廣東省某混合式海堤提標(biāo)結(jié)構(gòu)比選分析

劉鵬晨

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

海堤是沿海地區(qū)抗御臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來混合式海堤在我國東南沿海的海堤工程中較為多見，國內(nèi)學(xué)者對(duì)混合式海堤已進(jìn)行了較多的研究[1-3]，但是目前混合式海堤的提標(biāo)加固設(shè)計(jì)斷面復(fù)雜多樣，即使是同地區(qū)相鄰岸段的海堤提標(biāo)斷面也大相徑庭，采用不同海堤堤型及護(hù)面形式會(huì)導(dǎo)致相鄰岸段海堤設(shè)計(jì)墻頂高程不統(tǒng)一，甚者相差數(shù)十厘米。從保證防洪潮體系封閉和景觀協(xié)調(diào)一致性角度考慮，建議對(duì)于風(fēng)浪要素和地質(zhì)條件類似的相鄰工程岸段采用堤型和護(hù)面一致的提標(biāo)斷面。本文以廣東省某混合式海堤提標(biāo)工程為例進(jìn)行提標(biāo)斷面設(shè)計(jì)，可為同類混合式海堤提標(biāo)工程提供案例參考。

1 工程概況

1.1 海堤現(xiàn)狀

工程位于珠江河口黃茅海東岸，岸線呈東南—西北走向，現(xiàn)狀海堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇按允許部分越浪設(shè)計(jì)，斷面型式為斜坡式與陡墻式結(jié)合的混合式斷面，于2016年竣工，如圖1所示。海堤在原結(jié)構(gòu)堤身上培高拓寬，設(shè)計(jì)堤頂高程3.80m，設(shè)計(jì)防浪墻頂高程4.70m，臨水側(cè)設(shè)置7m寬整齊堆砌拋石平臺(tái)，面層拋石塊重500kg，背水側(cè)邊坡按1∶3的斜坡設(shè)計(jì)，表面鋪設(shè)草皮護(hù)坡，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)狀海堤設(shè)計(jì)斷面圖

圖2 海堤現(xiàn)狀

1.2 提標(biāo)要求

鑒于工程岸段位于臺(tái)風(fēng)經(jīng)常途經(jīng)的區(qū)域，海水涌入堤內(nèi)時(shí)有發(fā)生，給堤圍內(nèi)人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)造成了較大的損失。為降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，該工程將海堤防洪標(biāo)準(zhǔn)從50a一遇提標(biāo)到100a一遇，按允許部分越浪設(shè)計(jì)，根據(jù)區(qū)域重要性和規(guī)劃要求，工程等別為Ⅱ等，海堤級(jí)別為2級(jí)。

1.3 工程地質(zhì)

該工程場(chǎng)地廣布軟土層，厚度較大，為不穩(wěn)定土體，地基承載力小，深部地層為花崗巖風(fēng)化層，其分布相對(duì)穩(wěn)定，深層地基穩(wěn)定性較好。

2 技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)水位

三灶潮位站離該工程區(qū)較近，且潮位觀測(cè)資料均經(jīng)過整編，資料完整可靠，因此選取三灶潮位站作為參證站。該工程對(duì)參證站三灶站系列延長至2018年（考慮了2017年“天鴿”和2018年“山竹”特大臺(tái)風(fēng)的影響），得到100a一遇高潮位（P=1%）為3.95m。

2.2 設(shè)計(jì)波浪要素

根據(jù)工程附近水域波浪特征及演化規(guī)律分析，采用以風(fēng)浪生成與演化的方向譜計(jì)算模型（SWAN模型）對(duì)工程區(qū)附近的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行了計(jì)算，給出了特征位置堤前淺水波要素，具體見表1。

表1100 a一遇高潮位海堤堤前淺水波要素計(jì)算成果表

3 提標(biāo)斷面設(shè)計(jì)

3.1 海堤堤型

海堤按斷面外形一般可分為斜坡式、陡墻式和混合式三種基本型式。其中斜坡式海堤適宜于占地范圍較寬的海灘，構(gòu)造簡(jiǎn)單，維修方便，同時(shí)適宜各種地基；陡墻式海堤占地少，地基應(yīng)力大，適宜于承載力較好的地基?；旌鲜胶５碳骖檭煞N堤型的優(yōu)點(diǎn)，具體見表2。

該工程海堤堤基坐落于軟土層，地基承載力值小，考慮到現(xiàn)狀海堤外坡有足夠的位置設(shè)置消浪設(shè)施，綜合地基適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性考慮，提標(biāo)斷面推薦采用斜坡式或混合式海堤型式。

3.2 護(hù)面結(jié)構(gòu)

調(diào)研該地區(qū)常用的護(hù)面型式，四腳空心塊體、柵欄板和拋石護(hù)面應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)對(duì)三種護(hù)面型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，見表3。

