某工程海堤护面结构优化研究

王玉平，吴乔，彭志豪

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

某工程填海面积约650 hm2，根据环保的需要，工程建设采用深层水泥搅拌对软土地基进行加固，然后在加固地基上进行回填施工。该工程主要建设内容包括填海造陆，建造约13 km的海堤、地基改善工程、供应填土材料、铺设砂垫层、海上填土、陆上填土、附属设施及相关的基础设施和环境保护工程。其中按照原设计方案，13 km的海堤结构采用大块石作为护面结构，总共约需要79万m3护面块石。目前市场中难以采购到如此大量的大块石护面，因为缺乏合适的石料，预定工期内海堤结构很可能无法按时完工，进而影响到整个项目。

为了缓解这个问题，建议在一定区段的斜坡堤范围内采用人工块体（Accropode）来代替紧缺的块石护面，总共约需要78 000余块0.8 m3和2 m3的Accropde，混凝土方量共约11万m3。

1 工程概况

在原设计中，根据不同的护面块石大小和不同的位置，斜坡式海堤被分为4种类型，优化设计后3.5～7.0 t的大块石护面被2.0 m3的Accropode替代，而1.5～3.0 t，1.2～2.4 t，1.0～2.0 t的块石则被0.8 m3的Accropode替代。在斜坡式海堤与直立式结构衔接段及排水口区域，由于位置狭窄不利于护面块体的安装，仍使用块石护面过渡。优化前后海堤的断面对比见表1、图1和图2。

表1 优化前后护面块体的对比Table 1 Comparison of armour type before and after optimization

图1 优化前采用块石护面的海堤典型断面Fig.1 Typical cross-section of seawall adopting rock armour before optimization

图2 优化后采用Accropode块体护面的海堤典型断面Fig.2 Typical cross-section of seawall adopting Accropode armour after optimization

2 工艺研究护面稳定

2.1 Accropode护面稳定计算方法

Accropode块体与国内的扭王块外形相似，均为单层摆放的咬合块体，在波浪作用下具有良好的水力性能，其安装简单、环境友好，在世界范围内得到了广泛的使用。根据CLI的Accropode设计手册[1]，单个Accropode的稳定体积V也可采用哈德森公式进行计算。

式中：Δ=γb/γ，为扭王块材料与海水的相对重度；α为斜坡的坡度；H为设计波高；KD为与块体本身水动力稳定性、容许失稳率、波浪条件和块体摆放位置相关的稳定系数，对于Accropode，其容许失稳率0%，海底平坦时，KD值取值详见表2。根据CLI的设计手册建议，采用Accropode作为护面层时，坡比应当采用1∶1.33或者1∶1.5，不推荐采用更缓的坡比。较陡的边坡可以增大块体之间的咬合力，有利于发挥人工块体的勾连作用，减少单个块体所需要的重量，同时还能够减少结构的断面面积和工程量。

表2 Accropode稳定系数K D和N s的推荐值Table 2 Recommended K D and N s value for Accropode

根据已有的研究成果[2]，Accropde在斜坡坡比为1∶1.33～1∶1.5之间时，其稳定效果基本相当，而对于防波堤坡度放缓至1∶2时，Accropode的稳定效果并没有明显的增加。因此Accropode的计算体积也可以采用如下与坡度无关的公式计算：

式中：Ns为稳定系数，与防波堤的位置及波浪情况有关。

当防波堤前海底平坦时，Ns可按照块体安装位置及波浪破碎情况按表2取值。

根据以上KD、Ns数值可计算得出，斜坡堤堤头部分的块体体积，比堤身部分块体体积增加25%～30%，而位于波浪破碎区的堤身和堤头的块体重量，均应相应再增加20%～25%。

此外Accropode的KD值与Ns会随着防波堤前海床坡度的增加而减少，当防波堤前海底坡度达到5%时，Accropode的稳定所需体积需要额外增加约50%；当海底坡度达到10%左右，Accropode的稳定所需体积需要额外增加约88%。

综上所述，采用哈德森公式计算Accropode稳定所需体积时，最佳坡比为1∶1.33～1∶1.50，且更缓的坡比不会获得更好的稳定性[3]。然而由于本工程情况特殊，海堤的堤心及垫层部分均已施工完成，坡比难以更改，因此本项目可通过哈德森公式预估出Accropode需要的最小稳定体积，并在此基础上适当加大Accropode块体，可确保护面层的稳定，计算过程见表3。

表3 Accropode稳定需要的体积计算Table 3 Calculation of stability required volume of Accropode

2.2 物模试验验证护面稳定性

因本项目实际护面坡度超出Accropode块体最佳坡度范围，需通过2D物模实验来复核验证优化断面的稳定性，物模试验采取如下3种试验工况以模拟最不利的施工工况：

1）10 a一遇高水位+对应水位的100 a一遇波浪。

2）10 a一遇高水位+超载波浪。

3）平均低水位+对应水位的100 a一遇波浪。

其中，工况1为设计工况，主要用于测试护面块体的稳定性。而工况2的超载波浪是通过在设计波浪的基础上将波高放大20%，测试护面块体的安全富裕度，避免Accropode护面层的突然破坏。工况3则是用于验证低水位情况下压脚块石的稳定性。

