海堤施工期快速度汛防护结构的现场试验研究

臧振涛，陈振华，刘林松，高 健

（1.浙江水院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

1 问题的提出

围垦工程对于沿海区域开发利用土地资源以及促进经济发展至关重要，如何解决围垦工程施工期的海堤度汛防护也是一项值得研究的问题[1]。海堤施工期安全度汛主要包括龙口段和非龙口段海堤度汛，其中非龙口段海堤由于尚未达到设计高程，施工期限长，大潮期台风来临时可能形成堤身越浪或失稳，对围垦区闭气土方造成冲刷，进而对海堤安全产生不利的影响，且影响工程施工进度，成为海堤施工安全度汛的关键阶段。

目前，关于施工期非龙口段海堤度汛的主要工程措施是放缓外海侧坡比，将较大块石抛填在外海侧，以起到消浪的目的。这种度汛方案适用于大块石料源充足的中小型围垦工程，但对于单体大、堤线长、需经历多个汛期且石料来源不足或料源较差的围垦工程却不适用。为此，结合温州市瓯飞一期围垦工程的实际情况，开展施工期快速安全度汛结构的现场试验研究，通过2016年台汛期的第14号及16号台风的验证，提出一种海堤施工期快速度汛防护结构，该结构能够很好地结合永久护面结构，且施工方便、造价较低，从而为该围垦工程施工期提供一种快速度汛方案，也为其它类似工程提供一定参考。

2 工程概况

温州市瓯飞围垦工程是全国单体最大的围垦工程，位于浙江东南沿海瓯江河口和飞云江河口之间的滩涂区域。瓯飞一期围垦工程围垦面积约0.885万hm2（13.28万亩），堤线总长约36.66 km，施工计划总工期9.5 a（分北片与南片）[2]，估算总投资273亿元，北片与南片分别已于2013年7月、2016年7月开建，截止本次研究开始之时，主堤抛石高程5.50 ～ 6.00 m，闭气土方填筑高程0.00 ～ 2.00 m，1.00镇压平台外肩混凝土、外坡肩100 cm厚灌砌块石正在施工。围垦工程的度汛设计标准根据其工程等级和主要建筑物海堤、水闸的级别来确定，一般采用10 ～ 20 a一遇设计高潮位及其典型潮型[3]。瓯飞一期围垦工程中，海堤度汛按汛期20 a一遇风浪设计。

瓯飞一期围垦工程采用霓屿料场的石料，通过对该石料场地质状况、开采、装卸及运输方式等调研显示：该矿区能满足试验区设计要求的块石开采率平均为10.9%；块石在装卸运输至现场后会发生二次破损，实际施工时的块石厚度、重量难以满足原设计要求；绝大多数块石很难满足有2个平面，导致砌筑后块体较难紧靠、间隙较大。

3 现场度汛试验方案

由于瓯飞一期围垦工程具有单体大、堤线长、时间跨度大（从施工至完成需经历多个台汛期）、防护等级高、料源较差等特点，为了在施工期能够快速安全度汛，并结合永久结构断面以提高石料利用率、减少工程造价，在施工现场开展施工期快速度汛的方案研究。

3.1 水文条件

试验堤位于在瓯飞一期围垦北片的南端、2#隔堤与主堤交接处“观景平台”的北侧，是瓯飞一期围垦工程风浪条件最恶劣的区域（见图1）。该试验段20 a一遇设计潮位：年最高设计潮位为4.72 m，非汛期最高设计潮位为4.03 m，年最低设计潮位为- 3.72 m；工程20 a一遇的各累计频率设计堤前波要素见表1。

图1 试验区位置示意图

表1 瓯飞一期20 a一遇各累计频率设计堤前波要素表

3.2 度汛典型断面

整个试验堤堤顶内口为4.42 m高程（指试验期施工高程，余同），堤顶向外海侧设坡比5%，堤顶外肩高程为4.00 m，下接1∶2斜坡至1.00 m高程，另加2.00 m的坡脚（见图2）。

