扭王字塊在海堤工程堤腳防護中的運用

李連成

(鹽城市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224002)

扭王字塊體是治海工程中常用的預制混凝土塊體，在鹽城境內水利工程中常用于主海堤坡面防護、堤腳壓護、拋石丁壩及拋石順壩壓護，單體重量0.4～2t不等。自海堤達標工程建設至今，采用400kg扭王字塊對灘面設計高程較低堤段以及節(jié)點堤段的主海堤坡腳進行壓護。隨著堤前灘面蝕降加劇，400kg扭王字塊已不能滿足堤腳防護工程安全運行的需要。濱?？h振東閘以北段海堤位于陶灣岳堆至振東閘之間，主海堤水毀情況嚴重。在該段海堤水毀修復工程中，運用600kg扭王字塊雙向嵌固安裝對堤腳加強防護。結合扭王字塊現(xiàn)場擺放試驗，確定了600kg扭王字塊雙向嵌固安裝方式下的拋置密度，減少了工程設計時扭王字塊工程量計算的偏差。通過波浪斷面物理模型試驗驗證了防護效果，可為其他海堤工程中扭王字塊設計提供參考。

1 現(xiàn)狀情況及方案分析

堤前灘面刷深加劇是濱?？h振東閘以北段海堤水毀的重要原因之一(工程處灘面變化情況見圖1)。因灘面持續(xù)蝕降，原主海堤坡腳位置近似前移，灘面近似刷深成緩坡。堤腳外70m為管樁順壩，按照傳統(tǒng)設計思路，采用拋石將堤腳前灘面恢復至設計高程，保灘修復工程與海堤修復工程共同實施，解決灘面蝕降的問題。但是工程投資巨大，且不科學不經濟。本次為海堤水毀修復工程，保堤必須保腳，故本次工程對現(xiàn)狀堤腳順坡加強防護，減少堤腳處灘面蝕降，確保主海堤的安全。

圖1 灘面蝕降情況測量對比(單位：m)

濱海海堤工程中，常用拋石對灘面進行加固，局部堤段還采用400kg扭王字塊進行坡腳護灘平護。本工程堤段原主海堤防護工程中采用拋石護腳，拋石單體重量為60kg/塊。隨著堤前灘面刷深加劇，波浪要素增大，原規(guī)格拋石防護已不能滿足工程需求，且塊石體積小，易經波浪作用帶到堤上，撞擊坡面，形成主海堤坡面水毀，造成嚴重安全隱患。故本次修復工程設計坡腳防護擬采用扭王字塊結合拋石的綜合型式。扭王字塊護腳，不僅可以加強護腳防護效果，其空隙消浪效果強于拋石防護，而且可以隔斷拋石護灘與主海堤防護，減少小拋石上岸沖毀主海堤護坡的風險。同時，該地區(qū)附近無塊石碼頭，工程拋石需通過陸運至施工場地，采用扭王字塊代替部分拋石，不僅可以減少拋石采購數(shù)量，縮短工期，而且施工質量得到保證，海堤防護效果明顯。

2 護腳防護設計

根據(jù)灘面刷深情況，設計護腳防護長度20m。初擬方案堤前護腳緊密布置五排扭王字塊，其余采用拋石防護，拋石厚度不小于1m。

2.1 扭王字塊設計

本次護腳防護塊體單體重量分2種工況分別計算：?作為護底塊石根據(jù)堤前最大波浪底流速確定；?考慮堤前灘面刷降成陡坡按護坡防護進行計算。

計算公式均依據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》(GB/T 5105—2014)。

2.1.1 作為護底塊石根據(jù)堤前最大波浪底流速確定

根據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》(GB/T 5105—2014)附錄J，J.0.7條，斜坡堤前最大波浪底流速按下式計算：

式中：Vmax為斜坡堤前最大波浪底流速，m/s；H為設計波高，m，計算取用H=3.82m；L為計算波長，m，計算取用L=20m；g為重力加速度，取9.81m/s2；d為堤前水深，m，考慮灘面刷深至-2.0m，d=5.45m。

