应登钊,翁云祥

(余姚市姚西北地区水利管理处,浙江 余姚 315474)

1 工程概况

余姚市老海塘标准低,堤顶高程和堤身结构单薄,大多只有10 a一遇的标准,且护坡结构大多为土堤外的抛石,防浪、防渗以及抗冲能力不足,同时为了实现钱塘江河口综合整治目标,缓解余姚土地资源紧张的局面,需通过治江围涂另建标准海塘来实现。余姚市海塘除险治江围涂二期工程位于钱塘江河口与杭州湾的衔接处,二期工程主要由促淤工程、围涂工程以及标准海塘工程组成。二期工程的标准海塘工程位于陶家路闸下游至曹朗水库岸段 (见图1),标准海塘堤线长度约为6 km。根据钱塘江河口综合规划以及当地经济社会发展的需要,二期标准海塘工程防潮标准为100 a一遇的2级海堤工程。

图1 余姚市治江围涂二期工程标准海塘工程位置图

二期标准海塘工程岸段潮差大,历史最高潮位达6.93 m(85国家高程基准,下同),最低潮位-4.31 m,最大潮差9.33 m,,平均潮差为5.72 m。工程岸段实测最大风速为22.6m/s,风向为NE,1%不利风向的设计风速为28.3 m/s(2%的设计风速为26.6 m/s)。

由于工程岸段处于钱塘江尖山河湾的凹岸,塘前滩地冲刷较为严重,相应的堤前水深大,如遇台风高潮位,对海塘的冲击破坏大,因此,在海塘的设计建设工程中,堤身护坡结构的安全性需要重点加以关注。

2 护坡结构方案的选择

考虑到海塘的设计标准为100 a一遇,海塘又处在杭州湾环产业带的沿江产业园区,因此,在满足海塘自身安全的前提下,断面结构的选择在考虑造价经济的同时,还需要兼顾外观美观的形式。

(1)该工程岸段堤前滩地冲淤多变,高潮位高、潮差大,堤身净高度大,因此,为了满足堤身稳定和消浪的需要,在设计高潮位附近(100 a一遇设计高潮位为7.13 m)设置宽为5.0 m的消浪平台,可降低堤顶高程、提高堤身的整体稳定。消浪平台一般采用混凝土灌砌块石或者混凝土,整体性也较好,但由于表面光滑,消浪效果差,波浪爬高高,势必需要增加堤顶高程,从而增加堤身工程量。此外,考虑到工程范围为粉砂土地基,地基沉降量大,整体式护坡结构适应变形能力差,耐久性及抗风浪能力也较差,护坡结构容易断裂。因此,该标准海塘工程护坡中采用刚性整体护坡在技术上有所欠缺。

(2)常用的在消浪方面较为理想的护坡结构有混凝土栅栏板、混凝土异形块体等。由于混凝土栅栏板护面对不均匀沉降适应性差,板体容易断裂,且造价也较高。

混凝土异形块体护面的防浪效果、造价与混凝土栅栏板相近,但可大大提高护坡结构的适应性,混凝土块体的形状种类较多,而在海堤护坡工程中混凝土四脚空心块消浪效果好,波浪爬高也较小,整体美观度优势明显。

从技术、经济以及外观效果来看,对粉砂地基基础的余姚市海塘除险治江围涂二期工程的标准海塘来说,采用混凝土四脚空心块作为护面结构适应沉降变形能力较好,较好的消浪效果可显著降低堤顶高程和堤身工程量,外观效果优势也较为显著。

从上分析可知,在该标准海塘工程中采用混凝土四脚空心块护坡结构是合理的,而对设计条件下护坡块体的稳定重量和海塘塘顶高程还需要通过计算和波浪模型试验来确定。

3 混凝土四脚空心块稳定重量和堤顶高程的确定

根据上述分析,该工程标准海塘迎潮面采用2级坡,上下坡比均为1∶2.0,在6.8 m高程处设宽5.5 m的混凝土平台,底脚设置支撑混凝土四脚空心块的混凝土大方脚(见图2)。

图2 标准海塘断面图

护坡混凝土四脚块稳定重量、越浪量以及相应的堤顶高程可根据 《海堤工程设计规范》 (SL 435—2008)、《浙江省海塘技术规定》等规范规定中推荐的公式计算,对于重要的堤防工程还需要通过波浪模型试验确定,故该工程除了分析计算外,主要通过波浪模型试验确定相应的设计参数。

试验的水文条件采用100 a一遇的设计工况,即100 a一遇的设计高潮位与100 a一遇的设计波浪组合。试验在浙江省河口海岸重点实验室的波浪水槽中进行,该水槽长70 m,宽1.2 m,高1.7 m。试验采用不规则波进行试验,模型比尺为1∶20,模型中的护面块体等由水泥砂浆制模浇注,并掺以铁砂,在保证几何相似的同时保证重度相似 (见图3)。

图3 波浪模型试验布置图

不规则波谱为JONSWAP谱,设计风速为28.3 m/s,设计潮位为7.13 m,1%和13%的堤前波高分别为3.73 m和2.63m。

3.1 混凝土四脚空心块稳定重量验证

根据相关规范中块体稳定厚度和重量的计算公式,得到1%设计条件下的四脚空心块的稳定重量为1.188 t,因此,在模型试验中验证1.2 t的混凝土四脚空心块的稳定性。在用不规则波试验中,每次造波100～120个左右,试验重复3次,以减小偶然因素的影响,稳定性试验时使累积波浪打击时间相当于原型2 h以上。从多次重复试验的情况来看,除下坡与平台交接处的1排1.2 t混凝土四脚空心块有个别跃动外,基本稳定。参考有关规范对稳定性的要求,认为该工程在1%设计波浪与水位组合下,采用1.2 t混凝土四脚空心块能满足设计要求。

3.2 标准海塘堤顶高程确定

根据海堤工程设计规范结合工程实际,二期工程标准海塘顶高程满足同频率潮位与波浪组合作用下按允许越浪量控制来确定。堤顶越浪量与塘前波浪要素、塘顶出水高度、海塘断面形式以及与护坡结构类型关联的糙渗特性有关。该工程采用的海塘断面形式如前所述(见图2),试验采用上述断面形式(根据计算得到该标准海堤工程的堤顶高程为10.9 m,其中堤顶路面高程10.2 m,挡浪墙高度为0.7 m,计算得到相应的越浪量为0.0032 m3/(m.s))。为验证计算的可靠性,进行波浪模型试验得到100 a一遇潮浪条件下,无风情况下的越浪量为0.0036 m3/(m.s),有风情况下的越浪量为0.0061 m3/(m.s),根据 《海堤工程设计规范》(SL 435—2008),堤顶有保护、内坡为生长良好的草地,其允许越浪量应小于或等于0.02m3/(m.s),从而确定该海塘断面形式下的堤顶高程为10.9 m。

4 结 语

(1)余姚市海塘除险治江围涂二期工程标准海塘地处潮强流急风浪较大的河海衔接处,新围堤上建设标准海塘需要关注粉砂地基不均匀沉降的问题,而采用适应变形能力较强的护坡结构—混凝土四脚空心块护坡,除了能适应地基沉降变形的同时能有效地降低塘顶高程,外观效果也较为理想。

(2)为了满足设计要求,海塘的塘顶高程和四脚空心块护面需在分析计算的基础上通过波浪模型试验确定设计条件下的块体稳定重量和塘顶高程。