围堤消浪平台上混凝土扭工字块设计方法探讨

王文杰，侯石华，杨火其，李来武

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310016）

1 杨文围涂工程简介

洞头县杨文围涂工程位于浙江省温州市洞头县洞头岛东北的屿仔岛与内瑾、屿仔岛与柴岙之间，界于北纬27°51′07″ ～ 27°51′40″，东经 121°09′28″ ～ 121°10′20″。围涂的北侧为洞头岛与三盘岛之间的水道，南侧为洞头岛陆域，东侧为洞头客运码头（水桶擂码头，见图1）。

图1 杨文围涂工程位置图

杨文围涂工程围区的涂面稍陡，围区自西南向东北倾斜，东西向长1 000 m左右，涂面高程在-0.70 ～ 1.50 m，平均高程0.16 m，平均坡度1∶180。

2 设计基础资料

2.1 设计潮位

洞头站50 a一遇设计高潮位6.77 m（洞头本岛基面，下同），设计低潮位-1.82 m。

2.2 设计波浪

采用波浪数学模型（采用SWAN模型计算，该模型是Delft大学于2000年10月推出的第三代浅水波浪成长数学模型，基于波作用能量守衡方程，可以用来计算近岸海域风浪的产生、成长，以及传播）进行计算，堤前波要素计算结果见表1。

表1 50 a一遇堤前波要素表

2.3 工程地质

本工程场地地基埋藏着深厚的淤泥，最大厚度达30余米。淤泥呈灰色，流塑，厚层状，偶含贝壳碎屑，有光泽，干强度及韧性高。高压缩性，土的物理力学性质差，含水率55% ～ 65%，粘聚力约10 kPa，摩擦角7°。

3 围堤结构

3.1 堤身结构

浙江省沿海围堤断面结构常用的有斜坡式、直立式和混合式3种，经过技术经济比较，本工程采用直立挡墙式堤身，外加人工块体消浪平台结构。

堤顶高程9.30 m，顶宽8.00 m，挡浪墙顶高程10.30 m。坝型采用土石混合坝。

围堤（涂面以上）断面分2部分，即爆填堤心石堤身和堤背闭气土组成。爆填块石（渣）堤身底宽55.55 m，顶宽8.00 m，围区侧边坡度高程7.80 m以下为1∶1.5，7.80 m以上设浆砌石直立挡墙；外海侧在高程4.00 ～ 2.00 m处设消浪平台，平台宽20.50 m，平台外侧坡比为1∶4，采用扭工字预制块消浪。高程4.00 m以上为坡比1∶0.4的C20混凝土灌砌块石挡墙，墙顶连接C25钢筋混凝土挡浪墙，挡浪墙与内侧浆砌石挡墙间为C25混凝土堤顶路面，路面采用三层结构，下铺厚20 cm碎石垫层，其上铺厚10 cm C10混凝土稳定层，顶面建厚20 cm C25混凝土路面。

堤背闭气土顶面总宽74.40 m，在高程6.00 m处设宽6.00 m的交通平台，在高程3.50 m处设宽8.00 m的压载平台，闭气土边坡坡比自上而下分别为1∶3、1∶4和1∶12。其中高程6.00 m平台及以上边坡均采用厚15 cm C25混凝土预制块干砌保护，高程6.00 m以下坡面采用植草皮防护。

爆填堤心石与闭气土接触面间设1层300 g/m2无纺布反滤。

3.2 基础处理

经过技术经济比较，采用悬挂式爆破挤淤处理技术。

根据地质钻探揭示的地基土层分布，堤轴线处的淤泥层厚度达约25.00 m，最深处高程为-27.00 m。由于爆炸深度可能受到限制，故采用整体抗稳定计算确定爆炸置换的深度和范围。经过计算，爆炸置换底高程-24.00 m，混合过渡层底高程-25.50 m，爆炸填心石底宽24.40 m，最大宽度56.35 m，两侧边坡1∶0.8。

3.3 消浪平台位置

工程区域多年平均潮位1.97 m，多年平均高潮位4.03 m，50 a一遇设计高潮位6.77 m。

为了使波浪在到达围堤之前能够尽可能破碎，从而达到消减波浪力，消浪平台高程宜选在多年平均高潮位与设计高潮位之间。因此，经分析比较，确定将平台设置成内高外低的缓坡，平台水平宽度约15.0 m，坡比大约在1∶20。

4 消浪平台结构设计

消浪平台高程位于多年平均高潮位与设计高潮位之间。浙江沿海多数采用的人工块体有混凝土扭王字块、四脚空心块、扭工字块等。扭王字块由于具有立体造型，虽然消浪效果较好，但要做到规则摆放较难，只能随机摆放，因此，稳定性较差。如岱山县拷门大坝采用扭王字块，设计时采用重3.5 t，运行一段时间后，发现块体出现移位、破碎现象，加固时将块体改成重8.0 t。四脚空心块由于比较规则，图形几何对称，且消浪效果较好，故通常置于斜坡堤的坡面上，达到较好的消浪效果，稳定性较好[1]。扭工字则介于上述两者之间，虽呈立体状，但有条件进行规则摆放。因此，本工程选择混凝土扭工字块作为消浪块体。

4.1 块体大小确定

根据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》，斜坡上的人工块体质量和厚度由公式（1）计算：

式中：Q为主要护面层块体质量（t）。当护面由2层组成，则块体质量在0.75Q ～ 1.25Q，应有50%以上的块体质量大于Q；γb为人工块体重度（kN/m3），取23.5；γ为水的重度（kN/m3），取10.3；H为设计波高（m），当平均波高与水深的比值小于0.3时，宜取H5%；当比值大于等于0.3时，宜取H13%；KD为稳定系数，可按表D.3.2 - 1确定，本处一层四脚空心块取14，扭工字体取18；t为块体护面层厚度（m）；n为块体护面层层数；c为系数，可按表D.3.2 - 2确定；m为斜坡坡率，m = ctgα，α为斜坡坡角（°）。

由于该公式适用于坡比缓于1∶5的斜坡上，而本工程消浪平台坡比1∶20。因此，不能直接采用。考虑到此种工况目前尚无合适的计算公式可用，根据岱山县拷门大坝等工程试验结果分析，按块体处于坡上计算得块体质量，再按JTJ 220 — 82《港口工程技术规范》规定将计算值放大20% ～ 30%，可作为设计使用，但有条件的宜进行模型试验确定[2-3]。本处混凝土扭工字体质量计算条件为：块体处于坡比1∶2的斜坡上，并将结果放大20%，由此得堤前扭工字块重2.8 t。

4.2 块体摆放方式

浙江沿海消浪平台上块体多采用随机摆放的方式，即采用乱抛，一般有一层或多层摆放。但由于随机摆放稳定性较差，故本工程设计时采用规则摆放（见图2、图3）。

4.3 块体锚固方式

要使块体在狂风巨浪中稳固，最好的办法是使其“生根”。如果将其独立成堆规则摆放，虽然解决了整体性的问题，由于尚未“生根”，受潮浪冲击，使外围块体相互勾连的“脚”被拉断，从而导致局部甚至全部损坏。经过分析，认为在块体前缘设置1道门槛（即镇墩），可减轻波浪对块体的冲击，从而使块体保持稳定。镇墩结构见图4。

图2 围堤消浪平台剖面图

图3 混凝土扭工字消浪平台照片

图4 镇墩剖面图 单位：cm

5 结 语

浙江沿海围堤前大量使用人工块体进行消浪，从而可以降低堤顶高程，节省工程投资。由于随机摆放的块体稳定性差，因此，通常采用增加块体质量来维持稳定，使投资增大。本文旨在探索规则摆放的方法，并让其“生根”，既可解决块体稳定性的问题，又可节省工程投资。本工程建成已运行十几年，其间经历多次台风巨浪袭扰，整体性依然完好。