欧洲某潮汐电站蓄水砂芯防波堤坝断面优化设计研究

王福强，钱原铭，徐少鲲

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

欧洲某潮汐电站蓄水砂芯防波堤坝断面优化设计研究

王福强，钱原铭，徐少鲲

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

为了对欧洲某潮汐电站蓄水砂芯防波堤坝断面进行设计优化，从工程环境、设计要求、断面结构选择、结构稳定性优化、施工和工程造价等方面进行对比分析研究。结果显示，高潮差、长周期波条件下石头围埝方案的砂芯防波堤坝断面满足该项目优化设计要求，该结构断面为类似工程项目提供借鉴和参考。

潮汐电站；防波堤坝；砂芯；工程设计

潮汐能是河口海岸地区重要的绿色能源，潮汐电站利用潮涨、潮落形成的潮汐能发电，能源可靠，虽然有周期性间歇，但具有较为准确的规律，可通过预报有计划纳入电网运行。潮汐电站无淹没损失、移民等问题，水库内可发展水产养殖、旅游等，并且可有效提高库内护岸抵御风暴潮浪的能力，改善库内水质条件，具有较好的经济和社会综合效益。

潮汐电站选址要求潮差大、海湾水域开阔、含沙量较小[1]，以保证足够的发电量和电站的正常运行。当前国内外潮汐电站主要有法国朗斯(最大潮差3.5 m，坝长750 m)，加拿大安纳波利斯(最大潮差9.5 m，坝长225 m)，韩国始华(最大潮差14.0 m，坝长1 270 m)，中国江夏(最大潮差8.39 m，坝长670 m)[2]。这些电站建立在天然河湾或海湾，潮差较大，采用堤坝围出较大的发电水库。作为潮汐电站项目重要的组成部分，电站堤坝既要具备防浪能力，又需要满足蓄水发电时水库内外较大水头差下的防渗功能，通常约占电站总投资的30%～35%，是潮汐电站建设项目一个主要大项。同时，对于国际项目，特别是在欧洲发达国家，堤坝结构的选型除了要考虑结构自身特点外，还要考虑当地环保要求、地材价格、施工方案等。如何选择合理的潮汐电站堤坝断面，尤其是在高潮差、长周期波作用下的人工瀉湖式潮汐电站项目中，对潮汐电站项目的成败至关重要。

以往相关工程通常采用的堤坝形式有混凝土心墙堆石坝(朗斯电站)、宽断面砂芯抛石斜坡堤坝体(始华电站)、沉箱直墙式堤坝(韩国加露林电站)等。本文以欧洲某潮汐电站项目堤坝设计为例，根据欧洲海岸工程建设规范[3]，在结构断面选择、结构稳定性、施工和工程造价等方面对高潮差、长周期波作用下的斜坡式砂芯防波堤坝断面优化设计进行研究。

1 工程环境和设计要求

1.1项目背景

图1 潮汐发电站项目工程平面Fig.1 Plan of project

欧洲某潮汐发电站项目主要包括海上潮汐电站、总长9 360 m的防波堤坝及1 500 m的电站施工临时围堰，项目完成后将形成11.5 km2的人工瀉湖水域用以潮汐能发电(见图1)。防波堤坝属于永久结构，设计寿命120年，使用期内既要具备防浪挡砂的作用，又需要满足蓄水发电的功能。

1.2水文条件

1.2.1 潮流

本工程位于欧洲某海湾之中，潮汐类型为典型的半日潮，最大潮差约10.5 m，平均水位5.16 m，设计高水位9.48 m，设计低水位0.85 m，极端高水位10.50 m，极端低水位0.03 m。

在长落潮时期，该区域的最大平均流速可达0.5 m/s。

1.2.2 设计波浪要素

本工程水域直接面对外海，设计波浪要素见表1。

表1 设计波浪要素Tab.1 Design wave parameters

1.3设计要求

堤坝设计中关键因素设计要求见表2。

表2 设计要求Tab.2 Requirements of design

2 堤坝断面结构选择

2.1设计断面

根据业主要求，针对本项目提出了5种斜坡式砂芯防波堤坝断面进行比选。

2.1.1 原方案(方案一)

按照工程所在地规定，本工程防波堤坝必须为斜坡式结构，护面块体不允许为人工块体。原方案堤坝结构形式为砂芯斜坡堤，斜坡坡度1∶2.5，护面为3.5～6.5 t级配块石，堤心的围埝结构采用50～100 kg的碎石分级形成水下和水上围埝边界。采用土工布防止砂芯在水力作用下渗透出堤身造成堤体破坏(见图2)。