計算得，Vmax=1.211m/s，查表J.0.7，對應的塊石重量不大于60kg。

2.1.2 考慮堤前灘面刷降成陡坡按護坡防護進行計算

該工況下防護塊體單體重量按下式計算：

式中：Q為單個扭王字塊質量，t；γb為預制扭王字塊的重度，kN/m3，取γb=24kN/m3；γ為水的重度，kN/m3，取γ=10kN/m3；H為設計波高，3.82m；m為斜坡坡率，取5(考慮堤前灘面刷深，坡面變陡)；KD為穩(wěn)定系數(shù)，取18。計算得，Q=0.54t。

由兩種工況計算結果可知，堤腳前灘面刷深成較陡坡面，海堤堤腳近似前移，坡面防護所需塊體重量遠大于護底塊石重量。綜合兩種工況計算成果，設計扭王字塊單體重量取0.6t，即600kg扭王字塊。

根據(jù)《防波堤與護岸設計規(guī)范》(JTS 154—2018)附錄B，扭王字塊標準尺寸有AB兩種型號，結合濱海海堤施工經驗，B型扭王字塊脫模相對困難，影響塊體質量，故本次工程設計選用A型扭王字塊。由規(guī)范表B.0.2可計算得600kg扭王字塊計算高度h=92cm。

2.2 扭王字塊護面厚度復核

預制混凝土異型塊體護面厚度按下式計算：

式中：t為扭王字塊護面厚度，m；n為扭王字塊護面層數(shù)，取1；c為系數(shù)，1.3，規(guī)則安放的塊體空隙率P′為40%，計算得，t=0.80m。

600kg扭王字塊雙向嵌固擺放時高度為0.85m>0.8m，滿足設計要求。

2.3 扭王字塊擺放理論計算

扭王字塊安裝方式有散拋和規(guī)則安放兩種，其中規(guī)則安放又有多種安裝型式。濱海海堤工程常用單層扭王字塊進行坡面坡腳防護，單層扭王字塊的安裝方式有單向嵌固(三足著地)和雙向嵌固(一邊一足著地)兩種。設計時初擬規(guī)則安放的拋置密度，具體安裝型式由現(xiàn)場試驗確定。

扭王字塊個數(shù)按下式計算：

式中：N為扭王字塊體個數(shù)；A為垂直于厚度的護面層平均面積，取100m2；P′為護面層的空隙率,%，取P′=40%。計算得，N=208塊。

2.4 海堤工程波浪斷面物理模型試驗

初始方案：護坡護腳前采用扭王字塊壓護結合拋石護灘。其中扭王字塊擺5排，拋石范圍為堤腳前20m，拋石面高程一致采用0.00m(廢黃河零點，下同)。

海堤原修復方案考慮管樁消浪及管樁破壞工況下，120kg及以上的護腳塊石發(fā)生位移，部分塊石滾動至C35混凝土護坡和柵欄板護坡上部，對海堤上部結構安全可能造成一定影響。

物理模型試驗對初始方案進行如下優(yōu)化：

a.優(yōu)化方案一將護腳塊石加大至250kg及以上。優(yōu)化方案一考慮管樁消浪工況，有塊石作用至扭王字塊體頂部，無塊石作用至柵欄板護面，海堤各部位均滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。優(yōu)化方案一考慮管樁破壞工況時，有少量塊石作用到柵欄板護坡上部。優(yōu)化方案一海堤斷面見圖2。

圖2 優(yōu)化方案一海堤斷面 (高程單位：m，尺寸單位：cm)

b.優(yōu)化方案二采用250kg及以上護腳塊石，拋石段向外海以1 ∶10坡度降低，保證平鋪段厚度1m，保持該頂高程平鋪至扭王字塊外側14m位置，柵欄板下部的35cm厚C35混凝土墊層更換為35cm厚干砌塊石墊層。優(yōu)化方案二考慮管樁消浪工況，有塊石作用至扭王字塊體頂部，無塊石作用至柵欄板護面。優(yōu)化方案二考慮管樁破壞工況時，有少量塊石作用到柵欄板護坡上部。優(yōu)化方案二海堤斷面見圖3。

圖3 優(yōu)化方案二海堤斷面 (高程單位：m，尺寸單位：cm)

物理模型試驗結論：兩種優(yōu)化方案均可作為設計方案。

2.5 本工程最終設計方案

對比物理模型試驗兩種優(yōu)化方案，防護效果相同，防護工程量優(yōu)化方案二明顯低于優(yōu)化方案一。工程擬采用優(yōu)化方案二，護腳防護總長度為20m。波浪斷面物理模型試驗時，扭王字塊(見圖4，白色塊體)采用單向嵌固的安裝方式。扭王字塊的安裝方式不同，直接影響扭王字塊的穩(wěn)定性及護腳的防護效果。扭王字塊防護長度需通過扭王字塊現(xiàn)場擺放試驗確定。

