某工程海堤護面結構優化研究

2023-02-08 08:54:34王玉平吳喬彭志豪

中國港灣建設 2023年1期

王玉平，吳喬，彭志豪

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

0 引言

某工程填海面積約650 hm2，根據環保的需要，工程建設采用深層水泥攪拌對軟土地基進行加固，然后在加固地基上進行回填施工。該工程主要建設內容包括填海造陸，建造約13 km的海堤、地基改善工程、供應填土材料、鋪設砂墊層、海上填土、陸上填土、附屬設施及相關的基礎設施和環境保護工程。其中按照原設計方案，13 km的海堤結構采用大塊石作為護面結構，總共約需要79萬m3護面塊石。目前市場中難以采購到如此大量的大塊石護面，因為缺乏合適的石料，預定工期內海堤結構很可能無法按時完工，進而影響到整個項目。

為了緩解這個問題，建議在一定區段的斜坡堤范圍內采用人工塊體（Accropode）來代替緊缺的塊石護面，總共約需要78 000余塊0.8 m3和2 m3的Accropde，混凝土方量共約11萬m3。

1 工程概況

在原設計中，根據不同的護面塊石大小和不同的位置，斜坡式海堤被分為4種類型，優化設計后3.5～7.0 t的大塊石護面被2.0 m3的Accropode替代，而1.5～3.0 t，1.2～2.4 t，1.0～2.0 t的塊石則被0.8 m3的Accropode替代。在斜坡式海堤與直立式結構銜接段及排水口區域，由于位置狹窄不利于護面塊體的安裝，仍使用塊石護面過渡。優化前后海堤的斷面對比見表1、圖1和圖2。

表1 優化前后護面塊體的對比Table 1 Comparison of armour type before and after optimization

圖1 優化前采用塊石護面的海堤典型斷面Fig.1 Typical cross-section of seawall adopting rock armour before optimization

圖2 優化后采用Accropode塊體護面的海堤典型斷面Fig.2 Typical cross-section of seawall adopting Accropode armour after optimization

2 工藝研究護面穩定

2.1 Accropode護面穩定計算方法

Accropode塊體與國內的扭王塊外形相似，均為單層擺放的咬合塊體，在波浪作用下具有良好的水力性能，其安裝簡單、環境友好，在世界范圍內得到了廣泛的使用。根據CLI的Accropode設計手冊[1]，單個Accropode的穩定體積V也可采用哈德森公式進行計算。

式中：Δ=γb/γ，為扭王塊材料與海水的相對重度；α為斜坡的坡度；H為設計波高；KD為與塊體本身水動力穩定性、容許失穩率、波浪條件和塊體擺放位置相關的穩定系數，對于Accropode，其容許失穩率0%，海底平坦時，KD值取值詳見表2。根據CLI的設計手冊建議，采用Accropode作為護面層時，坡比應當采用1∶1.33或者1∶1.5，不推薦采用更緩的坡比。較陡的邊坡可以增大塊體之間的咬合力，有利于發揮人工塊體的勾連作用，減少單個塊體所需要的重量，同時還能夠減少結構的斷面面積和工程量。

表2 Accropode穩定系數K D和N s的推薦值Table 2 Recommended K D and N s value for Accropode

根據已有的研究成果[2]，Accropde在斜坡坡比為1∶1.33～1∶1.5之間時，其穩定效果基本相當，而對于防波堤坡度放緩至1∶2時，Accropode的穩定效果并沒有明顯的增加。因此Accropode的計算體積也可以采用如下與坡度無關的公式計算：

式中：Ns為穩定系數，與防波堤的位置及波浪情況有關。

當防波堤前海底平坦時，Ns可按照塊體安裝位置及波浪破碎情況按表2取值。

根據以上KD、Ns數值可計算得出，斜坡堤堤頭部分的塊體體積，比堤身部分塊體體積增加25%～30%，而位于波浪破碎區的堤身和堤頭的塊體重量，均應相應再增加20%～25%。

此外Accropode的KD值與Ns會隨著防波堤前海床坡度的增加而減少，當防波堤前海底坡度達到5%時，Accropode的穩定所需體積需要額外增加約50%；當海底坡度達到10%左右，Accropode的穩定所需體積需要額外增加約88%。