原方案主要优点为：满足当地环保要求，结构耐久性好，堤芯砂来源丰富可就地取材，结构防渗效果显著等。碎石地材比较普遍，材料供应有保障。

主要缺点为：该结构施工过程复杂，要求各工序之间的搭接紧凑；该地区潮差大，涨落潮流和波浪(一年一遇有效波高2.79 m)联合作用下，50～100 kg的碎石很难形成围埝，导致砂芯成堤困难，特别是该项目工期要求很高，对于分级碎石成埝的施工过程繁琐，工期、设备和人员需要很难满足，因此需要在原方案基础上进行设计优化。

图2 原方案断面(方案一)Fig.2 Typical cross section of original design(Plan 1)

2.1.2 土工大沙袋方案(方案二)

方案二采用土工大沙袋(Geo-container)和土工管带(Geo-tube)来形成沿防波堤坝轴向的围埝边界[4-5]，然后向围埝内部回填疏浚砂形成堤心，外侧采用垫层石和护面块石[4-5,7]，在垫层石与土工大沙袋和土工管带之间铺设高强度土工布形成倒滤层[4]，防止堤心砂从土工大沙袋或土工管带空隙渗入垫层石、护面从而造成防波堤顶面沉降不均匀(见图3)。其中土工大沙袋的长度为35 m，抛填后形成的截面高度为1.75 m左右，施工时在开体驳上先铺设土工布，然后装填疏浚砂，缝合之后运输到指定位置开体驳开体将土工大沙袋抛入海中。土工管带长度50 m，陆上吹砂形成的截面高度为2 m左右。土工大沙袋和堤心砂将在水上分层施工至+5.0 m标高附近，然后陆上施工土工管带及堤心砂。待土工大沙袋和土工管带及堤心砂施工完毕后，铺设土工布，安装垫层石、护面块石及防浪墙至设计堤顶标高。

图3 土工大沙袋方案断面(方案二)Fig.3 Typical geo-container cross section (Plan 2)

方案二主要优点为：施工简单，工序相对较少；由于土工大沙袋和土工管带形成结构之后本身自重很大，施工期无需额外防护[4]。

主要缺点为：由开体驳抛设土工大沙袋过程中，随着水深增加，抛设误差增大；土工大沙袋自重很大，一旦出现抛设位置错误或者偏差太大，移除的代价很大；同时抛设误差造成的沙袋间间隙容易造成堤心砂流失，施工风险较大[2]。

2.1.3 “圣诞树”方案(方案三)

方案三与土工大沙袋方案相比，采用开山石替代土工大沙袋形成水下堤心砂外侧分级围埝(见图4)。开山石(60～300 kg)形成的石头分级围埝每级高3.0 m，顶宽3.0 m。当海测和湖侧的每级围埝成形，在分级围埝的内侧铺设倒虑土工布，之后开始回填疏浚砂，与此同时进行外侧的垫层和护面安装，保证施工期防波堤坝安全。疏浚砂在分级围埝中形成一定高度和自然边坡后，再进行下一级围埝成形，并回填疏浚砂直至+5.0 m标高附近。+5.0 m标高以上采用土工管带施工方法，施工顺序与方案二相同。

图4 “圣诞树”方案断面(方案三)Fig.4 Typical “Christmas Tree” cross section (Plan 3)

方案三主要优点为：开山石形成的分级围埝，施工过程相对比较常规[3]。

主要缺点为：每级开山石形成的分级围埝内侧都需要铺设土工布，施工难度较大，对于工期有很大风险；开山石形成的分级围埝自身抗浪能力较弱，成形之后需要马上进行垫层块石和护面块石的铺设，工序之间衔接紧密，对于现场的施工组织管理要求较高。

2.1.4 石头围埝方案(方案四)

方案四采用级配为300～1 000 kg的大块石形成单级石头围埝至+3.0 m标高，顶宽为3.0 m，围埝的外边坡为1∶1.75，内坡为抛石自然边坡约1∶1.5(见图5)。与“圣诞树”方案相同，用大石头形成单级围埝内侧铺设倒虑土工布用以阻止堤心砂外泄。+3.0 m以上采用陆上施工土工管带形成围埝，施工顺序与前两个方案一致。

图5 单级石头围埝方案典型断面Fig.5 Typical rock bund cross section (Plan 4)

方案四主要优点为：采用级配块石形成单级石头围埝，施工工艺简单，同时避免了施工期临时防护；由于采用了大块石围埝，临海侧+3.0 m标高以下无需设置垫层块石，直接在围埝上铺设护面块体，有效提高了水上施工效率，减少船机设备，缩短工期。

