温州浅滩一期南围堤护面结构优化设计

付天宇,王晓波

(1.温州市瓯江口开发建设投资集团有限公司,浙江 温州 325000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

温州浅滩一期围涂工程位于灵昆岛下游,由北围堤、南围堤、东围堤和1座排水涵闸组成,围区面积0.20万hm2(3.05万亩),其中北围堤长5 238 m、南围堤长6 278 m、东围堤长5088m(见图1)[1].。设计挡潮标准50 a一遇。北围堤一阶段交通堤与灵霓海堤于2006年5月建成通车,实现了洞头县与大陆相连的夙愿。2006年3月16日,浅滩一期围涂工程东围堤开工,于2010年底完工。2007年1月,浅滩一期围涂工程南围堤及东围堤延伸段开工,2011年7月基本完成施工。

浅滩一期南围堤工程原设计护面结构为栅栏板护面,主要考虑栅栏板护面消浪效果较好,且栅栏板预制堆放占地面积较小(当时施工现场可提供的场地较小)。该护面结构方案在施工图设计中经波浪模型试验,堤顶高程和越浪量均满足规范要求。以南围堤断面10为例,防浪墙顶高程8.6m,堤顶高程7.6m(见图2)。

图1 浅滩一期围涂工程地理位置示意图

图2 原南围堤断面10施工图

鉴于四脚空心块相对于栅栏板更适应温州软黏土地基条件下的堤身变形,四脚空心块相对于栅栏板预制与安放施工难度有所降低,四脚空心块造价较之栅栏板护面结构有所降低,且开工后施工条件有所变化,灵昆岛、霓屿石料场和南山石料场的场地已能满足四脚空心块的预制施工要求。因此,施工过程中,建设方对南围堤工程护面结构进行了调整。

护面结构调整中,为确保不降低海堤挡潮御浪标准,需根据护面结构的调整复核堤顶高程和护面结构的稳定性,其次须按规范重新进行波浪模型试验验证。

护面结构调整后,南围堤断面见图3。

图3 护面结构调整后南围堤断面10图

2 堤顶高程与越浪量计算

按SL 435—2008《海堤工程设计规范》,海堤防浪墙顶高程按下式计算:

式中:Zp为设计频率的堤顶(防浪墙顶)高程;Hp为设计频率高潮位,本工程取5.07 m;RF%为波浪爬高,允许部分越浪F=13;△H为安全加高,允许部分越浪 △H=0.4 m;P=2%。

波浪爬高按下式计算:

式中:KΔ为糙渗系数,四脚空心块与混凝土护面按面积比折算KΔ=0.725;KV为与风速及塘前水深有关的系数;R0—KΔ=1.0,H=1.0m时的爬高值;H1%为波高累积率为F=1%的波高值,当H1%＞Hb时,则 H1%取Hb值;KF为爬高累积频率换算系数。

经(1)、(2)式计算,当采用四脚空心块时,防浪墙顶高程为9.10 m,与栅栏板计算结果8.95 m接近。

按《浙江省海塘工程技术规定》,越浪量按下式计算:

越浪量的风效应按下式修正:

式中:θ为海堤临潮面坡角(°);R为波浪在海堤上爬高值(m);Wf为风速影响系数,风速大于26.8m/s,取值为2.0。

经(3)、(4)式计算,维持原设计8.6m防浪墙顶高程时,越浪量为0.03m3/(m◦s),仍可满足设计要求,计算值与栅栏板计算结果0.02m3/(m◦s)接近。

3 波浪模型试验验证[2].

波浪模型试验委托河海大学交通与海洋学院进行。试验断面采用南围堤断面3、10和东围堤延伸段断面4,本文仅说明南围堤断面10的情况。

3.1 试验工况

南围堤断面10设计工况 (50 a一遇潮位5.07m+50 a一遇波浪)试验波浪要素

南围堤断面10校核工况 (50 a一遇潮位5.07 m+100 a一遇波浪试验波浪要素)

3.2 试验内容及要求

3.2.1 主要试验原则和技术要求

根据围堤代表断面形式和基本尺寸,对断面的波浪爬高、越浪情况和结构稳定进行试验验证和优化。

3.2.2 试验内容

(1)验证海堤迎水坡护面结构的稳定性,包括四脚空心块体、灌砌块石、埋石混凝土、护面块石和挡浪墙等的稳定性。

(2)越浪量测定,并检验内坡冲刷情况。设计工况控制越浪量为0.05 m3/(m◦s),校核工况控制越浪量为0.07 m3/(m◦s)。

3.2.3 试验要求

按波浪试验规程进行,试验采用不规则波。

3.3 试验方法

试验按照JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》进行,试验采用不规则波,按正态重力相似准则设计模型。

