海堤斷面類型及適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳戰(zhàn)利

(中洲工程設(shè)計(jì)有限公司，西安 710016)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，社會經(jīng)濟(jì)水平的逐步提高，各沿海城市對于海堤建設(shè)的重視度不斷提高。海堤如今不僅僅作為防御建筑保衛(wèi)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，更兼顧土地資源利用、綠色環(huán)保美觀等多重作用。為達(dá)到這些目的，在海堤建設(shè)中，海堤斷面的設(shè)計(jì)選擇尤其重要。

1 海堤建設(shè)的影響因素

地基的處理上，首先考慮的就是承載力。需要先在涂面上鋪設(shè)土工布進(jìn)行隔離，再敷設(shè)一層碎石墊層作為排水通道，增加塑料排水板將內(nèi)部滲水排出地基，以保證地基穩(wěn)固性。地基處理完成后即可進(jìn)行土石方的填筑，這時候就需要用到桁架式土方填堤機(jī)、石方平拋專用駁船等大型機(jī)械設(shè)備。加荷過程中，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)計(jì)算的加荷曲線進(jìn)行，先從涂面層開始，以后逐層加荷。每層加荷的滑動力都應(yīng)當(dāng)小于地基土的抗滑能力，相應(yīng)兩層加荷壓載的間歇時間，在每一個對應(yīng)點(diǎn)應(yīng)基本一致。加固過程中，需要時刻觀察沉降觀測點(diǎn)的沉降情況，避免地基失控。良好的加荷過程可以達(dá)到使土壤中水份逐漸排除的目的，從而獲得良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 海堤斷面的類型選擇

在進(jìn)行海堤斷面的選擇時，我們應(yīng)當(dāng)遵循安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的原則。需要綜合考慮海堤所處的地形地區(qū)、當(dāng)?shù)氐乃?、風(fēng)況、潮汐等情況，比較分析出最合適的斷面設(shè)計(jì)。海堤斷面最基本的幾何形狀大體可以分為斜坡式、陡墻式和混合式。

2.1 斜坡式

斜坡式的海堤以土堤為主體，邊坡依附于主體，坡度較緩。

以“廣州市珠江堤防西航道左岸鴉崗文筆水閘至石井水泥廠段達(dá)標(biāo)加固工程”為例，該工程位于廣州白云區(qū)西航道左岸。當(dāng)?shù)嘏療嵘俸?，雨水豐富，光照充足，主要洪水發(fā)生在每年的4-6月份。該地區(qū)主要為黏性土，具有抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透系數(shù)小、承載力低和觸變性、流變性的特點(diǎn)。原堤岸填筑土壓實(shí)度較低，急需加強(qiáng)對地基的處理。

以“廣州南沙開發(fā)區(qū)小虎一橋至建滔化工外江堤防綜合整治工程”為例。工程位于廣州市番禺區(qū)南部，經(jīng)勘測，該場地類別為Ⅲ類。地基土層以淤泥為主，土質(zhì)松軟，導(dǎo)致地基承載力、沉降等地質(zhì)條件較差；同時，堤身存在不同程度的填土松軟問題；外側(cè)擋墻以干砌塊石為原材料，強(qiáng)度和耐久性相對較差，需要經(jīng)常維護(hù)加修。

上述兩個案例均有土質(zhì)松軟、承載力低和地基穩(wěn)定性差的問題，因此我們放緩了大堤坡度、增加了坡腳的壓重，最終選用的是斜坡式的斷面。經(jīng)過設(shè)計(jì)改良后的斜坡式海堤，堤身與地基的接觸面積增大，地基的應(yīng)力分布變得均勻，能很好的適應(yīng)軟土層，整體穩(wěn)定性得到進(jìn)一步的提高。與此同時，斜坡式斷面很好的解決了維修難的問題，護(hù)面結(jié)構(gòu)簡單，對技術(shù)要求不高。其中一段堤面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 斜坡式斷面實(shí)際運(yùn)用

2.2 陡墻式

陡墻式邊坡較陡，堤身包含土堤和重力式防護(hù)墻。

以“廣州南沙區(qū)萬頃沙聯(lián)圍15涌-16涌東外江堤防整治工程”為例。工程總長度1.41KM，目前由于提身經(jīng)過了多次的加固，各處施工方法不一，堤身情況較復(fù)雜。部分區(qū)段存在壓實(shí)度、穩(wěn)定度、抗滑系數(shù)不滿足要求的情況。為此，我們對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，選擇了更適合原堤情況的陡墻式的斷面。

通過地基加固、堤線加高培厚等措施，最終形成的海堤斷面小、占地小、筑堤材料省。而且因?yàn)閿嗝娼Y(jié)構(gòu)的原因，波浪的爬高一般較同護(hù)面的斜坡堤小，堤身受風(fēng)浪的影響也相應(yīng)減少。其中一段堤面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 陡墻式斷面實(shí)際運(yùn)用

2.3 混合式

混合式的斷面對上述兩種方法進(jìn)行整合， 根據(jù)實(shí)際情況靈活的調(diào)整，以發(fā)揮更突出的整體優(yōu)勢。

以“南沙明珠灣區(qū)慧谷片區(qū)(工業(yè)區(qū)涌至大角山)超級堤工程”為例，舊堤岸結(jié)構(gòu)老化且形式單一，景觀性差，與所在城市的整體定位有偏差。為促進(jìn)堤壩整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及美觀度，對其進(jìn)行改造。整個堤壩采用混合式的方式，共設(shè)計(jì)了復(fù)式斷面、直立+長緩坡式斷面和2級直立式斷面三種斷面形式。

