扭王字块在海堤工程堤脚防护中的运用

李连成

(盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224002)

扭王字块体是治海工程中常用的预制混凝土块体，在盐城境内水利工程中常用于主海堤坡面防护、堤脚压护、抛石丁坝及抛石顺坝压护，单体重量0.4～2t不等。自海堤达标工程建设至今，采用400kg扭王字块对滩面设计高程较低堤段以及节点堤段的主海堤坡脚进行压护。随着堤前滩面蚀降加剧，400kg扭王字块已不能满足堤脚防护工程安全运行的需要。滨海县振东闸以北段海堤位于陶湾岳堆至振东闸之间，主海堤水毁情况严重。在该段海堤水毁修复工程中，运用600kg扭王字块双向嵌固安装对堤脚加强防护。结合扭王字块现场摆放试验，确定了600kg扭王字块双向嵌固安装方式下的抛置密度，减少了工程设计时扭王字块工程量计算的偏差。通过波浪断面物理模型试验验证了防护效果，可为其他海堤工程中扭王字块设计提供参考。

1 现状情况及方案分析

堤前滩面刷深加剧是滨海县振东闸以北段海堤水毁的重要原因之一(工程处滩面变化情况见图1)。因滩面持续蚀降，原主海堤坡脚位置近似前移，滩面近似刷深成缓坡。堤脚外70m为管桩顺坝，按照传统设计思路，采用抛石将堤脚前滩面恢复至设计高程，保滩修复工程与海堤修复工程共同实施，解决滩面蚀降的问题。但是工程投资巨大，且不科学不经济。本次为海堤水毁修复工程，保堤必须保脚，故本次工程对现状堤脚顺坡加强防护，减少堤脚处滩面蚀降，确保主海堤的安全。

图1 滩面蚀降情况测量对比(单位：m)

滨海海堤工程中，常用抛石对滩面进行加固，局部堤段还采用400kg扭王字块进行坡脚护滩平护。本工程堤段原主海堤防护工程中采用抛石护脚，抛石单体重量为60kg/块。随着堤前滩面刷深加剧，波浪要素增大，原规格抛石防护已不能满足工程需求，且块石体积小，易经波浪作用带到堤上，撞击坡面，形成主海堤坡面水毁，造成严重安全隐患。故本次修复工程设计坡脚防护拟采用扭王字块结合抛石的综合型式。扭王字块护脚，不仅可以加强护脚防护效果，其空隙消浪效果强于抛石防护，而且可以隔断抛石护滩与主海堤防护，减少小抛石上岸冲毁主海堤护坡的风险。同时，该地区附近无块石码头，工程抛石需通过陆运至施工场地，采用扭王字块代替部分抛石，不仅可以减少抛石采购数量，缩短工期，而且施工质量得到保证，海堤防护效果明显。

2 护脚防护设计

根据滩面刷深情况，设计护脚防护长度20m。初拟方案堤前护脚紧密布置五排扭王字块，其余采用抛石防护，抛石厚度不小于1m。

2.1 扭王字块设计

本次护脚防护块体单体重量分2种工况分别计算：ⓐ作为护底块石根据堤前最大波浪底流速确定；ⓑ考虑堤前滩面刷降成陡坡按护坡防护进行计算。

计算公式均依据《海堤工程设计规范》(GB/T 5105—2014)。

2.1.1 作为护底块石根据堤前最大波浪底流速确定

根据《海堤工程设计规范》(GB/T 5105—2014)附录J，J.0.7条，斜坡堤前最大波浪底流速按下式计算：

式中：Vmax为斜坡堤前最大波浪底流速，m/s；H为设计波高，m，计算取用H=3.82m；L为计算波长，m，计算取用L=20m；g为重力加速度，取9.81m/s2；d为堤前水深，m，考虑滩面刷深至-2.0m，d=5.45m。

计算得，Vmax=1.211m/s，查表J.0.7，对应的块石重量不大于60kg。

2.1.2 考虑堤前滩面刷降成陡坡按护坡防护进行计算

该工况下防护块体单体重量按下式计算：

式中：Q为单个扭王字块质量，t；γb为预制扭王字块的重度，kN/m3，取γb=24kN/m3；γ为水的重度，kN/m3，取γ=10kN/m3；H为设计波高，3.82m；m为斜坡坡率，取5(考虑堤前滩面刷深，坡面变陡)；KD为稳定系数，取18。计算得，Q=0.54t。

由两种工况计算结果可知，堤脚前滩面刷深成较陡坡面，海堤堤脚近似前移，坡面防护所需块体重量远大于护底块石重量。综合两种工况计算成果，设计扭王字块单体重量取0.6t，即600kg扭王字块。

根据《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)附录B，扭王字块标准尺寸有AB两种型号，结合滨海海堤施工经验，B型扭王字块脱模相对困难，影响块体质量，故本次工程设计选用A型扭王字块。由规范表B.0.2可计算得600kg扭王字块计算高度h=92cm。

2.2 扭王字块护面厚度复核

预制混凝土异型块体护面厚度按下式计算：

式中：t为扭王字块护面厚度，m；n为扭王字块护面层数，取1；c为系数，1.3，规则安放的块体空隙率P′为40%，计算得，t=0.80m。

600kg扭王字块双向嵌固摆放时高度为0.85m>0.8m，满足设计要求。

2.3 扭王字块摆放理论计算

扭王字块安装方式有散抛和规则安放两种，其中规则安放又有多种安装型式。滨海海堤工程常用单层扭王字块进行坡面坡脚防护，单层扭王字块的安装方式有单向嵌固(三足着地)和双向嵌固(一边一足着地)两种。设计时初拟规则安放的抛置密度，具体安装型式由现场试验确定。

