上海海堤達標-工程中加寬消浪平臺結構斷面設計
--以奉賢區(qū)某海大堤達標工程為例

陳建勇，王 玨

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

上海海堤達標-工程中加寬消浪平臺結構斷面設計
--以奉賢區(qū)某海大堤達標工程為例

陳建勇，王 玨

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

以上海市奉賢區(qū)某海堤達標工程為實例，介紹了加寬消浪平臺的達標結構斷面方案設計。通過方案對比分析，論證了案例項目采用加寬消浪平臺方案的合理性，并總結了加寬消浪平臺方案的適用條件，可為上海沿海一線海堤達標工程設計提供參考。

海堤(海塘);達標工程;消浪平臺;上海市

0 前言

海塘(海堤)是保障上海抵御風暴潮侵襲的第一道防線，其安全可靠性和防御能力直接關系上海的城市安全?！渡虾Ｊ泻Ｌ烈?guī)劃(1996-2010年)》規(guī)劃期已屆滿，同時由于沿江沿海灘涂圈圍變化，以及郊區(qū)城市化的快速發(fā)展，原海塘規(guī)劃已不能適應新形勢下的發(fā)展要求。2013年編制的新一輪《上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)》明確了上海主海塘新的防御標準，某段海塘亦被列為近期達標改造的工程之一。

常用的海堤達標措施有加高堤頂高程、增加外坡消浪設施糙滲系數(shù)、加寬消浪平臺等。其中在設計條件允許的情況下，加寬消浪平臺是更為簡便、經濟性較佳的方案。本文以奉賢區(qū)某海堤達標工程為例，論述通過加寬消浪平臺以達到新規(guī)劃標準要求的設計方案，以此為上海同類海堤達標工程設計提供案例參考。

1 海堤現(xiàn)狀及達標要求

1.1 海堤現(xiàn)狀

該工程位于杭州灣北岸，地處奉賢區(qū)南部。工程為促淤圈圍大堤，于2007年竣工，促淤面積約為333 hm2，圍內吹填陸地暫作為農用地，田面高程為3.5 m(上海吳淞零點為基準，下同);工程圍堤即為一線海塘，全長5 475 m，原設計標準為:圍堤為1級堤防，100 a一遇高潮位+11級風中值(30.1 m/s)，不允許越浪。

主堤(順堤)采用與原促淤壩相分離的結構型式，順堤中心線與促淤壩中心線相距約39 m。主堤堤身采用帶消浪平臺的復合斜坡堤結構，堤身主體由充泥管袋組合棱體與堤心吹填砂構成;外坡護面為350 mm厚柵欄板、450 mm灌砌塊石組合結構，上下坡面均為1∶3.0，消浪平臺寬度4.5 m，高程約5.6 m;防浪墻高1.2 m，采用鋼筋混凝土鷹咀直立式型式;堤頂寬度8.0 m，采用瀝青混凝土路面。

設計堤頂(防浪墻頂)高程為9.9 m，堤頂?shù)缆犯叱虨?.7 m;目前大堤沉降未達到施工預留量，現(xiàn)狀堤頂平均高程～8.9 m，防浪墻頂高程～10.1 m。

原設計主堤結構斷面圖見圖1所示。

1.2 達標要求

根據(jù)《上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)》［1］(以下簡稱《規(guī)劃》)，明確上海主海塘防御標準為:大陸及長興島主海塘防御能力達200 a一遇高潮位+12級風，崇明島及橫沙島主海塘防御能力達到100 a一遇高潮位+11級風。其中:大陸主海塘三甲港-蘆潮港為200 a一遇高潮位+12級風上限，大陸其余部分及長興島為200 a一遇高潮位+12級風下限。

該海堤位于杭州灣北岸上海區(qū)段，達標標準為200 a一遇高潮位+12級風下限(32.7 m/s)，不允許越浪。《規(guī)劃》中通過對海堤(海塘)不利風向條件下各定級風的頻率分析，12級風基本對應于200 a一遇設計風速。

2 設計水文參數(shù)