主要缺点为：采用级配块石形成单级石头围埝，需要大量的大块石，这个对于材料供应是很大的挑战。

2.1.5 沙被方案(方案五)

方案五与方案三类似，采用单层厚度为0.5 m的沙被代替开山石分级形成3.0 m高的分级围埝[4]，围埝内部分级回填堤心砂(见图6)。倒虑土工布铺设在沙被外侧用以阻止堤心砂的流失。该方案施工顺序与方案三类似。

图6 沙被方案典型断面Fig.6 Typical sand mattress cross section (Plan 5)

方案五主要优点为：采用沙被方案来形成堤心砂围埝，这对于围埝施工期防护有利；同时沙被之间叠合在一起，能有效减少堤心砂外漏风险；沙被本身厚底不大，施工准确性可以得到保障。

主要缺点为：由于沙被施工速度很慢，会严重制约工期，尤其是项目本身施工工期很紧，因此对于船机组织要求很高；分层沙被在水面附近受波浪力及潮流作用，施工期稳定需要核算，极端天气需要额外的施工防护措施，代价很大。另外沙被方案需要用到大量的土工材料，对于工程造价影响很大。

2.2施工可行性比选

根据当地20年波浪后报资料(每小时一次数据，包含有效波高、平均波周期、潮位)，与施工方紧密配合，实时估算水上作业施工窗口期，以准确评价不同作业标准对水上可施工时间影响的敏感性，分析得到各个方案的施工可行性(见表3)。

表3 各方案施工可行性及难点对比分析Tab.3 Comparative analysis of constructability and difficulties for each scheme

综合对比五个方案可知：

1)工程所在地1年一遇波浪的有效波高2.79 m，原方案围埝在风浪中难以成形(50～100 kg块石)，无法施工。

2)欧洲当地块石供应价格高昂，以及供应速度和供应量成为制约项目成本和进度的关键。

3)水上作业需要大量的船机，而欧洲本土较为缺乏此类资源，价格又过于高昂，因此施工可行性比选的关键在于尽量减少石料使用和船机数量，并力求达到两者的平衡。

经过综合比选，石头围埝方案(方案四)具有如下优势：

1)+3.0 m高程以下采用水上抛填的大体积块石围埝，尽管用石量较大，但大大节省了水下理坡和铺设土工布的工作量，减少了船机设备的工时及潜水员的使用，另外，此方案可由石料进口船舶直接抵达现场后卸船，节省了石料堆存和二次倒运的场地、工作量及时间，也避免了采用土工大沙袋的施工精度问题。

2)+3 m高程以上采用陆上充填管带的方式逐段推进，节省了一部分围埝块石量，并且其与水上施工的围埝工作相互独立，相应地提高了施工速度，减少了总的船机用量。

3)在地质较差的断面采用了底部通长的土工格栅来增强断面整体稳定性。

4)砂芯及陆上充填管带的存在确保了断面的抗渗性能，同时，大体积块石围埝良好的透水性也降低了快速降水对断面稳定性的不利作用。

2.3造价和工期比选

各方案造价估算及预计工期如表4所示。

表4 各方案造价估算及预计工期Tab.4 Estimated cost and construction period for each scheme

通过设计方案比选，施工方案以及采购等多方面优化，石头围埝方案(方案四)比方案一、方案三和方案五减少工期8～25个月，造价比方案二减少约6千万英镑，可满足项目要求。

3 结构稳定性分析

对本次选定的方案四的护面块石稳定性及渗流稳定性进行分析。

3.1护面块石稳定性分析

防波堤护面块石稳定性按文献[3]中的范德米尔公式进行设计，计算公式列于表5。

表5 范德米尔公式及适用范围Tab.5 Van der Meer formula and the range of application

式中：h为水深；Hs为有效波高；Δ为块石相对密度；Dn50为块石的当量直径，Dn50=(M50/ρs)1/3，M50为块石质量分布曲线的50%值(中值)；P为结构渗透性系数；Sd为护面损坏水平，Sd=(Ae/Dn502)1/3，Ae为断面冲蚀面积；N为波数；α为斜坡角度；ξm为破波参数。

由于该防波堤坝所在区域潮位变化剧烈，因此需要对护面块石在不同水深情况下的稳定性计算复核，表6为最危险情况下的复核结果。

表6 护面块石稳定重量设计结果Tab.6 Sizes of armour rocks required

对防波堤坝设计断面开展物理模型试验，试验结果列于表7。

表7 护面块石稳定性模型试验结果Tab.7 Result of armour rocks stability in physical model

试验结果表明，4.5 t护面块石在500年一遇波浪作用下破坏率小于2.0，满足稳定性要求。

3.2瞬态渗流下的边坡稳定计算

工程区水域潮位变化剧烈，当潮汐电站建成发电后，电站泄湖内外的潮位发生变化，存在水头差(见图7)，尤其是极端大潮差情况伴随潮位快速变化下的边坡稳定计算需要考虑瞬态渗流的作用。

