襲擊時(shí)，除最下層外，整個(gè)斷面充填管帶全部被淘光。主要原因是未考慮在施工中不同階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，未能及時(shí)對充填完成后的管帶進(jìn)行有效防護(hù)；或采用了防沖護(hù)底、護(hù)面措施，但如果其自身穩(wěn)定性不足，也無法形成有效防護(hù)。

第4 種表現(xiàn)形式為發(fā)生較大越浪時(shí)，堤身背浪面砂管外露部分同樣受到?jīng)_刷，且呈現(xiàn)位移、滑動(dòng)現(xiàn)象。主要是未考慮越浪、涌浪等因素影響，或在設(shè)計(jì)、施工階段未制定針對性措施。

第5 種表現(xiàn)形式為各層充填管帶外露部分管帶內(nèi)砂被波浪掏空。主要是由于管帶原材料伸長率較高，導(dǎo)致管帶在縫扎嚴(yán)緊的條件下，風(fēng)浪頻繁作用纖維伸長而空隙加大；或管帶外露袖口處理措施不當(dāng)，不能實(shí)現(xiàn)對砂管內(nèi)砂長期、有效的保護(hù)。

因此由以上表現(xiàn)形式和原因可以看出，失敗案例原因可以歸結(jié)為管帶材料未達(dá)到一定的強(qiáng)度和韌性、設(shè)計(jì)方案未充分進(jìn)行模型驗(yàn)證和未采取針對性措施。由此來看，龍棲灣沙灘修復(fù)工程中使用全斷面土工管帶離岸防波堤，并充分經(jīng)過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，其成功也是必然的。

4 結(jié)語

全斷面土工管帶離岸堤在施工期間及完工后，先后遭遇臺風(fēng)“杜蘇芮”、“卡努”、“山神”及2018年7 月22 日北部灣熱帶風(fēng)暴等襲擊，除迎浪面袖口局部出現(xiàn)封蓋基布脫落現(xiàn)象，未見其他形式損毀。工程保質(zhì)保量地滿足各項(xiàng)要求，為其他類似施工條件下的充填管帶離岸堤工程設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒。