付天宇,王曉波

(1.溫州市甌江口開發(fā)建設(shè)投資集團有限公司,浙江 溫州 325000;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;3.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

溫州淺灘一期圍涂工程位于靈昆島下游,由北圍堤、南圍堤、東圍堤和1座排水涵閘組成,圍區(qū)面積0.20萬hm2(3.05萬畝),其中北圍堤長5 238 m、南圍堤長6 278 m、東圍堤長5088m(見圖1)[1].。設(shè)計擋潮標準50 a一遇。北圍堤一階段交通堤與靈霓海堤于2006年5月建成通車,實現(xiàn)了洞頭縣與大陸相連的夙愿。2006年3月16日,淺灘一期圍涂工程東圍堤開工,于2010年底完工。2007年1月,淺灘一期圍涂工程南圍堤及東圍堤延伸段開工,2011年7月基本完成施工。

淺灘一期南圍堤工程原設(shè)計護面結(jié)構(gòu)為柵欄板護面,主要考慮柵欄板護面消浪效果較好,且柵欄板預制堆放占地面積較小(當時施工現(xiàn)場可提供的場地較小)。該護面結(jié)構(gòu)方案在施工圖設(shè)計中經(jīng)波浪模型試驗,堤頂高程和越浪量均滿足規(guī)范要求。以南圍堤斷面10為例,防浪墻頂高程8.6m,堤頂高程7.6m(見圖2)。

圖1 淺灘一期圍涂工程地理位置示意圖

圖2 原南圍堤斷面10施工圖

鑒于四腳空心塊相對于柵欄板更適應溫州軟黏土地基條件下的堤身變形,四腳空心塊相對于柵欄板預制與安放施工難度有所降低,四腳空心塊造價較之柵欄板護面結(jié)構(gòu)有所降低,且開工后施工條件有所變化,靈昆島、霓嶼石料場和南山石料場的場地已能滿足四腳空心塊的預制施工要求。因此,施工過程中,建設(shè)方對南圍堤工程護面結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整。

護面結(jié)構(gòu)調(diào)整中,為確保不降低海堤擋潮御浪標準,需根據(jù)護面結(jié)構(gòu)的調(diào)整復核堤頂高程和護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,其次須按規(guī)范重新進行波浪模型試驗驗證。

護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后,南圍堤斷面見圖3。

圖3 護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后南圍堤斷面10圖

2 堤頂高程與越浪量計算

按SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》,海堤防浪墻頂高程按下式計算:

式中:Zp為設(shè)計頻率的堤頂(防浪墻頂)高程;Hp為設(shè)計頻率高潮位,本工程取5.07 m;RF%為波浪爬高,允許部分越浪F=13;△H為安全加高,允許部分越浪 △H=0.4 m;P=2%。

波浪爬高按下式計算:

式中:KΔ為糙滲系數(shù),四腳空心塊與混凝土護面按面積比折算KΔ=0.725;KV為與風速及塘前水深有關(guān)的系數(shù);R0—KΔ=1.0,H=1.0m時的爬高值;H1%為波高累積率為F=1%的波高值,當H1%＞Hb時,則 H1%取Hb值;KF為爬高累積頻率換算系數(shù)。

經(jīng)(1)、(2)式計算,當采用四腳空心塊時,防浪墻頂高程為9.10 m,與柵欄板計算結(jié)果8.95 m接近。

按《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》,越浪量按下式計算:

越浪量的風效應按下式修正:

式中:θ為海堤臨潮面坡角(°);R為波浪在海堤上爬高值(m);Wf為風速影響系數(shù),風速大于26.8m/s,取值為2.0。

經(jīng)(3)、(4)式計算,維持原設(shè)計8.6m防浪墻頂高程時,越浪量為0.03m3/(m?s),仍可滿足設(shè)計要求,計算值與柵欄板計算結(jié)果0.02m3/(m?s)接近。

3 波浪模型試驗驗證[2].

波浪模型試驗委托河海大學交通與海洋學院進行。試驗斷面采用南圍堤斷面3、10和東圍堤延伸段斷面4,本文僅說明南圍堤斷面10的情況。

3.1 試驗工況

南圍堤斷面10設(shè)計工況 (50 a一遇潮位5.07m+50 a一遇波浪)試驗波浪要素

南圍堤斷面10校核工況 (50 a一遇潮位5.07 m+100 a一遇波浪試驗波浪要素)

3.2 試驗內(nèi)容及要求

3.2.1 主要試驗原則和技術(shù)要求

根據(jù)圍堤代表斷面形式和基本尺寸,對斷面的波浪爬高、越浪情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進行試驗驗證和優(yōu)化。

3.2.2 試驗內(nèi)容

(1)驗證海堤迎水坡護面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,包括四腳空心塊體、灌砌塊石、埋石混凝土、護面塊石和擋浪墻等的穩(wěn)定性。

(2)越浪量測定,并檢驗內(nèi)坡沖刷情況。設(shè)計工況控制越浪量為0.05 m3/(m?s),校核工況控制越浪量為0.07 m3/(m?s)。

3.2.3 試驗要求

按波浪試驗規(guī)程進行,試驗采用不規(guī)則波。

3.3 試驗方法

試驗按照JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》進行,試驗采用不規(guī)則波,按正態(tài)重力相似準則設(shè)計模型。