復(fù)式斷面利用原堤岸擋墻修建景觀平臺，保留了原擋墻在穩(wěn)定性上的優(yōu)勢的同時，能兼顧美觀性的要求；直立+長緩坡式斷面采用了前板樁高樁承臺結(jié)構(gòu)，為將來加高堤防留有了一定的余地；2級直立式斷面在原有堤岸內(nèi)側(cè)新建護(hù)岸，護(hù)岸內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)成弧形，有效的減少了越浪量。其中二級直立式斷面的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 混合式斷面實(shí)際運(yùn)用

通過上述案例，我們可以發(fā)現(xiàn)，不同的斷面類型各有優(yōu)缺，總結(jié)歸納如表1：

表1 不同斷面類型的優(yōu)缺

3 海堤斷面結(jié)構(gòu)型式適應(yīng)性分析

1)結(jié)構(gòu)安全適用性。海堤的“幾何尺寸”直接影響了其結(jié)構(gòu)安全性，斜坡式的斷面由于擁有更大的接觸面，地基的穩(wěn)定性高于陡墻式斷面。而且由于陡墻式防護(hù)墻與堤身間容易產(chǎn)生不均勻沉降，對其整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有很大的負(fù)面影響。

2)經(jīng)濟(jì)適用性。更大的地基接觸面積意味著更大的土地占比，因此，斜坡式的土地和材料投資成本都遠(yuǎn)高于陡墻式。

3)地質(zhì)條件限定。海灘一般都是多年的淤泥沉積而形成的，所以土質(zhì)松軟，沉降較大。對于地基的承載力和海堤的穩(wěn)定性上需要多下功夫。在工作范圍允許的條件下一般設(shè)計(jì)為斜坡式或者混合式，地質(zhì)條件較好的地方可以設(shè)置為陡墻式。

4)施工工藝的適應(yīng)性。不同形式的斷面在施工工藝上的要求也不同。如采取斜坡式的土石堤，在低灘深水區(qū)就會有土方固結(jié)速度慢的問題，影響工程進(jìn)度的問題。如若采取拋石主體的堤身，施工方法變得簡單，但是成本會相應(yīng)提高。

5)工程管理的需要。海堤的堤頂作為應(yīng)急搶險(xiǎn)的通達(dá)，在防風(fēng)防潮時，需要保證救援隊(duì)伍和救援設(shè)施的順利通行。此外，在海堤斷面的選擇上，還應(yīng)該考慮日常巡檢和維修養(yǎng)護(hù)的便利。因此，在堤身寬度≤4.5m時，可在背面設(shè)置錯車平臺。

6)生態(tài)及人文需求。生態(tài)綠色的發(fā)展理念如今深入人心，在海堤斷面的設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮海堤與周圍的環(huán)境是否相融洽，是否適合植物的生長和動物的生存繁衍。為提高其適應(yīng)性，目前采取的形式有海底公園、生態(tài)城和臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)海堤等[1]。

綜上，在海堤建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)勘察結(jié)果，選擇地質(zhì)較好，沉降較小的區(qū)域確定海堤走向。選擇對防浪有利的方向，避開主風(fēng)向，避免與強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)浪的正面沖擊。

4 海堤斷面結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

從前文的分析可知，對于地基要求較高且工程區(qū)域較大的工程，可以選擇斜坡式的斷面，若部分段不滿足斜坡式對土地的要求，也可以結(jié)合陡墻式斷面進(jìn)行混合處理；堤坡防護(hù)時，可采用現(xiàn)澆混凝土、混凝土灌砌石或者混凝土柵欄板等形式，對于允許越浪的海堤，應(yīng)根據(jù)不同的允許越浪量在堤頂面及背海面設(shè)置防護(hù)措施；堤頂材料的選擇上應(yīng)考慮其抗沖刷性，不能選擇碎石或者瀝青混凝土作為護(hù)面；考慮到海浪的沖刷性和腐蝕性，可以在海堤面上種植部分適合海邊生長的植物，如紅樹林和大米草等，不僅有效提高了海堤的壽命，更滿足了海堤的生態(tài)需求[2]。

“生態(tài)海堤”的建設(shè)已不單單作為海堤建設(shè)的一部分而存在，未來可以對生態(tài)海堤單獨(dú)劃區(qū)作為獨(dú)立項(xiàng)目規(guī)劃，將其與城市建設(shè)相結(jié)合，慢慢建立標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式。如通過擴(kuò)展融資渠道，發(fā)展生態(tài)養(yǎng)殖和海洋牧場等，變政府公益性投入為企業(yè)和社會生產(chǎn)性投入，不僅能夠有效的解決了海堤生態(tài)建設(shè)的問題，更能促進(jìn)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展，居民增收。

5 結(jié) 語

海堤斷面設(shè)計(jì)作為海堤建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，目前比較普遍的形式有斜坡式、陡墻式和混合式。設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)充分考慮地質(zhì)地形、風(fēng)浪特點(diǎn)等情況，結(jié)合施工工藝、維修管理和生態(tài)人文需求，確定斷面形式。當(dāng)然，斷面形式的的設(shè)計(jì)上不應(yīng)拘泥于上述三種主要形式，應(yīng)當(dāng)在保證結(jié)構(gòu)可靠，經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，推陳出新。