扭王字塊體護面潛堤加高方案

倪靖宇，于蘊澤

(中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120)

1 研究背景

天津港某防波堤為出水堤+潛堤復合堤結構，其樁號0+000～1+500為出水堤，堤頂高程5.5 m；樁號1+500～2+350為潛堤，堤頂高程2.5 m。工程海域的設計高水位為4.3 m，故堤頂高程為2.5 m的850 m潛堤段長時間處于海水淹沒狀態。防波堤建成后部分小型漁船不按導助航標示路線行駛，強行穿越潛堤堤頂，偶有發生漁船擱淺在堤頂上的情況(圖1)。為避免此類事件的再次發生，計劃對復合堤進行加高改造，將潛堤變為出水堤，從而徹底阻斷小型漁船橫穿潛堤的通航路徑。

圖1 漁船擱淺

2 已建潛堤結構

擬加高潛堤全長850 m，堤頂高程2.5 m，堤頂寬度6.32 m，內外邊坡均為1:1.75，堤芯采用大型袋裝砂棱體結構，堤頂、內外側邊坡護面塊體均采用6 t扭王字塊，塊體下設300～500 kg拋石墊層，厚度1.1 m。拋石墊層下設反濾層，由厚度0.7 m、規格10～40 kg塊石+600 g/m2的無紡土工布組成。內外側鎮腳平臺高程為-4.2 m，采用砂肋軟體排加拋石結構，表層石塊規格300～500 kg，厚度1.1 m，下設0.6 m厚10～100 kg墊層石，墊層石下鋪設砂肋軟體排；內外側鎮腳拋石平臺寬度均為18 m，余排寬度8 m。基礎采用砂被+排水板進行處理，排水板間距1.1 m，打設底高程-16 m，垂直于堤軸線處理范圍為60.5 m(圖2)。

圖2 已建潛堤結構斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

3 堤頂高程

根據JTS 145—2015《港口與航道水文規范》第5.5.2條[1]規定“位于海岸和感潮河段常年潮流段的港口，設計高水位應采用高潮累計頻率10%的潮位或歷時累計頻率1%的潮位”，本海域設計高水位為4.3 m，即歷時累計頻率1%的潮位為4.3 m，在正常氣象條件下，該海域在99%的時間段內潮位低于4.3 m，因此阻止小型漁船通航，潛堤段頂高程至少加高至4.3 m。另一方面，由于已建防波堤為復合堤，其中出水堤堤段的頂高程為5.5 m，潛堤段的加高本著經濟合理、協調一致的原則不應超過已建出水堤。故潛堤加高的頂高程應設計在4.3～5.5 m之間，對于加高出水阻斷航路的功能需求而言，堤頂高程抬高越大越有助于該功能的實現，但堤頂高程設計得越大工程投入越大，工程費用越高，這是一個非常突出的矛盾，需要在方案研究中加以全面考量。

4 方案設計

4.1 同類工程經驗

潛堤加高在國內已有實踐：張偉豪[2]在汕頭港外導流攔沙堤加高工程中，將結構形式為扭王字塊護面的拋石斜坡潛堤，采用削角王字塊壓頂+扭王字塊護面的方式，使堤頂高程由-2.10～-0.30 m加高為2.5～2.7 m；黃驊港某防砂堤[3]于2005年建成，結構形式為拋石斜坡潛堤，2013年采用拋石加柵欄板護面的方式將其頂高程由0.0 m加高至2.5 m，并在堤頂澆筑了鋼筋混凝土防浪墻。

根據潛堤加高后的使用功能要求，上述項目在堤頂加高形式設計上較為保守，多數采用大體積的削角王字塊壓頂或者鋼筋混凝土防浪墻加高堤頂。若參考此類結構形式對本工程開展方案設計顯然不經濟、不適用，而近年來在一些防波堤修復工程中采用的堆疊扭王字塊體的加高形式給本項目的方案設計帶來了良好的啟發。

溫嶺市釣浜漁港防波堤常年受臺風影響破損嚴重，原堤身3.0～7.5 t的扭王字塊護面破損和失穩嚴重。趙子文等[4]設計將6 t以上的扭王字塊體就地破碎分解，然后再在其上鋪設15 t扭王字塊體，最后將防波堤的抗災能力提高到了100 a一遇。在北方海域，臺風“梅花”曾造成大連某沿海化工區護岸損壞。楊會利等[5]在損壞的9 t扭王字塊體護面上直接增設了1層15 t的扭王字塊體進行修復，取得了良好的防護效果，該研究同時驗證了原塊體作為墊層的適應性。根據上述同類工程經驗可知，扭王字塊體護面結構的潛堤加高可采用扭王字塊體直接在其上鋪設的方式。

4.2 方案設計

通過同類工程經驗分析可知，直接堆疊扭王字塊體加高潛堤的方法簡便快捷，對已建堤身影響較小，且能夠實現本工程加高出水阻斷航路的設計目標，但設計過程中須考慮增加堤身塊體質量和堤身整體穩定的問題。