圖4 波浪斷面物理模型試驗中扭王字塊

3 扭王字塊現(xiàn)場擺放試驗

鹽城濱海地區(qū)扭王字塊安裝常用單向嵌固(三足著地)和雙向嵌固(一邊一足著地)兩種方式。從已實施的工程效果來看，單向嵌固方式安裝簡單，但是扭王字塊塊體之間只受單方向的約束，一個扭王字塊失穩(wěn)后容易使整排扭王字塊發(fā)生滑移；雙向嵌固安裝較復雜，需橫豎兩個方向錯位安裝，有一定的嵌固深度，達到雙向嵌固的效果，整體性優(yōu)于單向嵌固安裝方式。

根據(jù)初步設計批復及模型試驗要求，工程堤腳前需緊密擺放扭王字塊五排。施工單位根據(jù)設計要求，分別擺出單向嵌固和雙向嵌固這兩種安裝形式。

a.單向嵌固：三足著地，五排總長度3.10m，單排寬度0.92m，考慮排與排間距0.02m，計算得每百平方拋置密度為170塊。計算得單向嵌固安裝方式下的扭王字塊塊體空隙率約為50.96%。單向嵌固擺放見圖5。

圖5 扭王字塊三足著地單向嵌固現(xiàn)場擺放

b.雙向嵌固：一足一邊著地，雙向嵌固擺放見圖6～圖8。五排總長度4.50m，單排寬度0.92m，現(xiàn)場測量實際嵌入深度約0.30m，每百平方米拋置密度為178塊。雙向嵌固安裝方式下的扭王字塊塊體空隙率約為48.65%。

圖6 扭王字塊一邊一足著地雙向嵌固現(xiàn)場擺放圖(正面)

圖7 扭王字塊一邊一足著地雙向嵌固現(xiàn)場擺放圖(側面)

圖8 扭王字塊一邊一足著地雙向嵌固現(xiàn)場擺放圖(背面)

考慮護腳防護控制扭王字塊為緊密布置五排，每百米海堤長度下，雙向嵌固防護范圍(4.50m×100m=450m2)大于單向嵌固(3.10m×100m=310m2)，防護面積大，且扭王字塊整體穩(wěn)定性好；雙向嵌固方式需扭王字塊801塊，單向嵌固方式需扭王字塊527塊，雙向嵌固的總投資略高，但可以減少純拋石防護范圍(長度相應減少1.40m，即140m2)，減少拋石防護工程量。因該地區(qū)施工時塊石采購困難，影響施工進度，適當增加扭王字塊防護范圍減少塊石防護，可縮短工程工期，及早發(fā)揮工程效益。

故工程護腳防護采用模型試驗中優(yōu)化方案二，其中扭王字塊防護范圍4.50m，其余15.50m采用拋石進行防護。扭王字塊安裝采用雙向嵌固的方式，工程施工時受潮汐以及底層拋石面平整度影響，安裝條件更為苛刻，確定600kg扭王字塊拋置密度為每百平方不小于175塊。扭王字塊護腳施工安裝見圖9。

圖9 扭王字塊雙向嵌固安裝施工

4 結 語

鹽城地區(qū)海堤工程一直秉承“保堤必須保腳，保腳必須保灘”的設計理念。此次水毀修復工程除修復主海堤防護外，著重加強了堤腳防護。該段主海堤原護腳平護的型式已經不能滿足現(xiàn)狀坡腳灘面蝕降后形成坡面防護的要求。

工程采用600kg扭王字塊結合拋石對堤腳進行防護，其效果明顯優(yōu)于純拋石的防護型式。通過波浪斷面物理模型試驗，驗證了該防護方案是切實可行有效的。海堤護腳防護只能減緩堤腳前20m范圍灘面蝕降速度，保腳必須保灘，因此要采取工程措施以減少管樁順壩至堤腳間灘面蝕降。建議加強灘面蝕降監(jiān)測，盡早實施有效的保灘措施，減小波浪水深，確保主海堤的安全。