一種寬肩臺護岸的應用研究

盧少彥，謝喬木

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

寬肩臺防波堤是較早提出的一種防波堤設計理念[1-2]，但直到1983年在冰島Keflavik的防波堤[1-2]上應用后，才開始迅速的推行，在PIANC以及ROCK MANUAL上把寬肩臺防波堤分為3種（Statically stable non-reshaped，Statically stable reshaped，Dynamically stable reshaped[1-2]）：第 1 種同普通防波堤，是不允許破壞的穩定結構，第2種是允許斷面變形，但斷面及護面塊石都要求在波浪作用下是穩定的，第3種就是我國規范中提到的堤身斷面（斷面外側）容許在波浪作用下發生變形，直到外坡形成一個動力平衡斷面[3]。本文所述屬于波浪作用下允許變形的動力平衡斷面。

1 工程概況

本工程位于廣東省內的金獅灣港區，屬于納泥區的臨時護岸[4]，也作為二期工程的陸域形成圍堰，位于二期岸線的前沿線之內，整個護岸長約1 100 m[4]，各建筑物位置相互關系見圖1。

圖1 碼頭、護岸位置相互關系圖Fig.1 Relationship between the quay and the revetment location

臨時護岸區域內，高水位下，25 a一遇H13%波高為4.3 m，波長為115 m，護岸范圍內地質為標準貫入度15擊以上的砂層，無軟弱土層[4]。

2 臨時護岸結構

根據臨時護岸的功能及地質等條件，采用斜坡式結構，經計算，外側護面需要采用扭王字塊護面，見圖2。

圖2 臨時護岸初定典型斷面圖Fig.2 Temporary revetment initial typical section

圖2中斷面較大，造價較高，工期較長，且臨時護岸結構在預留二期的陸域回填范圍內，采用扭王字塊護面將影響二期陸域形成的地基處理。通過計算本工程的挖泥量及土石方平衡，臨時護岸前沿線退后，波浪降低，25 a一遇H13%=3.8 m，經過核算，仍需要采用3 t扭王字塊護面。

而本工程有自己的開山石場，石料充足，采用塊石護面更加有優勢且經濟合理，因此采用動力平衡的寬肩臺拋石結構作為臨時護岸的結構形式。

寬肩臺護岸結構的肩臺寬度、肩臺高程、外側護面塊石以及坡度[5]等是設計的關鍵參數。

現行防波堤規范條款僅有“寬肩臺斜坡堤的肩臺高程可定在設計高水位以上1.0～3.0 m處，肩臺寬度取2.3～2.9倍設計波高值，且不小于6.0 m[3]”，具體計算結果見表1。

表1 主要計算結果Table 1 Main calculation results

在國外規范rock manual以及PIANC中會對寬肩臺有更加詳細的設計方法說明：利用VAN DER MEER淺水區[1]的計算公式，計算得Dn50=0.91 m，M50=2 t，可取護面塊石 1～3 t。

VAN DER MEER公式與防波堤規范中護面塊體計算公式的最大區別是采用護面破壞等級[1]的參數Sd，而不是采用護面塊體穩定系數[1]Kd，而本設計是允許在波浪作用下達到動力平衡的一個斷面，因此采用VAN DER MEER計算公式可以得出更加合適的護面塊石重量，Sd可以根據防波堤、護岸的生命周期，使用相應取值，本工程計算中Sd取值為8。

確定護面塊體的重量后，可計算變形的寬度Rec與深度hf（變形的寬度與深度[1，6]見圖3）來確定肩臺的寬度[1，7]，計算得 Rec=6.57 m，hf=1.48 m，肩臺寬度取值不得小于Rec[1-2]，本工程取10 m。

圖3 變形寬度與深度的位置示意圖Fig.3 The schematic diagram of deformation width and depth location

堤頂高程可以通過計算波浪爬高以及越浪量確定，與普通防波堤、護岸類似，不再詳述。由于本工程為臨時性工程，只要保證在波浪作用下，后方回填土不被沖刷流出。根據陸域的回填高度以及水位，確定堤頂高程為7.5 m，在極端高水位情況下，計算得越浪量0.068 m3/s/m，后方護面塊石同外坡護面塊石大小。最終設計斷面見圖4。與扭王字護面斷面比，總投資節省1 000多萬元。

圖4 寬肩臺護岸典型斷面圖Fig.4 The typical section of wide-berm revetment

施工期間由于臺風的影響，在臨時護岸拐彎圓弧段對肩臺范圍進行了補拋[8]，其他范圍變形都在可接受范圍，且狀況良好。本項目于2012年6月份完工后至今，期間經歷了幾次臺風，均未出現失穩問題，顯然護岸斷面在波浪作用下已趨于穩定。

3 寬肩臺斷面適用條件及設計要點

首先護面塊石的重量[5-8]相對常規穩定斷面來說較小，整個斷面需要的石料用量較大，其次堤頂上部不適合有穩定要求的結構，比如混凝土擋墻，混凝土路面等，因為波浪的作用下容易導致上部結構的變形[5-6]，上部結構可在動力平衡后再行設置。

肩臺上下坡度取值，可根據項目實際情況取用，坡度的不同也會影響護面塊體破壞程度參數Sd的取值，坡度較緩，Sd的取值可相對提高，護面塊石重量也可以相對降低。本項目設計中考慮到寬肩臺的變形[5-6]主要是肩臺以及下部，見圖5，下部坡度在波浪作用下最終達到一個平衡的坡度，因此設計中為了相對縮小斷面的寬度，下部坡度采用了1∶1.5而上部坡度采用的是1∶3。

圖5 典型寬肩臺變形斷面Fig.5 Typical deformation section of wide-berm revetment

另外若堤頂高度較高，越浪量及爬高都較小，后方護面塊石可取比外坡護面小的塊石，否則內外側護面塊石取相同重量。越浪量的要求以及內外坡塊石大小都可參考ROCK MANUAL相關章節進行計算，有條件可通過物模試驗[5-6]進行驗證后確定。

綜上所述，本項目的成功建設主要有以下因素：首先項目所在地石料豐富，石料場就在項目所在地，有大量的石材，為寬肩臺護岸的成功實施提供了基礎；其次，本護岸為納泥區臨時護岸，只需保證后方回填的土不流出，護岸變形不影響后方的穩定；另外，施工期的監測很關鍵，發現變形過大應及時采取相關措施；最后設計通過多規范對比計算得出寬肩臺拋石護岸的關鍵尺寸也是本護岸成功建設的一個因素。

4 結語

本項目中的寬肩臺護岸設計雖然具有一定的特殊性，但其設計及應用仍具有一定的參考價值。有條件的項目，設計后可進行物模試驗來驗證。另外，在施工期應加強觀測，發現變形過大時應采取及時補拋等相關措施，這樣更有利于動力平衡寬肩臺護岸的適應性。