低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)護底設(shè)計探討

唐 云，鄭 輝，李春陽

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

深圳機場三跑道擴建工程場地陸域形成工程是深圳機場三跑道擴建工程的先行工程，項目用海面積約294萬m2，陸域形成面積約278.9萬m2，包括外海堤、跑道區(qū)、滑行道、土面區(qū)、水面區(qū)、場區(qū)圍堰、穿越道及繞行滑行道共七大功能分區(qū)。其中，建設(shè)外海堤總長約7 665 m。本工程外海堤距離廣深沿江高速機場段特大橋最近處僅 60 m。為保證沿江高速橋墩的安全，經(jīng)采用三維有限元軟件進行大量數(shù)值計算論證后，該段海堤（長約500 m）采用能有效阻斷海堤自重及陸域回填土導(dǎo)致的地基附加變形側(cè)向傳導(dǎo)至沿江高速橋墩的低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)。低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)用作海堤或護岸結(jié)構(gòu)的案例較少，相比于傳統(tǒng)的直立式護岸或碼頭前沿的護底結(jié)構(gòu)設(shè)計，因承臺下方存在會導(dǎo)致波能集中的空腔，其護底設(shè)計更為復(fù)雜和重要，僅按常規(guī)方法計算護底結(jié)構(gòu)重量或厚度可能存在偏危險的情況。本文將結(jié)合該工程探討低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)下方及前沿的護底設(shè)計方法，以期為今后同類結(jié)構(gòu)的護底設(shè)計提供參考。工程平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置示意

1 主要設(shè)計條件

本工程海堤所處位置海床面高程-3～-4 m，場區(qū)表層廣泛分布淤泥、淤泥質(zhì)土，層厚在1～15 m之間，含水率高，物理力學(xué)指標(biāo)極差，且表層淤泥呈流塑狀，具有不穩(wěn)定性。工程區(qū)域潮流屬不規(guī)則半日混合潮，最大落潮流速為1.3 m/s，最大漲潮流速為1.2 m/s，潮差較小。海區(qū)的波浪主要以風(fēng)浪為主，涌浪較少，大浪主要是臺風(fēng)浪。

因本工程外海堤的重要性，其工程級別為1級，設(shè)計使用年限為100年，防洪潮標(biāo)準為200年一遇，防浪標(biāo)準也為200年一遇，設(shè)計采用200年一遇高（潮）水位+200年一遇波浪組合。

1）設(shè)計水位（85高程）

設(shè)計高水位（200年一遇高水位）：3.40 m

設(shè)計低水位（200年一遇低水位）：-1.44 m

施工期高水位（10年一遇高水位）：2.79 m

平均海平面：0.58 m

施工期低水位（10年一遇高水位）：-1.32 m

2）設(shè)計波浪要素

本工程海堤設(shè)計波浪要素見表1。

表1 海堤200年一遇設(shè)計波浪要素

2 低樁承臺直立堤及護底設(shè)計方案

直立堤采用低樁承臺結(jié)構(gòu)，樁基采用鋼管樁+鋼管板樁。前排（海側(cè)）為斜撐樁，采用Φ1 600 mm鋼管樁，斜率3:1，縱向間距為3.7 m，打至強風(fēng)化巖層以下不小于 3 m；后排（陸側(cè)）擋土直立墻采用Φ1 400 mm鋼管樁+Z型鋼板樁的組合結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)中鋼管樁為主樁，縱向間距為2.86 m，打至強風(fēng)化巖層以下不小于3 m；鋼板樁為輔樁，僅需穿透軟弱土層至殘積土或風(fēng)化巖層頂面（阻斷陸側(cè)軟土的側(cè)向附加變形傳導(dǎo)）。鋼管板樁墻陸側(cè)澆筑水下混凝土包覆其背面進行防腐蝕保護。斜撐樁和鋼管板樁墻通過頂部現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺連為一體，承臺厚3 m，寬11.7 m。板樁墻后回填中10～100 kg塊石棱體，坡面設(shè)置二片石+混合倒濾碎石+土工布組成的倒濾結(jié)構(gòu)，后方吹填砂形成海濱大道陸域用地。承臺海側(cè)設(shè)置帶挑檐的擋浪墻，頂高程為 7.86 m。擋浪墻后方回填10～100 kg塊石，內(nèi)坡設(shè)置500 mm厚干砌塊石+植草磚護面。堤頂設(shè)置 7.5 m凈寬的防洪通道，頂高程6.66 m。

基礎(chǔ)處理：采用水上水泥攪拌樁加固地基，攪拌樁直徑1.0 m，前后樁間采用滿堂布置（100 %置換），其余采用格柵狀布置，攪拌樁處理總寬度38.6～41.8 m（軟土厚度不同，攪拌樁處理寬度略有變化）。

護底設(shè)計：基礎(chǔ)處理后在承臺下方及前沿線以外10 m范圍先拋填 0.3 m厚二片石，再在上方拋填1.06 m厚300～500 kg塊石作護底結(jié)構(gòu)（根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》5.3.17條計算所得堤前最大波浪底流速約3.8 m/s，按表4.3.24選取護底塊石穩(wěn)定重量）。

低樁承臺直立堤及護底結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 低樁承臺直立堤及護底結(jié)構(gòu)斷面