拋石護(hù)面施工要求低、經(jīng)濟(jì)性好，但是結(jié)構(gòu)抗沖安穩(wěn)性、質(zhì)量控制和消浪能力較弱，不利于堤身結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定；四腳空心塊體和柵欄板雖然在經(jīng)濟(jì)性上不具優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)結(jié)構(gòu)安全有保證，且消浪能力和景觀效果更優(yōu)，從長遠(yuǎn)角度考慮，采用四腳空心塊體和柵欄板護(hù)面方案較為合理。

表2 海堤堤型優(yōu)缺點(diǎn)比較表

3.3 防浪墻加固

現(xiàn)狀防浪墻設(shè)計(jì)墻頂高程4.70m，實(shí)測(cè)資料表明堤身已發(fā)生不同程度的沉降，存在較大的欠高。現(xiàn)對(duì)原防浪墻部分鑿除后采用小擋墻加高、原防浪墻整體拆除重建兩種方案進(jìn)行比選，見表4。

（1）方案一保留原墻主體結(jié)構(gòu)，將防浪墻頂部鑿除至原新老墻體結(jié)合面，然后新建小擋墻接高至設(shè)計(jì)標(biāo)高，與老結(jié)構(gòu)結(jié)合處采用種植鋼筋連接。

（2）方案二將原防浪墻完全拆除，利用原防浪墻較好的地基作為新建防浪墻基礎(chǔ)，新建防浪墻結(jié)構(gòu)。

方案一工程量小、經(jīng)濟(jì)性好，且施工期防汛安全隱患小，方案二防浪墻整體性好。鑒于該工程海堤現(xiàn)狀防浪墻墻身基本完整，防浪墻加固擬采用方案一，如圖3所示，即保留原墻主體結(jié)構(gòu)，鑿除部分上部結(jié)構(gòu)后采用小擋墻加高。此外，為減小迎水面波浪對(duì)新老墻結(jié)合部分的沖刷破壞，在迎水面增加鋼筋混凝土護(hù)面以加強(qiáng)新老墻結(jié)合部位抗風(fēng)浪安全設(shè)計(jì)。

表3 護(hù)面結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

表4 防浪墻加固方案比選表

圖3 防浪墻推薦加固方案（單位：mm）

3.4 提標(biāo)斷面設(shè)計(jì)

3.4.1 堤頂高程計(jì)算

該工程按照100a一遇潮位設(shè)計(jì)，允許部分越浪考慮。

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[4]（DB44/T 182—2004），堤頂高程是指海堤沉降穩(wěn)定后的堤頂高程，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮位、波浪爬高及安全超高值按下式計(jì)算。

式中：Zp為設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程，m；hp為設(shè)計(jì)頻率的高潮位，m；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值（海堤按允許部分越浪設(shè)計(jì)時(shí)F=13%），m；A為安全加高值，m，對(duì)于允許部分越浪的2級(jí)海堤為0.40m。

其中，設(shè)計(jì)波浪爬高按《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44/T182—2004）附錄J的規(guī)定：

（1）對(duì)于海堤為單坡結(jié)構(gòu)型式且0＜m＜1時(shí)，波浪的爬高計(jì)算或按下式估算：

式中：K△為與護(hù)面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)；KV為與風(fēng)速及堤前水深有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表確定；R0為不透水光滑墻上相對(duì)爬高，查圖確定；H1%為波高累積率F=1%的波高值；KF為爬高累積頻率換算系數(shù)。

（2）對(duì)于海堤為單坡結(jié)構(gòu)型式且m=1.0~5.0時(shí)，波浪的爬高計(jì)算或按下式估算：

式中：R1為K△=1，H=1m時(shí)的爬高值，由計(jì)算確定。

帶有平臺(tái)的復(fù)合斜坡堤的波浪爬高，可先確定該斷面的折算坡度系數(shù)me，再按坡度系數(shù)為me的單坡斷面確定其爬高。

對(duì)于陡墻式或混合式海堤波浪的爬高可采用海堤為單坡結(jié)構(gòu)型式0＜m＜1時(shí)式（2）計(jì)算其波浪爬高，對(duì)于單坡或復(fù)坡m=1.0~5.0時(shí)的斜坡式海堤波浪爬高可按式（3）確定。

3.4.2 越浪量計(jì)算

圍繞區(qū)域“濱海城市、溫泉之鄉(xiāng)、夢(mèng)里家園”的規(guī)劃定位，本工程堤內(nèi)將打造海濱特色的沿海景觀帶，海堤提升宜在滿足防洪（潮）安全的前提下，兼顧濱水景觀的要求，盡量降低墻頂高程。根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44/T182—2004）（規(guī)定，對(duì)于允許部分越浪的海堤，當(dāng)防浪墻墻頂高程不能達(dá)到計(jì)算高程時(shí)，墻頂高程可采用越浪量控制。

（1）根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44/T 182—2004）附錄K，無風(fēng)條件下，1∶0.4陡坡上（帶防浪墻）的越浪水量可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：q為單位時(shí)間單寬海堤上的越浪水量，m3/（s·m）；HC為防浪墻頂至靜水位（設(shè)計(jì)高潮位）的高度，m；H為堤前平均波高，m；T為波周期，s；A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表確定；K△為與護(hù)面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)。