綜上所述，采用哈德森公式計算Accropode穩定所需體積時，最佳坡比為1∶1.33～1∶1.50，且更緩的坡比不會獲得更好的穩定性[3]。然而由于本工程情況特殊，海堤的堤心及墊層部分均已施工完成，坡比難以更改，因此本項目可通過哈德森公式預估出Accropode需要的最小穩定體積，并在此基礎上適當加大Accropode塊體，可確保護面層的穩定，計算過程見表3。

表3 Accropode穩定需要的體積計算Table 3 Calculation of stability required volume of Accropode

2.2 物模試驗驗證護面穩定性

因本項目實際護面坡度超出Accropode塊體最佳坡度范圍，需通過2D物模實驗來復核驗證優化斷面的穩定性，物模試驗采取如下3種試驗工況以模擬最不利的施工工況：

1）10 a一遇高水位+對應水位的100 a一遇波浪。

2）10 a一遇高水位+超載波浪。

3）平均低水位+對應水位的100 a一遇波浪。

其中，工況1為設計工況，主要用于測試護面塊體的穩定性。而工況2的超載波浪是通過在設計波浪的基礎上將波高放大20%，測試護面塊體的安全富裕度，避免Accropode護面層的突然破壞。工況3則是用于驗證低水位情況下壓腳塊石的穩定性。

試驗中Accropode塊體的失穩標準為塊體位移超過0.1H（H為塊體高度），而國標JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》中則規定扭王字塊的失穩標準為累計位移超過0.5H。因此Accropode塊體的失穩標準更為嚴格[4]。

根據試驗結果可知，在波浪作用下，所有的護面塊體Accropode均保持穩定，沒有出現塊體滑落或過大位移的情況，壓腳塊石的破壞系數Nod＜2[5]，不影響護面結構層的穩定，滿足設計要求[6]。

3 倒濾驗算

墊層結構作為Accropode的支撐結構，其具有3個重要的作用：1）支撐Accropode護面層；2）作為Accropode和堤心之間的倒濾，保證墊層石料及堤心石料不被波浪淘蝕；3）提供良好的透水性，以保證護面塊體的穩定性。

根據國內同類塊體的施工經驗，墊層塊石作為Accropode的支撐層，其平整度的要求不超過塊體高度的1/6，如果墊層塊石出現過高或者過低情況，將直接影響到護面塊體的安裝質量和咬合程度。

為了保證在波浪作用下墊層塊石不被波浪從護面塊縫隙中吸出，其墊層塊石的設計需要滿足如下要求[2]：

式中：MNUL，u為墊層塊石的名義上限重量；MNLL，u為墊層塊石的名義下限重量；Ma為護面塊體的重量。在實際運用過程中，以上名義重量可以適當上下浮動30%。

計算結果（表4）表明，采用0.8 m3和2.0 m3的Accropode塊體可以充分利用原有斷面的墊層結構，不必增加新的塊石級配，有利于現場石料供應，簡化施工工序。

表4 Accropode墊層計算Table 4 Accropode cushion calculation kg

4 越浪量的影響

海堤結構要求能夠抵抗波浪爬坡，保護陸域免受波浪越頂的侵蝕沖擊[7]。其設計越浪量應滿足文獻[8]第4部分第5.3.2節相關條款（見表5），最大越浪量可達到平均越浪量的100倍[8]。

表5 海堤設計的允許越浪量Table 5 Allowed overtopping rate in seawall design m3（/s.m）

為了滿足極端風浪條件下的跑道作業人員和車輛安全，確保任何情況下的機場緊急作業安全，因此計算采用100 a一遇的波高和10 a一遇的高潮位作為輸入條件，采用TAW方法對比了護面優化前后越浪量。

根據EurOtop[9]相關公式，當ξm-1，0＜5時，可按照如下公式計算越浪量：

最大越浪量為：

式中：q為越浪量，m3/（s.m）；g為重力加速度，m/s2；Rc為堤頂超高；Hm0為特征波高；Tm-1，0為平均波周期，s；ξm-1，0為破波系數，為護面粗糙度系數；γν為堤頂擋浪墻影響系數，沒有擋浪墻時取1.0；γ*為綜合考慮擋浪墻和護面粗糙度的影響系數；γβ為波浪入射角度影響系數；γb為肩臺影響系數，無肩臺時取1.0。

計算結果（表6）表明Accropode的粗糙度系數小于塊石護面，更換護面后海堤越浪量優于原設計方案。