全斷面土工管帶在海南龍棲灣沙灘修復工程離岸防波堤中的應用

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，在沙灘修復或人工沙灘建設中，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離岸式防波堤是一種常用的方法，其防波堤結構形式一般采用拋石堆填結構。拋石實體結構防波堤存在多種缺點，一是防波堤工程施工多在水上進行，由于施工時石塊填料距離工地太遠，導致運輸困難，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；三是沙灘修復或人工沙灘項目多為旅游或生態(tài)項目，對環(huán)境影響較為敏感，拋石實體結構堤對海洋生態(tài)環(huán)境影響較大。

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

本文在總結了充填土工管帶在國內外應用現(xiàn)狀的基礎上，依托海南龍棲灣沙灘修復工程對其結構設計和穩(wěn)定性情況進行了研究，并分析了國內其他案例失敗的原因，以供參考。

1 充填土工管帶在國內外應用現(xiàn)狀

目前，土工管帶由于其工期短、造價節(jié)省、適應性強等優(yōu)點，在許多涉水領域都有應用，其應用領域和特點如下：

1）臨時及永久性圍堰、護岸：多建設于港池內，屬有掩護水域，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、更換較便利。

2）航道整治工程：多位于內河入海口水下區(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：多位于有掩護水域，或堤身軸線避開常浪向、強浪向設置，一般不允許越浪，并輔以水下防沖鋼板樁、塊石護坡、人工塊體護面、石籠等結構，尤其是填海造地、人工島工程，將土工管帶與輔助結構、陸域有機的形成整體，極大的增強了土工管帶的穩(wěn)定性[2-3]。

4）土工管帶離岸防波堤：其工程區(qū)海域基本為無掩護水域，堤身軸線多垂直于常浪向、強浪向設置，長期位于水位變動區(qū)，受波浪、涌浪作用時間長、作用力大，且離岸堤一般遠離陸域、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現(xiàn)，施工期結構一旦受臺風、熱帶風暴襲擊，受損嚴重時幾乎無法進行維護。

土工管帶離岸防波堤成功案例多輔以其他結構形式實現(xiàn)堤身穩(wěn)定性。而輔以塊石護坡、人工塊體護面結構時，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)調難度大、工期壓力大，且兼顧拋填時對土工管帶外露部分的成品保護，較小則自身穩(wěn)定性不足，無法對充填土工管帶進行有效保護；而輔以石籠護面結構的充填土工管帶離岸防波堤，人工作業(yè)量大，機械化程度低，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構，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暨岸灘補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，熱帶海洋性季風氣候明顯：全年雨量充沛，干濕季明顯，常年風大，熱帶氣旋影響頻繁，氣候資源多樣。統(tǒng)計1981—2010 年期間登陸或影響工程區(qū)海域的臺風有31 個，年平均1.0 個，強熱帶風暴10 個；年平均0.3 個；熱帶風暴9 個，年平均0.3 個。

2.1.2 水文條件

龍棲灣潮汐性質為不正規(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)計工程區(qū)海域9 個站點觀測數(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。風浪年總出現(xiàn)頻率為80%，涌浪年總出現(xiàn)頻率為41%，風浪波型為主要特征。波向特征：風浪常浪向是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。

各基面關系如圖1 所示。

圖1 各基面關系圖Fig.1 Relationship diagram of each basic surface

潮位特征值（1985 國家高程基準面起算，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。

設計水位：

設計高水位1.90 m，設計低水位-0.32 m，極端高水位2.74 m，極端低水位-1.19 m。

2.1.3 地質條件土層自上而下依次為中砂、含砂粉質黏土、粗砂、粉質黏土、中等風化花崗巖。

2.2 設計方案

工程重現(xiàn)期按50 a 一遇設計，堤頂允許少量越浪。

結合國內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構設計階段，制定以下針對性措施[4]（見圖2）。

圖2 土工管帶初步設計斷面圖Fig.2 Cross section of the preliminary design of geotechnical pipe

1）土工管帶及內襯原材料均選用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，內襯基布物理性能要求為：各向等性、單位面積質量120~150 g/m2、寬條拉伸強度≥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%、縱橫向寬條拉伸強度≥210 kN/m、斷裂伸長率≤13%、縫合強度≥180 kN/m、單位面積質量≤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%、縱橫向寬條拉伸強度≥90 kN/m、斷裂伸長率≤13%、縫合強度≥70 kN/m、單位面積質量≤475 g/m2。

4）通過物模試驗論證上述結構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構的影響。

5）管帶外露部分縫制高旦卷曲纖維，防止高強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，配以無慣性電機驅動的不規(guī)則波造波機，微機控制造波與數(shù)據(jù)采集。造波機后部及水槽尾部安裝消能網(wǎng)、消能架空斜坡等消能設備，以盡量避免波浪反射。采用DS30 型浪高測量系統(tǒng)，同步測量多點波面過程并進行數(shù)據(jù)分析，進而測試管帶離岸堤斷面的穩(wěn)定性。

2.3.2 試驗模擬過程

1）抽取管帶原材料試樣，檢驗各項參數(shù)是否符合設計要求；

2）通過調整波浪要素，檢驗設計高水位、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）通過調整防沖護坦周長、充填高度，模擬護坦對堤身根部的防沖刷效果；

