甌飛圍墾工程海堤護面結構優(yōu)化斷面研究

謝 龍，周 建

(1.溫州市甌飛經濟開發(fā)投資有限公司,浙江 溫州 325025;2.溫州市甌飛開發(fā)建設投資集團有限公司,浙江 溫州 325025)

甌飛一期圍墾工程位于溫州市甌江、飛云江河口間平直岸灘，東臨大海，西連瑞安丁山、龍灣永興、天城、海濱等沿海圍墾區(qū)，南順飛云江北岸至長拔山，北順甌江口南岸，經批準的規(guī)劃用海面積為13.28萬畝，堤線總長36.6公里，總工期9.5a，概算投資272.9億元[1]，工程分兩階段實施，主體工程北區(qū)于2013年7月份開工。

甌飛圍墾一期工程是全國單體最大的圍墾工程，海堤迎潮面永久護面結構與施工期安全度汛結構的設計與施工是圍墾工程建設過程中的重點與難點。斜坡堤迎浪面是承受波浪作用的主要部位，其護面結構的整體穩(wěn)定性對堤壩的安全至關重要[2]。不同的護面結構在波浪作用下受力機制不同，穩(wěn)定性的表現(xiàn)也有很大不同。因此，有必要對護面不同斷面結構穩(wěn)定性進行研究，通過系列模型試驗[3]，觀測各度汛斷面在不同高潮位和波浪條件下的波浪爬高、越浪量；鎮(zhèn)壓層、護面墊層的作用情況以確保所優(yōu)選的方案滿足實際工程的穩(wěn)定性要求。

1 設計斷面

本次試驗共有3個典型斷面：

(1)第1個斷面為甌飛圍墾工程海堤度汛斷面，即為施工期斷面，堤前水深為-3.25m，采用斜坡式方案，堤頂高程為3.8m，采用灌砌塊石護面，灌砌塊石護面有滿灌、條灌、點灌(兩種開孔率)[4]等方案，如圖1所示；

圖1 第1種典型斷面

(2)第2個斷面為甌飛圍墾工程海堤度汛斷面，即為施工期斷面，堤前水深為-3.25m，采用斜坡式方案，堤頂高程為3.8m，采用400～800kg大塊石護面，如圖2所示；

圖2 第2種典型斷面

(3)第3個斷面為甌飛圍墾工程海堤使用期斷面，堤前水深為-3.25m，采用復式方案，堤頂高程為7.8m，擋浪墻頂高程為8.8m，如圖3所示。

2 各方案比較

2.1 拋填厚度

試驗中對各度汛期斷面護面進行了雙層理拋單重400～800kg塊石、厚度為35cm滿灌灌砌塊石、條灌灌砌塊石及點灌灌砌塊石等多種不同的方案試驗，根據(jù)《Rock manual》[5]推薦公式：中值粒徑Dn50=(M50/ρ)1/3，厚度t=nktDn50，單層理拋單重為200～300kg塊石厚度約為35cm，單層理拋單重400～800kg塊石厚度約為57cm，雙層理拋單重400～800kg塊石厚度約為100cm，單層理拋單重800～1000kg塊石厚度約為70cm，雙層理拋單重800～1000kg塊石厚度約為122cm。

圖3 第3種典型斷面

表1 塊石重量和拋填厚度對應關系

2.2 鎮(zhèn)壓層坡肩及下斜坡

表2 坡肩及下斜坡護面方案比較

2.3 鎮(zhèn)壓層后部

對于鎮(zhèn)壓層后部，各級潮位及相應波浪組合作用下，滿灌灌砌塊石均失穩(wěn)，條灌及兩種開孔率點灌灌砌塊石均穩(wěn)定，400～800kg塊石護面均少數(shù)滾動，失穩(wěn)率[7]均沒有超過5%，除了滿灌灌砌塊石以外，其余各種護面型式均可行，可根據(jù)施工條件、石料來源及綜合造價選用，具體見表3。