图2 试验区典型断面图

考虑到现场试验期间，实际遭遇的风向、波浪动力等较难估计，不能像室内物模试验那样可以人为控制，为取得不同波浪动力作用下的度汛护面的稳定成果，在保证试验堤断面几何尺寸不变的前提下，适当改变不同比尺下护面结构层厚度、块石单块尺寸与重量、混凝土强度，并根据相应比尺改变试验区的堤顶宽度、堤前水深等，在试验区开展度汛护面结构试验。

3.3 度汛试验方案

本次度汛断面试验是结合海堤迎海侧永久工程防护结构，提高海堤施工期的度汛防护标准，在每年的台汛前，对抛石堤迎潮面的肩部、顶部、越浪冲击等部位，先行采取适应一定沉降变形的工程防护措施，汛后该工程措施作为永久防护结构的一部分。为此在现场开展坡肩灌砌块石、备料块石防护、半灌及块石备料方案[1]研究。

试验堤堤顶除喷灌块石防护部位外，应采用含大块石级配正常的“块石混合料”填筑压实，堤顶不得采用挑除大块石后的石渣料填筑。

3.3.1 方案1： 坡肩灌砌块石方案

试验段1#：试验堤按照设计尺寸进行块石理抛（块石重量为100 ～ 200 kg，具有至少2个平面且表面粗糙的石料）后，在堤顶2.00 m，堤顶外肩1.00 m、1∶2斜坡坡脚1.00 m范围采用C8混凝土灌砌，灌注厚度为35 cm。

试验段2#：试验堤按照设计尺寸进行块石理抛（块石重量为50 ～ 100 kg，不具有平面、表面粗糙的石料）后，在堤顶2.00 m，堤顶外肩1.00 m采用C8混凝土灌砌，灌注厚度为25 cm。

灌砌部分需埋设排水孔，孔径7.5 cm、3 ～ 4孔为1组，纵横间距50.0 cm，孔底包土工布，并在灌注完工后将其戳破。

3.3.2 方案2： 备料块石防护方案

试验段3#：试验堤堤顶4.00 m，堤顶外肩1.00 m、1∶2斜坡及其坡脚采用两层重量为250 kg的块石理抛，理抛块石总厚度为80 cm。

3.3.3 方案3：半灌及块石备料方案

试验段4#：试验堤堤顶3.00 m采用C8混凝土半灌大块石，块石厚度为50 cm；堤顶外肩2.00 m、1∶2斜坡及其坡脚采用2层重量为250 kg的块石理抛，总厚度为80 cm；下垫层选用厚度为20 cm的小石块。

试验段5#：试验堤堤顶2.00 m采用C8混凝土半灌大块石，块石厚度为35 cm；堤顶外肩2.00 m、1∶2斜坡及其坡脚采用3层块石理抛，总厚度为80 cm；下垫层选用厚度为20 cm的小石块。

4 度汛方案对比分析

海堤施工期度汛防护的结构与永久防护结构明显不同，具有以下特点：

该结构属施工期间的临时结构，允许“开裂”、少量“掀起”或“冲蚀”；

（1）要求所保护的主堤的主体部分“冲而不坍”；

（2）要求采取的工程措施便于快速施工；

（3）尽量与永久结构结合、额外成本低。

4.1 数据采集分析

为了达到试验效果，捕捉试验区块石护面结构受破坏期间所经历的台风、波浪、潮位等相关参数，在试验区安置了水位计、波浪仪及测风仪。

试验段于2016年7月30日完工，对度汛试验区有影响的台风主要有第14、16号台风（“莫兰蒂”“马勒卡”）。经提取并分析相关数据可知，台风期间试验区内的波高、潮位变化见图3。

图3 台风期间潮位、波高与时间变化曲线图

由图3可知，2场台风期间，对试验区有影响较大的时间段统计分析如下：

台风“莫兰蒂”“马勒卡”影响试验区期间恰遇天文大潮期（农历八月十五至八月十八），试验堤顶、护肩、1∶2斜坡经历4次高潮位叠加大波浪的冲击时段、潮位、波高、风速等见表2。