扭王字块个数按下式计算：

式中：N为扭王字块体个数；A为垂直于厚度的护面层平均面积，取100m2；P′为护面层的空隙率,%，取P′=40%。计算得，N=208块。

2.4 海堤工程波浪断面物理模型试验

初始方案：护坡护脚前采用扭王字块压护结合抛石护滩。其中扭王字块摆5排，拋石范围为堤脚前20m，拋石面高程一致采用0.00m(废黄河零点，下同)。

海堤原修复方案考虑管桩消浪及管桩破坏工况下，120kg及以上的护脚块石发生位移，部分块石滚动至C35混凝土护坡和栅栏板护坡上部，对海堤上部结构安全可能造成一定影响。

物理模型试验对初始方案进行如下优化：

a.优化方案一将护脚块石加大至250kg及以上。优化方案一考虑管桩消浪工况，有块石作用至扭王字块体顶部，无块石作用至栅栏板护面，海堤各部位均满足波浪作用下的稳定性要求。优化方案一考虑管桩破坏工况时，有少量块石作用到栅栏板护坡上部。优化方案一海堤断面见图2。

图2 优化方案一海堤断面 (高程单位：m，尺寸单位：cm)

b.优化方案二采用250kg及以上护脚块石，抛石段向外海以1 ∶10坡度降低，保证平铺段厚度1m，保持该顶高程平铺至扭王字块外侧14m位置，栅栏板下部的35cm厚C35混凝土垫层更换为35cm厚干砌块石垫层。优化方案二考虑管桩消浪工况，有块石作用至扭王字块体顶部，无块石作用至栅栏板护面。优化方案二考虑管桩破坏工况时，有少量块石作用到栅栏板护坡上部。优化方案二海堤断面见图3。

图3 优化方案二海堤断面 (高程单位：m，尺寸单位：cm)

物理模型试验结论：两种优化方案均可作为设计方案。

2.5 本工程最终设计方案

对比物理模型试验两种优化方案，防护效果相同，防护工程量优化方案二明显低于优化方案一。工程拟采用优化方案二，护脚防护总长度为20m。波浪断面物理模型试验时，扭王字块(见图4，白色块体)采用单向嵌固的安装方式。扭王字块的安装方式不同，直接影响扭王字块的稳定性及护脚的防护效果。扭王字块防护长度需通过扭王字块现场摆放试验确定。

图4 波浪断面物理模型试验中扭王字块

3 扭王字块现场摆放试验

盐城滨海地区扭王字块安装常用单向嵌固(三足着地)和双向嵌固(一边一足着地)两种方式。从已实施的工程效果来看，单向嵌固方式安装简单，但是扭王字块块体之间只受单方向的约束，一个扭王字块失稳后容易使整排扭王字块发生滑移；双向嵌固安装较复杂，需横竖两个方向错位安装，有一定的嵌固深度，达到双向嵌固的效果，整体性优于单向嵌固安装方式。

根据初步设计批复及模型试验要求，工程堤脚前需紧密摆放扭王字块五排。施工单位根据设计要求，分别摆出单向嵌固和双向嵌固这两种安装形式。

a.单向嵌固：三足着地，五排总长度3.10m，单排宽度0.92m，考虑排与排间距0.02m，计算得每百平方拋置密度为170块。计算得单向嵌固安装方式下的扭王字块块体空隙率约为50.96%。单向嵌固摆放见图5。

图5 扭王字块三足着地单向嵌固现场摆放

b.双向嵌固：一足一边着地，双向嵌固摆放见图6～图8。五排总长度4.50m，单排宽度0.92m，现场测量实际嵌入深度约0.30m，每百平方米拋置密度为178块。双向嵌固安装方式下的扭王字块块体空隙率约为48.65%。

图6 扭王字块一边一足着地双向嵌固现场摆放图(正面)

图7 扭王字块一边一足着地双向嵌固现场摆放图(侧面)

图8 扭王字块一边一足着地双向嵌固现场摆放图(背面)

考虑护脚防护控制扭王字块为紧密布置五排，每百米海堤长度下，双向嵌固防护范围(4.50m×100m=450m2)大于单向嵌固(3.10m×100m=310m2)，防护面积大，且扭王字块整体稳定性好；双向嵌固方式需扭王字块801块，单向嵌固方式需扭王字块527块，双向嵌固的总投资略高，但可以减少纯抛石防护范围(长度相应减少1.40m，即140m2)，减少抛石防护工程量。因该地区施工时块石采购困难，影响施工进度，适当增加扭王字块防护范围减少块石防护，可缩短工程工期，及早发挥工程效益。

故工程护脚防护采用模型试验中优化方案二，其中扭王字块防护范围4.50m，其余15.50m采用抛石进行防护。扭王字块安装采用双向嵌固的方式，工程施工时受潮汐以及底层抛石面平整度影响，安装条件更为苛刻，确定600kg扭王字块抛置密度为每百平方不小于175块。扭王字块护脚施工安装见图9。

图9 扭王字块双向嵌固安装施工

4 结 语

盐城地区海堤工程一直秉承“保堤必须保脚，保脚必须保滩”的设计理念。此次水毁修复工程除修复主海堤防护外，着重加强了堤脚防护。该段主海堤原护脚平护的型式已经不能满足现状坡脚滩面蚀降后形成坡面防护的要求。

工程采用600kg扭王字块结合抛石对堤脚进行防护，其效果明显优于纯抛石的防护型式。通过波浪断面物理模型试验，验证了该防护方案是切实可行有效的。海堤护脚防护只能减缓堤脚前20m范围滩面蚀降速度，保脚必须保滩，因此要采取工程措施以减少管桩顺坝至堤脚间滩面蚀降。建议加强滩面蚀降监测，尽早实施有效的保滩措施，减小波浪水深，确保主海堤的安全。