扭王字块体护面潜堤加高方案

倪靖宇，于蕴泽

(中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120)

1 研究背景

天津港某防波堤为出水堤+潜堤复合堤结构，其桩号0+000～1+500为出水堤，堤顶高程5.5 m；桩号1+500～2+350为潜堤，堤顶高程2.5 m。工程海域的设计高水位为4.3 m，故堤顶高程为2.5 m的850 m潜堤段长时间处于海水淹没状态。防波堤建成后部分小型渔船不按导助航标示路线行驶，强行穿越潜堤堤顶，偶有发生渔船搁浅在堤顶上的情况(图1)。为避免此类事件的再次发生，计划对复合堤进行加高改造，将潜堤变为出水堤，从而彻底阻断小型渔船横穿潜堤的通航路径。

图1 渔船搁浅

2 已建潜堤结构

拟加高潜堤全长850 m，堤顶高程2.5 m，堤顶宽度6.32 m，内外边坡均为1:1.75，堤芯采用大型袋装砂棱体结构，堤顶、内外侧边坡护面块体均采用6 t扭王字块，块体下设300～500 kg抛石垫层，厚度1.1 m。抛石垫层下设反滤层，由厚度0.7 m、规格10～40 kg块石+600 g/m2的无纺土工布组成。内外侧镇脚平台高程为-4.2 m，采用砂肋软体排加抛石结构，表层石块规格300～500 kg，厚度1.1 m，下设0.6 m厚10～100 kg垫层石，垫层石下铺设砂肋软体排；内外侧镇脚抛石平台宽度均为18 m，余排宽度8 m。基础采用砂被+排水板进行处理，排水板间距1.1 m，打设底高程-16 m，垂直于堤轴线处理范围为60.5 m(图2)。

图2 已建潜堤结构断面(高程：m；尺寸：mm。下同)

3 堤顶高程

根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》第5.5.2条[1]规定“位于海岸和感潮河段常年潮流段的港口，设计高水位应采用高潮累计频率10%的潮位或历时累计频率1%的潮位”，本海域设计高水位为4.3 m，即历时累计频率1%的潮位为4.3 m，在正常气象条件下，该海域在99%的时间段内潮位低于4.3 m，因此阻止小型渔船通航，潜堤段顶高程至少加高至4.3 m。另一方面，由于已建防波堤为复合堤，其中出水堤堤段的顶高程为5.5 m，潜堤段的加高本着经济合理、协调一致的原则不应超过已建出水堤。故潜堤加高的顶高程应设计在4.3～5.5 m之间，对于加高出水阻断航路的功能需求而言，堤顶高程抬高越大越有助于该功能的实现，但堤顶高程设计得越大工程投入越大，工程费用越高，这是一个非常突出的矛盾，需要在方案研究中加以全面考量。

4 方案设计

4.1 同类工程经验

潜堤加高在国内已有实践：张伟豪[2]在汕头港外导流拦沙堤加高工程中，将结构形式为扭王字块护面的抛石斜坡潜堤，采用削角王字块压顶+扭王字块护面的方式，使堤顶高程由-2.10～-0.30 m加高为2.5～2.7 m；黄骅港某防砂堤[3]于2005年建成，结构形式为抛石斜坡潜堤，2013年采用抛石加栅栏板护面的方式将其顶高程由0.0 m加高至2.5 m，并在堤顶浇筑了钢筋混凝土防浪墙。

根据潜堤加高后的使用功能要求，上述项目在堤顶加高形式设计上较为保守，多数采用大体积的削角王字块压顶或者钢筋混凝土防浪墙加高堤顶。若参考此类结构形式对本工程开展方案设计显然不经济、不适用，而近年来在一些防波堤修复工程中采用的堆叠扭王字块体的加高形式给本项目的方案设计带来了良好的启发。

温岭市钓浜渔港防波堤常年受台风影响破损严重，原堤身3.0～7.5 t的扭王字块护面破损和失稳严重。赵子文等[4]设计将6 t以上的扭王字块体就地破碎分解，然后再在其上铺设15 t扭王字块体，最后将防波堤的抗灾能力提高到了100 a一遇。在北方海域，台风“梅花”曾造成大连某沿海化工区护岸损坏。杨会利等[5]在损坏的9 t扭王字块体护面上直接增设了1层15 t的扭王字块体进行修复，取得了良好的防护效果，该研究同时验证了原块体作为垫层的适应性。根据上述同类工程经验可知，扭王字块体护面结构的潜堤加高可采用扭王字块体直接在其上铺设的方式。

4.2 方案设计

通过同类工程经验分析可知，直接堆叠扭王字块体加高潜堤的方法简便快捷，对已建堤身影响较小，且能够实现本工程加高出水阻断航路的设计目标，但设计过程中须考虑增加堤身块体质量和堤身整体稳定的问题。