2.4 斜坡

根據(jù)表4可知，對于巨石堆，20年一遇潮位及相應20年一遇波浪作用下，3.8m高程以上部分均失穩(wěn)，平均高潮位2.46m及相應50年一遇波浪作用下，3.8m高程以上大部分失穩(wěn)，但未引起度汛堤整體垮塌，對于度汛期斷面而言，是能滿足要求的，50年一遇高潮位及相應50年一遇波浪僅半小時作用下，巨石堆3.8m以上部分完全失穩(wěn)，迎浪面斜坡塊石也大量滾動，而采用點灌灌砌塊石斜坡上護面滿足穩(wěn)定要求。在平均高潮位2.46m下，滿灌灌砌塊石臨界穩(wěn)定，而條灌及點灌灌砌塊石均滿足穩(wěn)定要求，可見和滿灌灌砌塊石相比，斜坡采用條灌灌及點灌施工方式，承受波浪的重現(xiàn)期可以從20年一遇提高到50年一遇。

2.5 各方案在不同重現(xiàn)期波浪作用下穩(wěn)定重量(厚度)情況

表5為度汛斷面鎮(zhèn)壓層及迎浪面斜坡灌砌塊石護面穩(wěn)定厚度及大塊石護面塊石穩(wěn)定重量，從表中可知，總體上點灌穩(wěn)定性優(yōu)于條灌，條灌穩(wěn)定性優(yōu)于滿灌[8]。

采用滿灌灌砌塊石，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為75cm，斜坡穩(wěn)定厚度為60cm；50年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為110cm。

采用條灌灌砌塊石，透空率為11.8%，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為35cm，斜坡穩(wěn)定厚度為35cm；50年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為70cm。

表3 鎮(zhèn)壓層后部各方案穩(wěn)定情況

表4 斜坡及巨石堆穩(wěn)定情況

表5 度汛斷面不同重現(xiàn)期波浪作用下穩(wěn)定厚度(重量)

采用點灌灌砌塊石，透空率為12.1%，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為35cm，斜坡穩(wěn)定厚度為35cm；50年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為70cm。

采用點灌灌砌塊石，透空率為12.4%，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層穩(wěn)定厚度為35cm，斜坡穩(wěn)定厚度為35cm；50年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層厚度為35cm時，灌砌塊石輕微跳動，穩(wěn)定厚度大于35cm，建議厚度為50cm[9]。

鎮(zhèn)壓層采用大塊石護面時，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層塊石穩(wěn)定重量為400～800kg，該方案塊石少量滾動，個別地方露出堤心石；50年一遇波浪作用下，穩(wěn)定重量為800～1000kg，該工況方案塊石少量滾動，個別地方露出堤心石。

度汛斷面堤頂采用大塊石拋填形成巨石堆時，20年一遇波浪作用下，巨石堆滿足要求的塊石重量為400～800kg，該方案塊石大量滾動，經過波浪相當于原型3個小時作用后，3.8m高程以上部分塊石幾乎全部失穩(wěn)，但未引起度汛堤整體垮。

綜上所述，采用灌砌塊石，塊石重量可以大幅減小，20年一遇波浪作用下，采用重量為200～300kg塊石單層灌砌，不論采用條灌、點灌均能滿足穩(wěn)定要求；50年一遇作用下，采用重量為400～800kg塊石單層點灌能滿足穩(wěn)定要求，采用重量為800～1000kg塊石單層條灌能滿足穩(wěn)定要求。點灌灌砌塊石兩個方案之間開孔率、點灌灌砌塊石和條灌灌砌塊石之間開孔率相差不大，但穩(wěn)定差別很大，兩種灌砌塊石主要區(qū)別在于點灌灌砌塊石的開孔有一部分位于中間，開孔位置更為均勻，由此可見，同樣開孔率條件下，開孔位置越均勻分布，灌砌塊石穩(wěn)定性越好，在理拋、灌漿施工時，須注意控制開孔位置[10]。

3 度汛斷面推薦方案

綜合前面研究成果，度汛斷面推薦方案為點灌灌砌塊石和堤頂巨石組合方案，如圖4所示，堤腳塊石單重為大于300kg；迎浪面鎮(zhèn)壓平臺和拋石棱體采用1∶4斜坡連接，鎮(zhèn)壓平臺上設置1∶2斜坡和堤頂連接，鎮(zhèn)壓平臺及下斜坡采用厚度為35cm點灌灌砌塊石，灌砌塊石開孔率不低于12.4%，堤頂采用單重400～800kg塊石拋填形成巨石堆。

圖4 度汛斷面推薦方案

4 結論

4.1 各典型斷面方案優(yōu)劣

(1)斷面1為度汛期斷面灌砌塊石護面，采用厚度為35cm滿灌灌砌塊石不能滿足要求；厚度為35cm條灌灌砌塊石，鎮(zhèn)壓層坡肩不能滿足要求，其余各部位滿足穩(wěn)定要求；厚度為35cm點灌灌砌塊石，僅個別地方極輕微跳動，各部位均滿足穩(wěn)定要求，因此推薦斷面可以采用厚度為35cm點灌灌砌塊石。