模型长度比尺 λ=23;时间比尺 λt=λ1/2;压强比尺λp=λ;越浪量比尺λq=λ3/2。

不规则波波谱取JONSWAP谱:

式中:α为无因次常数;γ为谱峰升高因子,取3.3;ωP为谱峰频率;

将特征波要素输入计算机,按模型比尺计算产生造波讯号,控制造波机产生相应的不规则波序列。不规则波波数大于120个,每组试验重复3次,取其均值作为试验值,结构稳定试验时,波浪连续作用相当于原体1个风暴潮过程 (约3 h)。

试验在河海大学风浪水槽中进行,水槽长80.0 m,宽1.0m,高1.5m,水槽一端安装不规则造波机,另一端设置消波系统,水槽纵向分为2部分各0.5m宽,一部分铺设试验断面,另一部分用以消除波浪的二次反射。波高及波浪爬高采用电容式波高仪量测,越浪量采用集水称重法量测。

为了满足设计要求,试验中将根据设计断面的结构型式及抗浪要求,适当增加试验波要素的组合,扩大试验成果的应用范围。试验波要素率定值见表1。试验值与要求值的误差很小,符合交通部JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》的要求。

表1 模型试验风浪要素表

3.4 试验成果

为了验证设计断面的抗浪标准,对设计断面分别进行了4种不同潮位,波浪要素的组合试验。分别观察了外海坡护面结构、内海坡护面结构、挡浪墙、镇压层块石的稳定性,测量了越浪量并对护面结构进行优化。

表2 南围堤断面10稳定情况表

3.5 试验结论

(1)在50 a一遇设计潮位和相应波浪要素作用下,试验断面挡浪墙、堤后护坡、堤顶路面及格梁等结构均满足稳定要求,且越浪很小,小于0.05m3/(m◦s),均满足规范的要求。

(2)南围堤断面10上斜坡四脚空心方块重量不宜小于3.5 t,下斜坡四脚空心方块重量可采用2.2 t,镇压层坡肩块石处于临界稳定,建议加大块石重量[3].。

4 比较与分析

(1)对比南围堤原栅栏板护面波浪模型试验成果,其设计工况为0.001m3/(m◦s),校核工况为0.006m3/(m◦s)。护面结构调整为四脚空心块后,越浪量与原试验成果接近。说明相同条件栅栏板和四脚空心块消浪效果接近,且结构稳定性可满足规范要求。

(2)对比规范公式法计算成果,根据护面结构情况折算糙渗系数后,计算所得堤顶高程与试验值较为接近。试验情况验证的越浪量要远小于公式计算成果,仅为1/30。

5 结 语

(1)根据试验成果断面10护面结构由原设计40 cm厚栅栏板调整为上坡3.5 t/只、下坡2.2 t/只的四脚空心块。南围堤工程护面结构调整后,护面结构投资按中标价格计算降低了478万元,取得了较好的经济效益。四脚空心块相对于栅栏板更适应温州软黏土地基条件下的堤身变形控制,且相对于栅栏板预制安放施工难度有所降低,加快了工程建设进度。

(2)按规范公式法计算堤顶高程时,糙渗系数影响较大,针对多种护面结构同时使用的情况,应根据不同护面结构的面积比,合理折算后使用。

(3)对于较为复杂的多平台复式断面,目前按规范计算所得的防浪墙顶高程及越浪量与试验值有一定的差距,越浪量差距更为显著。因此,对于海堤实施波浪模型试验进行验证是十分必要的。

[1].俞相成,张赛生.温州浅滩一期围涂工程南围堤初步设计调整报告 (报批稿)[R]..上海:上海市水利工程设计研究院,2006.

[2].陈国平,严士常.温州浅滩一期围涂工程南围堤 (调整)波浪模型试验 [R]..南京:河海大学交通与海洋学院,2008.

[3].陈国平,严士常.温州浅滩南围堤工程波浪模型试验 [R]..南京:河海大学交通与海洋学院,2006.