混凝土四脚空心方块在霞浦县福宁湾围垦工程中的应用.pdf

2 0 1 5年第 2期 混 凝 土 四 脚 空 心 方 块 在 霞 浦 县 福 宁 湾 围 垦 工 程 中 的 应 用 陈建斌 ( 福建省水利建设技术中心，福建 福 州3 5 0 0 0 1 ) 摘要 ：福宁湾围垦工程海堤堤线长、持力层深软 ，堤线面向开敞式海域，波高浪大， 自然条件 恶劣。该文根据福宁湾海堤 工程条件 实际，提 出混凝土四脚空心方块防护方案 ，有效缩短 了工 期， 优化了护坡结构，取得了良好的效果，可供类似工程参考。 关键词 ：波要素；护坡 ；混凝土四脚 空心方块 ；福宁湾 围垦工程 中图分类号 ： U 6 5 6 ． 3 文献标识码： B 文章编号 ： 1 0 0 2— 3 0 1 1 ( 2 0 1 5 ) 0 2— 0 0 4 0— 0 3 1 工程概况 福宁湾围垦工程位于霞浦县松港街道 ，围垦总 面积 3 ． 4 1 万亩 ，其 中农业用地 2 ． 3 8万亩 、建设用 地 0 ． 2 6万亩、滞洪区 0 ． 7 7万亩 ，属大型围垦工程 ， 福建省重点工程 。工程主要建设 内容包括新建海堤 5 ． 4 3 4 k m和水闸 2座 ( 北岸水闸 1 0孑 L ，南岸水闸 7 孔，孔宽均为5 ． 0 m) ， 新建海堤、水闸按三级水工 建筑物设计。2 0 0 7年 6月，福宁湾围垦工程 获福建 省发展改革委 员会批 复建 设 ，工程 总投 资 3 4 7 8 9 万元 。 福宁湾围垦工 程建设条 件恶 劣，堤长 、浪大 、 基础差。海堤堤线长达 5 ． 4 3 4 k m，中间没有岛屿或 岛礁依托。海堤堤线直接面向开 敞式海域，受外海 涌浪影响，波高浪大。海堤基础为深软基 ，持力层 主要为淤泥 、淤泥质土层 ，厚度达 1 7～1 8 m，地质 条件差 。 2 水文、潮汐特征 福宁湾垦区属 中亚热带季风湿润气候 区，气候 温暖 ，年平均气温 1 8℃ ，年平均降雨量 1 4 3 0 mm， 多年平均最大 2 4小时暴 雨量 1 1 6 ． 7 m m。经垦 区人 海河流有三条 ，分别为大、小沙溪和沙塘溪。堤线 上游流域 面积 1 2 0 k m ，主河道长 1 6 ． 3 k m，比降 1 2 ． 6 9 ％ 0 ，1 0年一遇设计洪水 7 9 1 m ／ s ，总量 2 2 0 7 万 m 。 根据垦区北方 约 1 6 k m 处三沙海 洋站 1 9 6 4～ 2 0 0 5年观测资料 ，工程潮汐特征见表 1 。 收稿 日期 ：2 0 1 5— 0 6—0 9 4 0 表 1 工程 潮汐特征值 3 工程地质条件 福宁湾海堤地基由淤泥 、淤泥质土、粉质粘土 和砂砾石层组成 ，堤基 自上到下划分为五层 J 。 第一层 (I一1 ) ：高程 一1 ． 8～一 3 ． 4 m，土质 淤泥 ，呈黑灰、灰色 ，饱和流动状态。 第二层 (I一2) ：高 程 一2 ． 4～一7 ． 8 m，淤 泥、淤质粘土 ，呈灰 、深灰色 ，土层上部夹杂少许 贝壳 、碎片 ，饱和流塑状态。 第三层 (I一3 ) ：高程 一7 ． 8～一1 9 ． 8 m，淤 泥质粘土土层 ，灰 、深灰色。 第四层 (Ⅱ) ：高程 一1 9 ． 8～一4 6 ． 8 m，粘土， 粉质粘土土层 ，层 中含粉细沙粘土。 第五层 ( Ⅲ) ：高程 一4 1 ． 8～一 4 6 ． 8 m，砂砾 石 土层 。 4 波浪计算 福宁湾海堤工程级别 为三级 ，工程 防潮标准 、 设计波浪和设计风速重现期均为 5 O年。海堤面 向开 敞式海域 ，波要素受涌浪和风浪组合而成 的混合浪 控制 ，采用波浪折射变形数值模 型计算 ，通过局部 风区风成波迭加后获得堤前波要素 。 福宁湾围垦工程堤线朝 向东偏北 l 0 。 ，南 、北 、 西三面为大陆环抱 ，东北有 福瑶列 岛遮挡 ，东南 、 东南东有牛头岛、短表岛形成天然屏障，堤线现状 平均高程 一1 ． 8 m。根据堤线地理位置分析 ，E向波 2 0 1 5年第 2期 浪正对福宁湾 口，波浪可直接传人 湾内，对海堤打 击最大。