4）通過調整波浪要素，檢驗臺風浪、越浪、涌浪發(fā)生時，迎浪面、背浪面管帶穩(wěn)定性。

2.3.3 試驗結論

通過二維斷面波浪物理模型試驗，得出如下結果：

1）抽取的管帶原材料試樣各項參數(shù)滿足設計要求；

2）管帶材料滑移摩擦系數(shù)與材料紋路方向有關，上、下層管帶縱、橫向布置時，有利于上層砂管穩(wěn)定。試驗表明，不穩(wěn)定管帶均出現(xiàn)在上層，對管帶滑動作用影響最大的水位主要集中在極端高水位與設計高水位，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)作用時間的延長，滑移量逐步增大；此外，管帶內填砂隨波浪的作用，不斷被壓實并在管帶內向后方推移，導致管帶截面變形，迎浪面管帶厚度逐漸變薄，增大了管帶前區(qū)的抬升運動；

3）護坦截面周長加長為6 m、填充飽和度與原設計一致時，護坦基本穩(wěn)定，但護坦和堤體之間的泥沙被沖刷，護坦管帶失效后，將導致堤體前基礎被淘刷，堤體管帶下沉，在低水位時，淘刷相對明顯；

4）在極端高水位、臺風作用下發(fā)生越浪、風涌混合型浪時，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）在初步設計方案的基礎上做出如下優(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。該項優(yōu)化可對迎浪面、背浪面形成保護，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；同時可減少管帶外露根數(shù)，對下層管帶形成保護；

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

③下層管帶橫向布置、堤頭處設置縱向堵頭，中間管帶更換為郁型。該項優(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)過多組結構形式的反復試驗，最終確定實施方案如圖3 和圖4 所示。優(yōu)化后設計方案經(jīng)物理模型試驗檢驗，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 土工管帶堤身結構最終方案斷面圖Fig.3 Cross section of final plan of dike body structure of geotechnical pipe

圖4 土工管帶堤頭結構最終方案斷面圖Fig.4 Cross section of final plan of dike head structure of geotechnical pipe

同時，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構、充填后形成弧形斷面的設計理念及施工工藝，在國內尚屬首例，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，采用高強度聚丙烯材料將內襯、土工管帶基布、高旦卷曲纖維進行機械縫制，各層采用復合方式結合緊密。同時，每幅原材料之間縫合處加強處理；

2）管帶鋪排采用打設定位樁定位，通過吸砂泵從納泥艙吸砂、利用吹砂軟管進行充填，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，在自然下垂位置處縫制橫隔斷；充填時，先充填自然下垂段，充填完畢后簡單封堵袖口，待經(jīng)歷1 個高潮和低潮密實后，繼續(xù)充填至設計要求；然后再進行上層縱向管帶充填；

4）管帶充砂袖口封堵時，首先綁扎袖口、反塞入管帶袖口內部，并采用高強度聚丙烯材料對邊緣進行封口縫合處理，縫合時按照間距每7~8 cm打死結；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行處理，該過程底涂需滲透入管帶及袖口封蓋基布內部，改變砂管材料表面分子構造，從而加強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、高強度聚丙烯材料縫合、高強度聚丙烯材料縫合+海洋專用膠工藝進行袖口處理，通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，后者效果最佳；同時，為使海洋專用膠充分凝固，達到預期的處理效果，袖口處理需在落潮、低潮期間進行。反之，則易出現(xiàn)袖口黏貼的封蓋基布脫落現(xiàn)象。

2.5 應用效果及效益分析

工程區(qū)陸域為樂東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，而且在海南石料、河砂等原材料嚴重匱乏的情況下，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“藍色海灣項目”，采用土工管帶形成685 m 離岸堤，相比于同條件下的傳統(tǒng)的拋石斜坡堤結構，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、塊石護底、人工塊體護面結構，施工工期可縮短1~2 個月。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制、存放場地，而且需要有成形的出運碼頭供扭王字塊上駁、安裝；同時，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)調難度大。

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

相關研究表明，當藻類、牡蠣等在土工管帶外露部分繁殖時，不影響管帶耐久性、抗腐蝕性、縱橫向寬條拉伸強度等，且有助于管帶防高強度紫外線輻射能力。

3 國內失敗案例主要表現(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工程中的應用是成功的，但在國內也出現(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度低、伸長率高，同時，受強紫外線輻射、海水腐蝕等因素影響，其縱橫向抗撕裂強度、耐久性降低。

第2 種表現(xiàn)形式為上層充填管帶位移、滑動。其原因是，上層充填管帶多位于水位變動區(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，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，如不及時處理，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，導致上層充填管帶坍落，在受臺風、大風浪襲擊時，除最下層外，整個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構穩(wěn)定性，未能及時對充填完成后的管帶進行有效防護；或采用了防沖護底、護面措施，但如果其自身穩(wěn)定性不足，也無法形成有效防護。

第4 種表現(xiàn)形式為發(fā)生較大越浪時，堤身背浪面砂管外露部分同樣受到?jīng)_刷，且呈現(xiàn)位移、滑動現(xiàn)象。主要是未考慮越浪、涌浪等因素影響，或在設計、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砂被波浪掏空。主要是由于管帶原材料伸長率較高，導致管帶在縫扎嚴緊的條件下，風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，不能實現(xiàn)對砂管內砂長期、有效的保護。

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為管帶材料未達到一定的強度和韌性、設計方案未充分進行模型驗證和未采取針對性措施。由此來看，龍棲灣沙灘修復工程中使用全斷面土工管帶離岸防波堤，并充分經(jīng)過物理模型試驗驗證，其成功也是必然的。

4 結語

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“杜蘇芮”、“卡努”、“山神”及2018年7 月22 日北部灣熱帶風暴等襲擊，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。工程保質保量地滿足各項要求，為其他類似施工條件下的充填管帶離岸堤工程設計、施工提供了借鑒。