表2 台风“莫兰蒂”“马勒卡”影响试验区的相关要素表

4.2 现场方案对比分析

试验段遭遇多次超试验工况的风浪越浪冲击后（试验工况指试验时相当于20 a一遇度汛防护设计标准的潮位、波浪组合，即潮位3.40 m + 最大波高1.66 m），现场查看统计失稳状况（现场照片见图4），安全度汛试验段护面结构稳定情况见表3。

图4 台风过后试验区失稳照片图

表3 台风期后度汛护面结构稳定情况统计表

通过现场试验，可以得到如下结论：

（1）相同风浪条件下，采用50 ～ 100 kg、厚35 cm块石灌砌结构（试验段2#）的防护能力明显弱于100 ～ 200 kg、厚25 cm块石灌砌结构（试验段1#），这主要是由于灌砌块石的透水率还是较低，当护面结构较薄且块石重量不足时，易发生抛起破坏。

（2）同样风浪条件下，与试验段1#相比，采用半灌及块石备料的护面结构虽然局部遭到冲蚀，但能保持度汛防护的功能，能够满足施工期度汛防护的任务，且不需布置排水孔，施工速度快、混凝土用量少。

（3）单依靠备料块石很难完成瓯飞一期围垦工程的大风浪区域的施工期快速安全度汛，但由于其具有施工速度快、工艺简单，可用于块石充足、风浪较小的区域。

4.3 经济效率评估

根据施工期安全度汛防护设计断面及概算单价，对3种方案进行技术经济比较（见表4）。

表4 度汛防护结构优化方案技术经济比较表

通过技术经济比较可以看出，方案3具有以下特点：

（1）由于采用混凝土半灌施工工艺，施工理抛块石时，不需要特意保证块石间的缝隙（灌砌块石缝隙为8 cm），采用半灌混凝土工艺，加快了施工进度，且施工工艺简单，便于现场施工作业；

（2）表面凸凹不平，具有较好的消浪性能；

（3）采用半灌混凝土施工工艺，提高了块石间的嵌固力及摩擦力，增强了块石的稳定性；

（4）在永久性结构施工时，将半灌部分进行刨毛、混凝土灌砌找平，可以作为镇压平台的一部分，较好地与永久护面结构相结合

（5）整体施工速度快、结构简单，综合成本较低。

综合考虑，建议方案3作为瓯飞一期围垦工程施工期度汛的主推方案，方案2可应用于风浪明显小的堤段度汛。

5 结 语

为了解决围垦工程中非龙口海堤施工期快速度汛的问题，在瓯飞一期围垦工程开展现场试验研究，试验方案主要有方案1（坡肩灌砌块石方案）、方案2（备料块石防护方案）及方案3（半灌及块石备料方案）。

试验区先后经历台风“莫兰蒂”“马勒卡”，通过对2场台风期间的波高、潮位、风速等采集分析，结合现场试验区的稳定情况及技术经济比较可知，方案3具有较好的透水性能、消浪性能、施工工艺简单、施工速度快、综合造价较低且能与永久结构相结合。最终建议方案3作为瓯飞一期围垦工程施工期快速度汛的主推方案，方案2可应用于风浪明显小的堤段度汛。该现场试验研究也可为类似的大型围垦工程提供一种施工期快速度汛的施工方案。

[1] 易晓辉.浅谈长江口中低滩围垦工程龙口合龙关键技术[J].中小企业管理与科技，2016(7)：107 - 110.

[2] 蔡佳佳.瓯飞一期围垦工程建设对龙湾二期围涂工程影响研究[J].水运工程，2016(11)：11 - 13.

[3] 胡能永，翁保忠.围涂工程施工安全度汛设计[J].大坝与安全，2008(5)：16 - 18.

[4] 孙德勇，臧振涛.嵌固力作用下砌石护面的稳定性[J].水运工程，2017(5)：22 - 24.