E N E向波浪受 到福宁湾北部大陆突出部及 福瑶列岛的阻拦 ，主要影 响中北部海堤。E S E向波 浪受到堤线东南部的牛头岛、佛堂 岛、短表 岛等系 列 岛屿的阻挡 ，只能影响至北部海堤 。从波要素计 算结果看 ，E向波浪对整条海堤影响和作用最 明显 ， E S E、E N E向波浪影响集 中在北 部堤段 ，证明上述 分析是正确 的。 波要素计算方法如下 ：从海上起始 断面的波要 素经波浪折 射变形 计算 ，逐步 推算 至工 程所 在地 ( 堤前 )的波要素 ，再 与局部 风区风成 波能量迭加 后获得堤前波要素 』 ，计算成果见表 2 。从表 2看 ， 0+ 0 0 0～ 4+3 5 0堤段波要素较大 ，波长接近 1 0 0 m。 表 2 福 宁湾海堤设计 波要素 5 海堤夕 }、 护坡设计 5 。 1 海堤外护坡方案拟定 福建省 围垦工程 中，海 堤护坡多为砌 石 防护， 主要有干砌 、浆砌条块石 ，主要运用于湾内。对于 开敞式海 域 ，福建省 内 已建 的围垦工程相对较少 ， 工程防护主要采用混凝 土框格 +糙条石防护。在 台 风暴潮冲击下 ，条石间由于接触面小 ，嵌 固力不足 ， 常发生被拔出的现象 ，工程应用效果一般 。 本工程地处开 敞式海域 ，波浪破坏力 大，护坡 安全稳定尤为重要。综合福建省围垦工程护坡 防护 设计经验 ，并参照海港部门防护设计技术 ，根据本 工程地质、波浪特点 ，外坡防护设计选用混凝土框 格 +糙条石和四脚空心方块进行比选 。 ( 1 )混凝土框格 十糙条石方案 ：采用钢筋混凝 土构成框格 ，框 内丁砌条石 ，以增强护面结构整体 稳定性 ，且局部块石破坏不易涉及整体破坏 ，但适 应地基变形能力差 ，基础沉陷时，混凝 土框格易产 生拉裂破坏 ] 。该 防护结构在长乐外文武海堤 中取 得较好效果 。 ( 2 )混凝土四脚空心方块方案 ：混凝 土四脚空 心方块属预制混凝土异型块体的一种 ，最早 由 日本 人提出，上世纪八十年代 开始在我 国大量应用 于防 波堤 、海堤工程。与砌石护面相 比，四脚 空心方块 孔隙率大 ，透水性强 ，表面粗糙度大，消能作用优 越 ；块体嵌合 紧密 ，稳定性好 ；施工方便 ，运行 当 中如被波浪打击损坏 ，可现场重新模板浇筑 ，快速 高效修复。 5 ． 2 外护坡结构方案比选 5 ． 2 ． 1 护面厚度 ( 1 )混凝 土框格 十糙条 石护坡 。在 波浪作 用 下 ，斜坡堤干砌块石护坡 的护面厚度按下式计算 ： Yb 吉 ( 一 ) √ m 仃 式 中： 为系数 ，干砌块石 K L =0 ． 2 6 6 ，干砌条 石 =0． 22 5； 7 6 为块石重度 ，Y 6 =2 6 ． 0 k N ／ m ； 为海水重度 ，y=1 0 ． 0 k N ／ m ； 为计算波高，当 d ／ L >10 ． 1 2 5时 ( d为堤前 水深 ，下同) ，取 ，当 d ／ L< 0 ． 1 2 5时， 取 H ； 为计算波长 ； m为斜坡坡率。 计算得护面厚度 t = 0 ． 8 5 m，加糙凸高 h= 0 ． 3 t =0 ． 2 5 m。即采用混凝土框格 内加糙条石护砌 ，护 面条石厚 8 5 c m，加糙凸高 2 5 c m。 ( 2 )四脚空心方块护坡。单个块体稳定重量 q 按下式计算 ： Q： 0 ． 1 — K D ( 一1 ) m y 式 中：Q为单个块体重量 ，t ； 6为块体重度，Y 6 = 2 3 k N ／ m ； Y为海水重度 ， =1 0 k N ／ m ； 为稳定系数 ； 为设计波高 ，当 H ／ d< 0 ． 3时 ，取 1 -1 4 ；当 H ／ d ~O ． 3时 ，取 Hl 3 ％； m为斜坡坡率 。 计算得单个混凝土 四脚空心块体质量 Q= 3 ． 0 t 。 查得单个四脚空心块边长 L=1 ． 6 3 4 m，厚度为 0 ． 6 L = 0 ． 9 8 m，体积 V=1 ． 3 0 4 m 。