2.1 設計潮位

該工程位于金山嘴與蘆潮港之間，距離金山嘴站約為26 km，距離蘆潮港站約為22 km，其設計潮位通過兩站內插值得出，200 a一遇高潮位(P=0.5%)為6.36 m。

2.2 設計波浪要素

該工程區(qū)海域開闊，波浪作用較強，但由于該工程區(qū)域范圍缺乏連續(xù)的現(xiàn)場波浪觀測資料，不足以推算設計重現(xiàn)期下的波浪要素，因此波浪要素的計算需采用由設計風要素間接推算的方法。

首先采用規(guī)范推薦的蒲田海堤試驗站公式，通過設計標準下的潮位及風速(200 a一遇高潮位+12級風下限32.7 m/s)推算該海域的離岸深水波浪要素，繼而通過淺水變形、深水波與淺水波相互關系推算堤前設計波浪要素［2］。

該工程堤前設計波浪要素計算結果見表1所列。

3 達標斷面設計

3.1 設計斷面方案

海堤達標工程常采用的措施有加高堤頂(防浪墻)高程、降低波浪爬高等，其中降低波浪爬高一般可通過減小外坡消浪設施糙滲系數(shù)、加寬消浪平臺等。根據(jù)上述幾種措施，分別進行大堤達標斷面方案設計，并對各方案進行合理性比選。

3.1.1 加高防浪墻

維持現(xiàn)狀主堤護面結構，通過加高防浪墻來滿足達標要求。該方案相當于對原設計大堤進行堤頂標高復核，按照新的防御標準來計算波浪爬高及堤頂高程，以確定防浪墻加高的高度(方案一圖略)。

按《海堤工程設計規(guī)范》，堤頂高程應根據(jù)設計高潮位、波浪爬高及安全超高值按下式計算。

式中:ZP---設計頻率的堤頂高程，m;

hP---設計頻率的高潮位，m;

RF---按設計波浪計算的累積頻率為F的波浪爬高值(海塘按不允許越浪設計時F=2%)，m;

A---安全加高值，m，對于不允許越浪的1級堤防為1.00 m。

設計波浪爬高按《海堤工程設計規(guī)范》附錄E［2］的規(guī)定，對于堤坡m=1.5～5.0情況，正向來波在單一斜坡上的波浪爬高按下式計算:

式中:KΔ---斜坡糙率系數(shù)，根據(jù)護面類型確定;

KV---經驗系數(shù)，查表確定;

KF---爬高累計頻率換算系數(shù)，查表確定;

H1%---波高累積率F=1%的波高值。

帶有平臺的復合斜坡堤的波浪爬高，可先按規(guī)范公式確定該斷面的折算坡度me系數(shù)，再按坡度系數(shù)為me的單坡斷面確定其爬高。

據(jù)此對原設計大堤進行堤頂標高復核(各方案計算結果匯總見表2)，若保持現(xiàn)狀外坡消浪設施及消浪平臺不變，則堤頂高程需加高至約10.74 m方可滿足規(guī)劃防御標準要求。

3.1.2 新建扭工塊體護面(降低糙滲系數(shù))

主堤結構均予以保留，并保持原消浪平臺寬度4.50 m不變，在現(xiàn)狀主堤結構的基礎上在上下坡規(guī)則安放糙滲系數(shù)較小(KΔ=0.38)的扭工塊體，按照規(guī)范要求安放2層，通過降低波浪爬高來滿足達標標準(方案二斷面見圖2)。經計算并考慮適當安全系數(shù)，扭工塊體穩(wěn)定重量取2.0 t，厚度2.1 m。

按照上述波浪爬高公式計算，該方案達標堤頂高程為9.857 m，可在堤頂不加高的情況下滿足達標要求。

圖1 原設計主堤結構斷面圖

表1 主堤堤前設計波要素(200 a一遇高潮位+12級風下限)計算結果一覽表

3.1.3 加寬消浪平臺

現(xiàn)狀主堤結構均予以保留，加寬消浪平臺至8.50 m，并在上下斜坡新建柵欄板護面，護面坡比為1∶3，通過寬平臺增強消浪作用(計算理論為增大其斜坡折算坡度me)，以降低波浪爬高。