试验中Accropode块体的失稳标准为块体位移超过0.1H（H为块体高度），而国标JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》中则规定扭王字块的失稳标准为累计位移超过0.5H。因此Accropode块体的失稳标准更为严格[4]。

根据试验结果可知，在波浪作用下，所有的护面块体Accropode均保持稳定，没有出现块体滑落或过大位移的情况，压脚块石的破坏系数Nod＜2[5]，不影响护面结构层的稳定，满足设计要求[6]。

3 倒滤验算

垫层结构作为Accropode的支撑结构，其具有3个重要的作用：1）支撑Accropode护面层；2）作为Accropode和堤心之间的倒滤，保证垫层石料及堤心石料不被波浪淘蚀；3）提供良好的透水性，以保证护面块体的稳定性。

根据国内同类块体的施工经验，垫层块石作为Accropode的支撑层，其平整度的要求不超过块体高度的1/6，如果垫层块石出现过高或者过低情况，将直接影响到护面块体的安装质量和咬合程度。

为了保证在波浪作用下垫层块石不被波浪从护面块缝隙中吸出，其垫层块石的设计需要满足如下要求[2]：

式中：MNUL，u为垫层块石的名义上限重量；MNLL，u为垫层块石的名义下限重量；Ma为护面块体的重量。在实际运用过程中，以上名义重量可以适当上下浮动30%。

计算结果（表4）表明，采用0.8 m3和2.0 m3的Accropode块体可以充分利用原有断面的垫层结构，不必增加新的块石级配，有利于现场石料供应，简化施工工序。

表4 Accropode垫层计算Table 4 Accropode cushion calculation kg

4 越浪量的影响

海堤结构要求能够抵抗波浪爬坡，保护陆域免受波浪越顶的侵蚀冲击[7]。其设计越浪量应满足文献[8]第4部分第5.3.2节相关条款（见表5），最大越浪量可达到平均越浪量的100倍[8]。

表5 海堤设计的允许越浪量Table 5 Allowed overtopping rate in seawall design m3（/s.m）

为了满足极端风浪条件下的跑道作业人员和车辆安全，确保任何情况下的机场紧急作业安全，因此计算采用100 a一遇的波高和10 a一遇的高潮位作为输入条件，采用TAW方法对比了护面优化前后越浪量。

根据EurOtop[9]相关公式，当ξm-1，0＜5时，可按照如下公式计算越浪量：

最大越浪量为：

式中：q为越浪量，m3/（s.m）；g为重力加速度，m/s2；Rc为堤顶超高；Hm0为特征波高；Tm-1，0为平均波周期，s；ξm-1，0为破波系数，为护面粗糙度系数；γν为堤顶挡浪墙影响系数，没有挡浪墙时取1.0；γ*为综合考虑挡浪墙和护面粗糙度的影响系数；γβ为波浪入射角度影响系数；γb为肩台影响系数，无肩台时取1.0。

计算结果（表6）表明Accropode的粗糙度系数小于块石护面，更换护面后海堤越浪量优于原设计方案。

表6 越浪量结果对比Table 6 Comparison of overtopping rate results

为验证堤后维护跑道作业人员车辆的安全，

堤顶后方越浪量的空间分布（图3）可按照如下公式[9]估算：

图3 越浪量随距离的衰减Fig.3 Overtopping rate decreases with distance

式中：x、y为距离堤顶的水平、竖向距离；Sop为波陡系数；Hs为有效波高；L为波长。

越浪量随着距堤顶的距离呈指数下降，在距离堤后15 m左右，越浪量降低至约0.03 L/（s.m），足够保证在极端工况下人员维护机场陆域设施的安全，满足了设计要求。

5 沉降和变形的影响

针对斜坡堤的变形沉降问题，通过有限元软件建立模型（图4）模拟分析了整个施工工序，最终获得了不同护面结构的工后沉降和堤顶水平位移。施工步骤如表7所示。

图4 计算沉降和变形的有限元模型Fig.4 Finite element model for settlement and displacement calculation

表7 模拟的施工顺序Table 7 Simulation of construction stage

计算结果（表8）表明，采用Accropode或者块石护面，对沉降量和水平位移的影响仅为1～2 mm，区别不大。

表8 水平位移量和沉降量对比Table 8 Comparison of horizontal displacement and settlementm

6 结语

根据本文的计算和分析，通过某工程海堤护面结构优化设计研究可得出如下结论：

1）人工块体的稳定性优于块石护面，采用更小的体积即可替代块石护面；

2）通过优化人工块体的体积，可以充分利用已施工的垫层石料，避免开挖重填，简化施工工序；

3）人工块体护面比块石护面消浪效果更好，堤后越浪量更小；

4）护面结构采用块石或者人工块体，对护岸的沉降和整体变形方面影响不大，两者区别很小。