模型長度比尺 λ=23;時間比尺 λt=λ1/2;壓強比尺λp=λ;越浪量比尺λq=λ3/2。

不規(guī)則波波譜取JONSWAP譜:

式中:α為無因次常數(shù);γ為譜峰升高因子,取3.3;ωP為譜峰頻率;

將特征波要素輸入計算機,按模型比尺計算產(chǎn)生造波訊號,控制造波機產(chǎn)生相應的不規(guī)則波序列。不規(guī)則波波數(shù)大于120個,每組試驗重復3次,取其均值作為試驗值,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定試驗時,波浪連續(xù)作用相當于原體1個風暴潮過程 (約3 h)。

試驗在河海大學風浪水槽中進行,水槽長80.0 m,寬1.0m,高1.5m,水槽一端安裝不規(guī)則造波機,另一端設(shè)置消波系統(tǒng),水槽縱向分為2部分各0.5m寬,一部分鋪設(shè)試驗斷面,另一部分用以消除波浪的二次反射。波高及波浪爬高采用電容式波高儀量測,越浪量采用集水稱重法量測。

為了滿足設(shè)計要求,試驗中將根據(jù)設(shè)計斷面的結(jié)構(gòu)型式及抗浪要求,適當增加試驗波要素的組合,擴大試驗成果的應用范圍。試驗波要素率定值見表1。試驗值與要求值的誤差很小,符合交通部JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》的要求。

表1 模型試驗風浪要素表

3.4 試驗成果

為了驗證設(shè)計斷面的抗浪標準,對設(shè)計斷面分別進行了4種不同潮位,波浪要素的組合試驗。分別觀察了外海坡護面結(jié)構(gòu)、內(nèi)海坡護面結(jié)構(gòu)、擋浪墻、鎮(zhèn)壓層塊石的穩(wěn)定性,測量了越浪量并對護面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

表2 南圍堤斷面10穩(wěn)定情況表

3.5 試驗結(jié)論

(1)在50 a一遇設(shè)計潮位和相應波浪要素作用下,試驗斷面擋浪墻、堤后護坡、堤頂路面及格梁等結(jié)構(gòu)均滿足穩(wěn)定要求,且越浪很小,小于0.05m3/(m?s),均滿足規(guī)范的要求。

(2)南圍堤斷面10上斜坡四腳空心方塊重量不宜小于3.5 t,下斜坡四腳空心方塊重量可采用2.2 t,鎮(zhèn)壓層坡肩塊石處于臨界穩(wěn)定,建議加大塊石重量[3].。

4 比較與分析

(1)對比南圍堤原柵欄板護面波浪模型試驗成果,其設(shè)計工況為0.001m3/(m?s),校核工況為0.006m3/(m?s)。護面結(jié)構(gòu)調(diào)整為四腳空心塊后,越浪量與原試驗成果接近。說明相同條件柵欄板和四腳空心塊消浪效果接近,且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求。

(2)對比規(guī)范公式法計算成果,根據(jù)護面結(jié)構(gòu)情況折算糙滲系數(shù)后,計算所得堤頂高程與試驗值較為接近。試驗情況驗證的越浪量要遠小于公式計算成果,僅為1/30。

5 結(jié) 語

(1)根據(jù)試驗成果斷面10護面結(jié)構(gòu)由原設(shè)計40 cm厚柵欄板調(diào)整為上坡3.5 t/只、下坡2.2 t/只的四腳空心塊。南圍堤工程護面結(jié)構(gòu)調(diào)整后,護面結(jié)構(gòu)投資按中標價格計算降低了478萬元,取得了較好的經(jīng)濟效益。四腳空心塊相對于柵欄板更適應溫州軟黏土地基條件下的堤身變形控制,且相對于柵欄板預制安放施工難度有所降低,加快了工程建設(shè)進度。

(2)按規(guī)范公式法計算堤頂高程時,糙滲系數(shù)影響較大,針對多種護面結(jié)構(gòu)同時使用的情況,應根據(jù)不同護面結(jié)構(gòu)的面積比,合理折算后使用。

(3)對于較為復雜的多平臺復式斷面,目前按規(guī)范計算所得的防浪墻頂高程及越浪量與試驗值有一定的差距,越浪量差距更為顯著。因此,對于海堤實施波浪模型試驗進行驗證是十分必要的。

[1].俞相成,張賽生.溫州淺灘一期圍涂工程南圍堤初步設(shè)計調(diào)整報告 (報批稿)[R]..上海:上海市水利工程設(shè)計研究院,2006.

[2].陳國平,嚴士常.溫州淺灘一期圍涂工程南圍堤 (調(diào)整)波浪模型試驗 [R]..南京:河海大學交通與海洋學院,2008.

[3].陳國平,嚴士常.溫州淺灘南圍堤工程波浪模型試驗 [R]..南京:河海大學交通與海洋學院,2006.