新建上、下坡柵欄板采用C35鋼筋混凝土，厚450 mm，上坡柵欄板安放在現(xiàn)狀350 mm厚柵欄板上方，下坡柵欄板與現(xiàn)狀下坡柵欄板之間空隙采用10～100 kg拋石填實(拋石表層理砌)。新消浪平臺建于現(xiàn)狀消浪平臺及拋石上方，消浪平臺寬8.50 m，標高約為6.00 m。消浪平臺采用C30灌砌塊石，厚500 mm。護坡坡底設C30灌砌塊石鎮(zhèn)腳，尺寸為1 000 mm×1 200 mm，鎮(zhèn)腳頂標高為3.50 m (方案三斷面見圖3)。

經計算，該方案達標堤頂高程為9.833 m，同樣可在堤頂不加高的情況下滿足達標要求。

3.2 方案比較

加高防浪墻方案達標堤頂高程為10.74 m，需將防浪墻頂標高加高約84cm，主堤防浪墻均需要重建。另外根據(jù)規(guī)范防浪墻凈高不宜超過1.2 m，若保持原堤頂路面標高8.7 m不變，則防浪墻凈高達2.0 m以上，與規(guī)范建議值相差較大，堤頂高程過高與工程西側水上旅游度假區(qū)極不協(xié)調，完全遮擋了向外海側的視野。故在防浪墻加高的同時，需將墻后堤頂加高，堤頂路面結構及內坡均需進行相應的加高改造，造成工程量較大、施工困難的問題?？梢娡耆ㄟ^加高防浪墻使海堤達到規(guī)劃防御標準的方案并不理想。

表2 各方案波浪爬高及堤頂高程計算結果匯總表

圖2 新建扭工塊體護面方案結構斷面圖

圖3 加寬消浪平臺方案結構斷面圖

新建扭工塊體護面方案，需安放2層扭工塊體，厚度2.10 m，高度基本同防浪墻頂，一定程度上影響游人觀景及親水效果，與上下游相鄰大堤不協(xié)調;扭工塊體安放數(shù)量多、重量大，且墻前無較大安放空間，易造成防浪墻沉降、傾斜及開裂;另外從投資角度考慮也不夠經濟。

由于主堤原設計采用與原促淤壩分離的布置方式，消浪平臺外側有足夠寬度的壓載平臺(原促淤壩后拋石范圍)，且已達到一定的淤積高程，因此方案三加寬消浪平臺并不增加斜坡堤總的底面積，增加工程量也不大，而限制波浪爬高的作用較為明顯。除平臺加寬外，該方案不改變現(xiàn)狀防浪墻，采用的柵欄板護面與相鄰海塘相協(xié)調，從而施工相對簡易。因此加寬消浪平臺的方案有多方面的優(yōu)點，方案相對較合理。

以上三種方案各方面的優(yōu)缺點比較見表3所列。

4 加寬消浪平臺的適用條件

通過上述比較，加寬消浪平臺方案相對而言較為合理，實則上加寬消浪平臺措施即是《防波堤設計規(guī)范與施工規(guī)范》中的寬肩臺斜坡堤型式［3］，其適用性和最終設計寬度應根據(jù)實際條件綜合分析來確定。

4.1 平臺加寬的空間及其經濟性

消浪平臺一般宜設置在設計高潮位附近或略低于設計高潮位，規(guī)范建議寬度是設計浪高的1～2倍，且不宜小于3 m。平臺的消浪作用主要是增加堤前波浪的底摩擦，或在平臺上提前破碎以消耗其能量。理論上消浪平臺越寬，消浪效果越好，但對于斜坡堤而言，消浪平臺越寬，堤身底面積就越大，斷面的工程量也越大，尤其在堤前水深較大的情況更甚。

前已敘述，該項目主堤原設計采用與原促淤壩相分離的布置方式，消浪平臺外側有足夠寬度的壓載空間，且已達到一定的高程范圍，因此具備平臺加寬的條件，增加工程量也不大，相對而言具備較好的經濟性。