(2)斷面2為度汛期斷面大塊石護面，采用400～800kg大塊石護面，經過波浪相當于原型3個小時作用后，鎮(zhèn)壓層坡肩及下斜坡大量塊石滾動，局部露出堤心石，但未引起堤心石大量淘刷，對于度汛期斷面而言，可認為滿足要求；鎮(zhèn)壓層后部少數(shù)塊石滾動，個別地方露出堤心石，滿足穩(wěn)定要求；巨石堆在50年一遇高潮位及相應50年一遇波浪組合作用下，不能滿足要求，在20年一遇潮位及相應20年一遇波浪作用下、平均高潮位及相應50年一遇波浪作用下、平均高潮位及相應20年一遇波浪作用下，雖然大量塊石滾動，但未引起斷面整體垮塌，可認為滿足度汛期要求。巨石堆及鎮(zhèn)壓平臺坡肩等部位大量塊石滾動，大風大浪等惡劣天氣過后需注意檢修補充石料。堤頂在50年一遇高潮位及相應50年一遇波浪組合作用下，不能滿足要求，在20年一遇潮位及相應20年一遇波浪作用下、平均高潮位及相應50年一遇波浪作用下、平均高潮位及相應20年一遇波浪作用下，堤頂?shù)绦氖徊煌潭忍运?，最深處達1.2m左右，但未危及整個斷面穩(wěn)定。汛期過后，需注意對堤頂檢修。

(3)斷面3為使用期斷面，護腳單重大于300kg拋石棱體坡肩變形，但未危及鎮(zhèn)壓平臺下斜坡穩(wěn)定，滿足要求；鎮(zhèn)壓平臺坡肩及下斜坡采用400～800kg大塊石護面局部露出堤心石，不能滿足要求，采用開孔率為12.4%厚度為35cm點灌灌砌塊石輕微跳動；鎮(zhèn)壓層后部采用35cm條灌及點灌灌砌塊石滿足穩(wěn)定要求，滿灌灌砌塊石不能滿足穩(wěn)定要求，由于點灌灌砌塊石間混凝土量較少，要特別關注塊石間連接，建議適當增加灌砌塊石厚度；8t扭王字塊體滿足穩(wěn)定要求，扭王字塊墊層各方案均滿足穩(wěn)定要求，建議采用塊石或點灌灌砌塊石作為墊層；越浪量較小，50年一遇設計高潮位及相應50年一遇波浪作用下，越浪量[11]為0.0062m3/(m·s)，使用期其余各部位滿足穩(wěn)定要求。

4.2 度汛推薦斷面優(yōu)勢及注意事項

度汛斷面推薦方案為點灌灌砌塊石和堤頂巨石組合方案。

4.2.1優(yōu)勢

(1)和400～800kg大塊石護面相比，采用200～300kg大塊石點灌即可滿足穩(wěn)定要求，且穩(wěn)定性更優(yōu)；和條灌灌砌塊石相比，采用點灌施工方式，承受波浪可以從20年一遇提高到50年一遇。

(2)鎮(zhèn)壓層采用大塊石護面時，20年一遇波浪作用下，鎮(zhèn)壓層塊石穩(wěn)定重量為400～800kg，該方案塊石少量滾動，個別地方露出堤心石；50年一遇波浪作用下，穩(wěn)定重量為800～1000kg，該工況方案塊石少量滾動，個別地方露出堤心石。

(3)度汛斷面堤頂采用大塊石拋填形成巨石堆時，20年一遇波浪作用下，巨石堆滿足要求的塊石重量為400～800kg，該方案塊石大量滾動，經過波浪相當于原型3個小時作用后，3.8m高程以上部分塊石幾乎全部失穩(wěn)，但未引起度汛堤整體垮塌。

4.2.2注意事項

(1)根據(jù)試驗成果可知，不論是塊石護面還是灌砌塊石護面，鎮(zhèn)壓層坡肩處最易損壞，在坡肩處應局部加強。

(2)試驗中未考慮斷面的整體穩(wěn)定和不均勻沉降，如果不均勻沉降，容易引起灌砌塊石板斷裂和錯縫，在工程施工中應嚴格控制工程質量。