該方案直立墻前的護底結(jié)構(gòu)不論在承臺下方的空腔范圍內(nèi)還是前沿線以外均采用拋填兩層塊石，塊石大小根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》（JTS 154-2018）中5.3.17款計算出的堤前最大波浪底流速選取。該方案是較為常規(guī)的設(shè)計施工方案，但在與施工單位溝通后發(fā)現(xiàn)存在很大的施工難度：承臺下方空腔內(nèi)的護底塊石需在樁基施打完成后拋填（否則受護底拋石影響，承臺鋼管樁無法沉樁），但由于承臺前排斜撐鋼管樁間距較密（中心距3.7 m，凈距2.1 m），拋石施工難度非常大，且極易碰損前排鋼管樁及后排鋼管板樁的防腐涂層。此外，由于本工程泥面高程在-3～-4 m之間，海堤前沿波浪易破碎，破碎波又涌入承臺下方空腔形成波能集中，對護底結(jié)構(gòu)沖擊較大，塊石重量不宜僅按波浪引起的底流速選取。

3 護底設(shè)計優(yōu)化

針對上述問題，擬對護底設(shè)計進行優(yōu)化：承臺下方空腔采用模袋混凝土護底，水下充填，厚度0.4 m，寬度超出承臺3 m（以便與承臺前沿線以外的拋石搭接不小于2 m），待沉樁完成后水下充填施工；承臺前沿線以外的護底施工因不受鋼管樁影響（可在鋼管樁沉樁完成后施工），仍采用拋填塊石，但考慮到本工程泥面較高，水深較淺（200年一遇高水位水深約6.5 m），護底可能直接承受波浪作用，且波浪在直立堤前破碎后在承臺下方的空腔內(nèi)形成波能集中，對護底結(jié)構(gòu)形成強烈沖擊，為保證結(jié)構(gòu)安全，護底塊石的重量在按最大波浪底流速選取值的基礎(chǔ)上進行加大，采用1.3 m厚600～800 kg塊石，前沿線以外的護底寬度也由10 m加寬至15 m（大于1/4波長）。同時，考慮到模袋混凝土之間會存在施工縫隙且承臺前沿線以外的部分塊石直接拋填在未經(jīng)攪拌樁加固的原狀軟土上容易塌陷，在二片石底部增加鋪設(shè)一層高強土工墊，土工墊鋪設(shè)寬度超出護底塊石不小于5 m。

優(yōu)化后設(shè)計方案不僅對護底進行了加強，也解決了承臺下方無法拋石的問題，設(shè)計斷面見圖3。

圖3 優(yōu)化后的護底結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面

4 波浪物理模型試驗驗證

由于本工程海堤極為重要，直接掩護機場陸域，海堤工程級別為1級，結(jié)構(gòu)安全性要求非常高，且因本工程場地原泥面較高，護底結(jié)構(gòu)在低水位時可能直接承受破碎波作用，而規(guī)范對于直接承受波浪作用尤其是波能集中的破碎波作用的護底結(jié)構(gòu)設(shè)計未給出明確的計算方法（規(guī)范中護底塊石的穩(wěn)定重量僅根據(jù)波浪引起的底流速計算選?。?。為保證結(jié)構(gòu)安全，進行了本工程直立堤斷面及局部整體波浪物理模型試驗，對堤頂越浪量及護底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了驗證。

試驗結(jié)果如下：原方案護底結(jié)構(gòu)采用300～500 kg塊石，200年一遇波浪作用下，護底塊石少量晃動，個別失穩(wěn)，失穩(wěn)率小于 1.6 %；優(yōu)化后的方案護底結(jié)構(gòu)采用600～800 kg塊石+0.4 m厚模袋混凝土，200年一遇波浪作用下，護底塊石出現(xiàn)個別晃動，未出現(xiàn)失穩(wěn)，模袋混凝土未出現(xiàn)晃動或失穩(wěn)。

試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的護底結(jié)構(gòu)相比原方案穩(wěn)定性更好，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合工程實例探討了低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)墻前護底結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，對比分析了常規(guī)設(shè)計方案存在的問題，并提出了具體的解決方案，實際應(yīng)用中可參考下述研究結(jié)論：

1）對于低樁承臺直立式結(jié)構(gòu)，因承臺下方空腔會導(dǎo)致波能集中，尤其是波浪破碎后在空腔內(nèi)及墻前產(chǎn)生巨大能量，護底塊石的穩(wěn)定重量在根據(jù)規(guī)范計算出的最大波浪底流速選取的重量值基礎(chǔ)上，還應(yīng)適當(dāng)進行加大（建議重量增加40 %以上），護底范圍相比常規(guī)也應(yīng)進行加寬（可參照防波堤堤頭段選取護底長度，且不小于1/4波長）。

2）對于墻前水深較淺的工程，護底設(shè)計除了要考慮波浪引起的底流速外，還應(yīng)考慮護底結(jié)構(gòu)是否可能直接承受波浪作用。對于可能直接承受波浪作用的護底結(jié)構(gòu)，由于規(guī)范未給出明確的護底塊石穩(wěn)定重量計算方法，而此時護面塊體穩(wěn)定重量計算公式已不適用（按護面塊體計算也過于保守），應(yīng)采用物理模型試驗進行驗證。

3）承臺下方空腔內(nèi)的護底結(jié)構(gòu)由于受承臺樁基影響，不宜采用拋填塊石，可考慮采用模袋混凝土作為防護結(jié)構(gòu)，待沉樁完成后，水下充填施工，可確保不破壞樁基的防腐涂層。