4.2 符合現(xiàn)行規(guī)范公式的計算范圍

對照規(guī)范所建議的消浪平臺寬度，該項目改建后的消浪平臺寬度為設計浪高的1～2倍外，復合斜坡堤的波浪爬高計算采用折算坡度法，適用范圍為m上=1.0～4.0，m下=1.5～3.0，dw/L=-0.025～+0.025，0.05＜B/L≤0.25;另外折算坡度me也應在單一斜坡上波浪爬高計算公式中適用的堤坡范圍內，即me=1.5～5.0。

對照該項目消浪平臺加寬至8.5 m后，其寬度與2倍堤前設計波高接近，略大于2倍堤前設計波高，但加寬后的平臺寬度與設計波長的比值B/L約為0.15，dw/L約為0.007，折算坡度me＜5.0，均滿足規(guī)范公式的計算范圍。

4.3 滿足堤前波浪力作用

平臺加寬后使波浪在前緣破碎，從而具有較為顯著的消浪效果，有效地降低越浪量，但波浪沖擊破碎時也使得平臺受到較強烈的作用力，因此除計算爬高作用外，斜坡面及消浪平臺還必需要有足夠的結構穩(wěn)定性。

根據(jù)該項目的堤前波要素計算結果，斜坡面新增C35柵欄板厚度為450 mm，消浪平臺采用500 mm厚C30灌砌塊石，外坡腳增設C30灌砌塊石大鎮(zhèn)腳。護面結構厚度經計算滿足堤前波要素要求。

如根據(jù)堤前波要素計算所需的柵欄板及灌砌塊石護面結構過大，則仍需要采用消浪人工塊體護面結構。

4.4 堤身穩(wěn)定滿足要求

設計方案在原堤身上增加結構后，必需滿足堤身的整體穩(wěn)定及沉降要求。

表3 達標斷面各方案優(yōu)缺點比較表

加寬消浪平臺方案主堤整體穩(wěn)定復核成果見表4所列。根據(jù)計算結果，各工況下最不利滑動面安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 加寬消浪平臺方案堤身整體穩(wěn)定復核成果一覽表

該方案主堤斷面各沉降期堤頂中心線和消浪平臺沉降量見表5所列。根據(jù)結果可知，拋石填筑消浪平臺對堤頂造成的沉降很小，堤頂基準期沉降量為0.8 cm，目前堤頂預留沉降拋高可以滿足要求，因此保持現(xiàn)狀堤頂防浪墻是可行的;新建消浪平臺處基準期沉降量為5.5 cm，因此可在消浪平臺處預留10 cm拋高以滿足消浪平臺標高要求。

4.5 平臺分縫處理

加寬消浪平臺分別位于老平臺與新拋石體上方，故新老結構銜接處易出現(xiàn)不均勻沉降。為避免消浪平臺不均勻沉降造成結構破壞，在新老平臺銜接處設置20 mm沉降縫，沉降縫采用20 mm聚乙烯低發(fā)泡沫板填縫，并在外露面采用單組份聚氨酯封膏20 mm×20 mm嵌縫。

4.6 斷面物理模型試驗

達標設計斷面需通過物理模型試驗，驗證其波浪爬高、越浪量、結構穩(wěn)定性是否滿足標準要求。

表5 加寬消浪平臺方案堤頂中心線和消浪平臺沉降量一覽表(單位:m)

5 結語

本文介紹了加寬消浪平臺的達標方案設計，通過方案對比分析，論證了案例項目采用加寬消浪方案的合理性，并總結了加寬消浪平臺方案的適用條件。

上海的海堤大多為此類有一定寬度的壓載平臺的結構斷面，堤前波要素大體相近，且建造均有一定時間。因而，對于達標工程，在滿足文中所述的客觀條件及所需考慮的因素的前提下，采用加寬消浪平臺的方案具有一定的優(yōu)勢。

［1］ 上海市水務局， 上海市發(fā)展和改革委員會. 上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)［R］， 2013.

［2］ SL 435-2008， 海堤工程設計規(guī)范［S］.

［3］ JTS 154-1-2011， 防波堤設計與施工規(guī)范［S］.

U656.31+4

B

1009-7716(2015)04-0099-05

2014-12-15

陳建勇(1981-)，男，廣東東曉人，工程師，從事水利及水運工程設計工作。