图7 设计大潮时电站瀉湖内外水位变化Fig.7 Change of the water level inside and outside lagoon in design spring tide condition

图8 PLAXIS 2D计算模型Fig.8 PLAXIS 2D model

采用PLAXIS 2D软件分析计算潮汐电站防波堤坝在电站蓄水发电过程中伴随潮位快速变化下的边坡稳定性。计算中考虑了非饱和瞬态渗流与结构边坡稳定分析的相互耦合作用，采用强度折减法计算边坡稳定，建立的模型如图8所示。

渗流模型采用VAN GENUCHTEN模型，非饱和渗流一般发生在潜水面以上，采用水土特征曲线(SWCC)来描述渗流中的水力学参数。水土特征曲线用来表示土体在不同应力状态下对土体中水的基质吸力，PLAXIS 2D中最常用的特征曲线模型是Van Genuchten模型[8]，该模型方程为：

式中：Pw为吸入空隙压力；γw为空隙流体重度；Sres为剩余饱和度，用于描述在高吸力水头下孔隙介质中的剩余部分流体；Ssat为饱和状态下的饱和度；ga为与空气进入土体相关的调节参数；gn为与土体被空气挤出水体相关的调节参数；gc为Van Genuchten方程中使用的调节参数，与ga和gn有关。

在考虑快速降水影响时，由于水位的快速降低导致堤身浸润线以下及下部土层中出现超空隙水压力且消散很慢，超空隙水压力的出现降低了堤身稳定性，见图9和图10。

图9 考虑快速降水下的超空隙水压力分布Fig.9 Excess water pressure distribution considering rapid drawdown

图10 强度折减法的滑弧Fig.10 Slip circle of strength reduction FEM

每12小时潮位历程中，防波堤坝整体稳定性安全系数变化计算结果列于表8。

表8 防波堤坝整体稳定性安全系数历时变化Tab.8 Result of breakwater slope stability during tidal range

计算结果表明，考虑快速降水的影响，堤身稳定性安全系数最小值为1.31，满足断面整体稳定安全要求。

4 结 语

潮汐电站的堤坝不仅要具备防浪能力，还要满足蓄水发电时水库内外较大水头差下稳定要求。本文以欧洲某潮汐电站项目堤坝设计为例，在断面选择、结构稳定性、施工和工程造价等方面对多种防波堤结构方案进行技术经济比选，得到以下结论：

1)考虑到工程造价等因素，砂芯斜坡堤可满足大潮差潮汐电站的堤坝设计要求。

2)本项工程中，大体积块石围埝方案造价较低，施工工序最少，施工简便，虽然石料相对其它方案用量较大，但是由于施工期不需要额外防护，施工费用少且工期可以保证，可作为推荐方案。

3)对于国际项目，特别是在欧洲发达国家，堤坝结构的选型除了要考虑结构自身特点外，还要考虑当地环保要求、地材价格、施工方案等，本文可为类似国际工程提供借鉴。

[1] 刘振夏,夏东兴,付命佐,等.我国潮汐电站选址的地质地貌条件评价[J].海洋工程,1990(2)：85-93.(LIU Zhenxia,XIA Dongxing,FU Mingzuo,et al.An estimation on the geologic and geomorphic conditions of the sites of the tidal power stations of China[J].The Ocean Engineering,1990(2):85-93.(in Chinese) )

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[8] PLAXIS Material Models Manual[M].2015.

Study on optimization design of sand-core breakwater sections for a tidal power station in Europe

WANG Fuqiang,QIAN Yuanming,XU Shaokun

(CCCC-Fourth Harbor Design Institute Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China)

In order to find the optimization design of the breakwater sections for a tidal power station in Europe,a comparative analysis has been adopted on project environment,design requirements,section selection,stability optimization,construction and cost.The results show that the rock bund sections can meet the optimization design requirements under the high tidal range and long-period wave conditions,and the conclusion can provide a reference for the similar projects.

tidal power station; breakwater; sand-core; optimization design

TV149.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.016

1005-9865(2017)05-0132-09

2017-02-09

王福强(1979-)，男，海南万宁人，硕士，高级工程师，英国皇家特许工程师，主要从事港口航道及近海工程的研究、设计咨询及项目管理等工作。E-mail：wangfq@fhdigz.com

钱原铭。E-mail：qianym@fhdigz.com