4.2.1增加堤頂塊體質量

根據JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》第4.3.17條[6]規定，“堤頂塊體的質量宜與外坡塊體相同。當堤頂高程在設計高水位以上不足0.2倍設計波高時，其質量不應小于外坡護面塊體質量的1.5倍。”現狀潛堤堤頂高程為2.5 m，設計高水位為4.3 m，二者高差1.8 m，而堤身外側使用的護面塊體為6 t扭王字塊，該塊體疊加安放后的豎向高度為1.79 m，即在已建的潛堤堤頂增設1層6 t扭王字塊即可將堤頂高程提高到4.29 m，與4.3 m僅相差0.01 m，基本可實現其出水阻航的功能。若加高后的堤頂高程設計高于4.3 m，雖然出水效果更好，但按照規范要求至少要將堤頂的扭王字塊體質量增加至9 t以上。

4.2.2堤身整體穩定

由于該防波堤地基為淤泥質海岸深厚軟土，堤身結構采用大型袋裝砂棱體堤芯+拋石墊層和人工塊體護面的結構，為保障堤身安全并最大限度地降低工程造價，在潛堤設計之初便已按照“充分利用袋裝砂棱體的整體性”的設計原則，把堤身整體穩定的安全儲備盡量壓減，以縮小斜坡堤的斷面面積、減少工程用料。根據穩定計算的結果，堤頂高程加高不超過4.3 m時，不會對防波堤整體穩定帶來顯著影響，無須增設穩定附加措施；但當堤頂高程加高超過4.3 m時，由于堤頂增高幅度過大，導致堤身整體穩定計算結果超出規范限值，需要對拋石反壓平臺進行加長或增厚才能夠達到規范[7]的穩定要求。故堤頂高程設計得越大，堤身整體穩定附加措施的投入就會越大。

4.2.3方案比選

從滿足功能需求和最為經濟合理的角度出發設計了方案1；考慮通過增加堤頂塊體的質量和尺度進一步提高功能性的實現，設計了方案2和方案3(圖3)。

圖3 設計加高潛堤結構斷面

1)方案1：堤頂6 t扭王字塊體。在潛堤外海側堤身上增設1層質量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放3排6 t扭王字塊體；

2)方案2：堤頂9 t扭王字塊體。在潛堤外海側堤身上增設1層質量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放2排9 t扭王字塊體，外海側拋石平臺上方增設厚度1.1 m，規格300～500 kg拋石；

3)方案3：堤頂12 t扭王字塊體.在潛堤外海側堤身上增設1層質量為6 t的扭王字塊體，堤頂并列安放2排12 t扭王字塊體，外海側拋石平臺上方增設厚度1.1 m，規格300～500 kg拋石。

5 物模試驗

5.1 試驗條件及模型設計

防波堤斷面波浪物理模型試驗在寬1.2 m、深1.8 m的水槽中進行，按重力相似準則設計模型比尺1:25，采用不規則波與規則波分別試驗，規則波試驗采用H5%，每一波況累計試驗持續時間不小于原型3 h，各特征水位的設計波浪要素見表1。

表1 防波堤試驗波浪要素

5.2 試驗結果

針對不同水位及波浪組合，為保證試驗結果的可靠性，每組試驗至少重復3次。當3次重復試驗的試驗結果差別較大時，則增加重復次數。每次試驗均重新鋪放斷面。根據JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》要求[8]，以塊體滾落或累計位移超過塊體最大幾何尺度的一半為扭王字塊護面失穩判別標準。各方案的試驗結果見表2。

表2 ENE向50 a一遇波浪作用下各方案塊體穩定試驗結果

根據試驗結果可知，SE向波浪由于設計波高較小，所有水位工況均未出現失穩現象。ENE向波浪作用下，3個方案的坡面6 t扭王字塊體在不同水位工況下均能保持穩定；方案3未出現失穩現象，方案1和方案2堤頂塊體有失穩現象出現，其中方案1在極端高水位和設計高水位工況下出現失穩，方案2僅在設計高水位工況下出現失穩。

從圖4可知：方案1在極端高水位工況時1塊6 t堤頂扭王字塊體位移超限，在設計高水位工況時1塊6 t堤頂扭王字塊體滾落到內側坡面；方案2在設計高水位工況時3塊堤頂9 t扭王字塊體滾落，其中1塊滾落到內側坡面，另外2塊滾落至護面塊體坡腳。故從破壞程度上看方案2比方案1更嚴重。方案3由于堤頂塊體質量大幅增加，在各種工況下均未出現塊體失穩的情況。

5.3 推薦方案

根據試驗結果，按照JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》第4.3.7條“扭王字塊護面塊體容許失穩率0%”的要求判定，僅有方案3能夠滿足規范要求，故選擇方案3作為推薦實施方案。

6 結語

1)扭王字塊護面結構潛堤采用直接堆疊扭王字塊進行加高是可行的。

2)加高設計中堤身護面采用與下層相同規格的塊體能夠滿足穩定要求也便于施工。

3)當堤頂高程在設計高水位以上不足0.2倍設計波高時，堤頂塊體質量采用外坡護面塊體質量的1.5倍通常不夠，須達到2倍以上才可靠。