4.2.1增加堤顶块体质量

根据JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》第4.3.17条[6]规定，“堤顶块体的质量宜与外坡块体相同。当堤顶高程在设计高水位以上不足0.2倍设计波高时，其质量不应小于外坡护面块体质量的1.5倍。”现状潜堤堤顶高程为2.5 m，设计高水位为4.3 m，二者高差1.8 m，而堤身外侧使用的护面块体为6 t扭王字块，该块体叠加安放后的竖向高度为1.79 m，即在已建的潜堤堤顶增设1层6 t扭王字块即可将堤顶高程提高到4.29 m，与4.3 m仅相差0.01 m，基本可实现其出水阻航的功能。若加高后的堤顶高程设计高于4.3 m，虽然出水效果更好，但按照规范要求至少要将堤顶的扭王字块体质量增加至9 t以上。

4.2.2堤身整体稳定

由于该防波堤地基为淤泥质海岸深厚软土，堤身结构采用大型袋装砂棱体堤芯+抛石垫层和人工块体护面的结构，为保障堤身安全并最大限度地降低工程造价，在潜堤设计之初便已按照“充分利用袋装砂棱体的整体性”的设计原则，把堤身整体稳定的安全储备尽量压减，以缩小斜坡堤的断面面积、减少工程用料。根据稳定计算的结果，堤顶高程加高不超过4.3 m时，不会对防波堤整体稳定带来显著影响，无须增设稳定附加措施；但当堤顶高程加高超过4.3 m时，由于堤顶增高幅度过大，导致堤身整体稳定计算结果超出规范限值，需要对抛石反压平台进行加长或增厚才能够达到规范[7]的稳定要求。故堤顶高程设计得越大，堤身整体稳定附加措施的投入就会越大。

4.2.3方案比选

从满足功能需求和最为经济合理的角度出发设计了方案1；考虑通过增加堤顶块体的质量和尺度进一步提高功能性的实现，设计了方案2和方案3(图3)。

图3 设计加高潜堤结构断面

1)方案1：堤顶6 t扭王字块体。在潜堤外海侧堤身上增设1层质量为6 t的扭王字块体，堤顶并列安放3排6 t扭王字块体；

2)方案2：堤顶9 t扭王字块体。在潜堤外海侧堤身上增设1层质量为6 t的扭王字块体，堤顶并列安放2排9 t扭王字块体，外海侧抛石平台上方增设厚度1.1 m，规格300～500 kg抛石；

3)方案3：堤顶12 t扭王字块体.在潜堤外海侧堤身上增设1层质量为6 t的扭王字块体，堤顶并列安放2排12 t扭王字块体，外海侧抛石平台上方增设厚度1.1 m，规格300～500 kg抛石。

5 物模试验

5.1 试验条件及模型设计

防波堤断面波浪物理模型试验在宽1.2 m、深1.8 m的水槽中进行，按重力相似准则设计模型比尺1:25，采用不规则波与规则波分别试验，规则波试验采用H5%，每一波况累计试验持续时间不小于原型3 h，各特征水位的设计波浪要素见表1。

表1 防波堤试验波浪要素

5.2 试验结果

针对不同水位及波浪组合，为保证试验结果的可靠性，每组试验至少重复3次。当3次重复试验的试验结果差别较大时，则增加重复次数。每次试验均重新铺放断面。根据JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》要求[8]，以块体滚落或累计位移超过块体最大几何尺度的一半为扭王字块护面失稳判别标准。各方案的试验结果见表2。

表2 ENE向50 a一遇波浪作用下各方案块体稳定试验结果

根据试验结果可知，SE向波浪由于设计波高较小，所有水位工况均未出现失稳现象。ENE向波浪作用下，3个方案的坡面6 t扭王字块体在不同水位工况下均能保持稳定；方案3未出现失稳现象，方案1和方案2堤顶块体有失稳现象出现，其中方案1在极端高水位和设计高水位工况下出现失稳，方案2仅在设计高水位工况下出现失稳。

从图4可知：方案1在极端高水位工况时1块6 t堤顶扭王字块体位移超限，在设计高水位工况时1块6 t堤顶扭王字块体滚落到内侧坡面；方案2在设计高水位工况时3块堤顶9 t扭王字块体滚落，其中1块滚落到内侧坡面，另外2块滚落至护面块体坡脚。故从破坏程度上看方案2比方案1更严重。方案3由于堤顶块体质量大幅增加，在各种工况下均未出现块体失稳的情况。

5.3 推荐方案

根据试验结果，按照JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》第4.3.7条“扭王字块护面块体容许失稳率0%”的要求判定，仅有方案3能够满足规范要求，故选择方案3作为推荐实施方案。

6 结语

1)扭王字块护面结构潜堤采用直接堆叠扭王字块进行加高是可行的。

2)加高设计中堤身护面采用与下层相同规格的块体能够满足稳定要求也便于施工。

3)当堤顶高程在设计高水位以上不足0.2倍设计波高时，堤顶块体质量采用外坡护面块体质量的1.5倍通常不够，须达到2倍以上才可靠。