砌石护面厚度取 4 0 e m，单个块石重量要求 1 ／ 1 4 Q，即 2 1 o k g ，边长不 小于 4 5 e m。 5 ． 2 ． 2 外护坡结构 41 2 0 1 5年 第 2期 ( 1 )混凝土框格 十条石加糙护坡断面 ：堤顶高 程 8 ． 9 m，防浪墙顶高程 9 ． 9 m，外平 台高程 4 ． 8 m，宽4 ． 5 m，平台以上边坡 1 ： 3 ． 0 ，平台以下边坡 1 ： 2 ． 5 。内坡 4 ． 0 m高程设交通道路 ，宽 6 ． 0 m，公 路以上边坡 1 ： 2 ． 0，以下边坡 1 ： 1 ． 7 5 。堤身为 山土 填料闭气断面 ，断面每延米投资 3 0 5 2 1 元 。 ( 2 )混凝土四脚空心方块护坡断面 ：堤顶高程 8 ． 6 m，防浪墙顶高程 9 ． 6 m，堤身断面型式均 同条 石护面形式断面，断面每延米投资 3 2 5 3 8元 。 5 ． 2 ． 3其它方 面 ( 1 )从投资看 ：每延米混凝土框格砌条石护坡 断面较混凝土四脚空心方块护坡断面省 2 0 1 7元。 ( 2 )从施工方便度看 ：混凝土框格规格为 3 m 7 m，在软基上施 工易造成不 均匀沉 陷变形 、拉 裂 ，施工要求高 ；混凝土四脚空心块体整体稳定性 好 ， 消浪效果比条石护坡优越，堤顶高程可降低 3 0 c m，且空心块体对地基沉陷适应性较好 。混凝 土框 格砌石断面工作量大 ，需大量 的人力护砌 ，砌石工 艺难以保证 ，施工进度缓慢 ；四脚空心方块预制方 便，但需吊装，且下垫层块石仍需大量的人力理砌， 施工质量较好控制 ，总体上看 ，二者相差不大。 ( 3 )从材料来源看 ：混凝土框格断面条石长度 大部分为8 5 c m，加上加糙条石长度达 1 1 0 e m，对 条石规格要求较高 ，大 规格长条石来源相 对 困难 ； 四脚空心块体所需的水泥购买简便，可成批量预制， 材料来源方便。 ( 4 )从护坡块体稳定性看：四脚空心方块单个 块体重量达 3 t ，抗风浪整体稳定性 比条石好。 ( 5 )从推广运用角度看 ：四脚空心方块在我省 围垦工程还未大规模运用。近年来 ，随着 围垦工程 从湾内向湾外发展 ，波浪条件越来越恶劣 ，坚固消 浪有效的护坡措施将是我省围垦建设技术发展的趋 势 ，四脚空心方块护坡 的推广运用具有十分积极 的 意义 。 5 ． 3 外护坡方案选定 综合看 ，混凝土 四脚空心方块为预制构件 与 砌石相 比，具有嵌 固性 和稳 定性好 、抗 打击 力强 、 消能性好及造型美观 、施 工运行维护方便 等优点 ， 解决了当地石材匮乏及料场开采带来的环境影响等 问题 ，因此设计首次在我省新建围垦工程大规模 采 用四脚空心方块作为外护坡 ，海堤典型设计断面见 图 1 。 图 1 海堤典型设计 断面 示意图 工程建成后 ，经过数次 台风考验 ，海堤混凝土 四脚空心方块坡 面未 出现变形 、扭 曲、塌 陷、冲毁 等不利现象 ，消浪效果显著 ，达到了设计 目的。 6 结语 福宁湾围垦工程混凝土四脚空心方块从 2 0 1 1年 6月开始施工吊装 ，至 2 0 1 2年 9月完工。至今 ，面 对数次台风暴潮 的正面袭击 ，消浪效果 明显 ，没有 出现损毁 、塌陷、变形 、冲刷移位等破坏现象。实 践证明，混凝土四脚空心方块护坡具有嵌 固性 和稳 定性好 、抗浪打击力强 、空隙率大 、消浪性能好等 优点 。 4 2 参考文献 [ 1 ] 刘震 ．福宁湾围垦工程堵 口实例分析 [ J ] ．水利 规划与设计 ，2 0 1 4 ( 1 )． [ 2 ] 泉州市水电工程勘察院 ．福宁湾围垦工程地质 勘察报告[ R] ．泉州 ：1 9 9 2 ． [ 3 ] 福建省 水利水 电厅 ．福建省 围垦工程设计 技术 规程 ( 试行 )[ S ] ．福州 ：1 9 9 2 ． [ 4 ] 胡文武 ．湾 口开敞式 海域 莆 田市东吴路堤优化 设计 [ J ] ．水利科技 ，2 0 1 4 ( 3 )． 作者简介 ：陈建斌 ( 1 9 7 7一) ，男，福建 莆 田 人 ，工程师，从事水利工程咨询与设计工作。