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。濱海縣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 現狀情況及方案分析

堤前灘面刷深加劇是濱海縣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《海堤工程設計規范》(GB/T 5105—2014)。

2.1.1 作為護底塊石根據堤前最大波浪底流速確定

根據《海堤工程設計規范》(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為穩定系數，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《防波堤與護岸設計規范》(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，取1；c為系數，1.3，規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則安放兩種，其中規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。設計時初擬規則安放的拋置密度，具體安裝型式由現場試驗確定。

扭王字塊個數按下式計算：

式中：N為扭王字塊體個數；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化：

a.優化方案一將護腳塊石加大至250kg及以上。優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定性要求。優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。優化方案一海堤斷面見圖2。

圖2 優化方案一海堤斷面 (高程單位：m，尺寸單位：cm)

b.優化方案二采用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。優化方案二海堤斷面見圖3。

圖3 優化方案二海堤斷面 (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化方案，防護效果相同，防護工程量優化方案二明顯低于優化方案一。工程擬采用優化方案二，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 扭王字塊現場擺放試驗

鹽城濱海地區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，一個扭王字塊失穩后容易使整排扭王字塊發生滑移；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，整體性優于單向嵌固安裝方式。

根據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場擺放圖(正面)

圖7 扭王字塊一邊一足著地雙向嵌固現場擺放圖(側面)

圖8 扭王字塊一邊一足著地雙向嵌固現場擺放圖(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，及早發揮工程效益。

故工程護腳防護采用模型試驗中優化方案二，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。