有風(fēng)的越浪量為無風(fēng)條件下的越浪量乘風(fēng)校正因子K’。

（2）根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T51015—2014）[5]附錄F，斜坡式海堤1.5≤m≤3.0堤頂有防浪墻時(shí)，堤頂越浪量可按下式計(jì)算：

式中：b1為坡肩寬度，m；TP為譜峰周期，TP=1.33T，s；B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表確定；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。

對(duì)于陡墻式海堤的堤頂越浪量可采用式（4）確定，對(duì)于單坡或復(fù)坡斜坡式海堤的堤頂越浪量可按式（5）確定。由于大部分混合式海堤斷面較復(fù)雜，很難在規(guī)范中找到適用條件與設(shè)計(jì)斷面相似的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行越浪量的計(jì)算，只能選取比較近似的公式，采用式（4）確定[1]。

考慮到該工程堤內(nèi)將打造海濱特色的沿海景觀帶，本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，兼顧近期防洪及遠(yuǎn)期建設(shè)的要求，堤后護(hù)坡統(tǒng)一按草皮護(hù)坡設(shè)計(jì)，并按照《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44/T182—2004）確定的海堤內(nèi)坡為草皮護(hù)坡時(shí)的允許越浪量反算防浪墻表6 。頂高程。

3.4.3 提標(biāo)斷面方案

（1）如圖4所示，方案一提標(biāo)斷面采用混合式海堤。墻外新增寬度為8m，頂高程為2.30m的消浪平臺(tái)，外側(cè)以1∶2.5的坡比放坡至拋石護(hù)腳，表面鋪設(shè)1層單重1.5t的四腳空心塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)，按照100a一遇潮位設(shè)計(jì)（允許部分越浪）計(jì)算該斷面墻頂高程，墻頂標(biāo)高5.30m，內(nèi)坡新建1∶3.0草皮護(hù)坡。

圖4 提標(biāo)斷面方案一（單位：mm）

（2）如圖5所示，方案二提標(biāo)斷面采用斜坡式海堤。墻外新建復(fù)式柵欄板護(hù)坡結(jié)構(gòu)，上坡柵欄板結(jié)構(gòu)寬4.9m，坡比取1∶3.0，下坡柵欄板結(jié)構(gòu)寬6.0m，坡比取1∶3.0，上、下坡護(hù)面結(jié)構(gòu)間設(shè)5.0m寬消浪平臺(tái)，平臺(tái)頂標(biāo)高為2.50m，按照100a一遇潮位設(shè)計(jì)（允許部分越浪）計(jì)算該斷面墻頂高程5.20m，內(nèi)坡新建1∶3.0草皮護(hù)坡。

圖5 提標(biāo)斷面方案二（單位：mm）

（3）方案比較

由表5計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)方案一設(shè)計(jì)墻頂高程5.30m、方案二設(shè)計(jì)墻頂高程5.20m時(shí)越浪量均可以滿足《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44/T182—2004）關(guān)于海堤內(nèi)坡為草皮護(hù)坡時(shí)的允許越浪量上限值0.02（m3/（s·m））的要求，其中方案二設(shè)計(jì)墻頂高程稍低，對(duì)于沿海景觀帶的開發(fā)更具優(yōu)勢(shì)。分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行建安費(fèi)估算，方案一估算2.60萬元/m，方案二估算2.65萬元/m，造價(jià)相近，從提升工程防災(zāi)減災(zāi)功能以及綜合經(jīng)濟(jì)適用性和美觀角度考慮，兩個(gè)方案均是合適的。

表5 各方案堤頂高程及越浪量計(jì)算結(jié)果匯總表

該工程海堤堤基坐落于軟土層上，堤身加高培厚產(chǎn)生的新增荷載會(huì)引起堤身沉降，為保證海堤沉降穩(wěn)定后的堤頂高程滿足設(shè)計(jì)要求，海堤完工時(shí)需預(yù)留一定的工后沉降量。以方案一為例進(jìn)行堤基沉降計(jì)算，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期按10a考慮，堤身基準(zhǔn)期內(nèi)殘余沉降量為23.6cm，堤外護(hù)坡基準(zhǔn)期內(nèi)殘余沉降量為23.8cm，綜合該工程現(xiàn)狀地形、地質(zhì)和施工等各方面因素，同時(shí)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，該工程堤身、內(nèi)外護(hù)坡均預(yù)留25cm工后沉降以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，數(shù)據(jù)見

表6 沉降計(jì)算成果表

4 結(jié) 語

近年來混合式海堤在我國東南沿海地區(qū)的應(yīng)用已越來越廣泛，本文以廣東省某混合式海堤提標(biāo)工程為例，對(duì)提標(biāo)斷面堤型、護(hù)面結(jié)構(gòu)、防浪墻加固方案進(jìn)行比選分析，從提升工程防災(zāi)減災(zāi)功能以及綜合經(jīng)濟(jì)適用性和美觀視角論證了案例提標(biāo)斷面的合理性，同時(shí)，考慮場(chǎng)地廣布軟土層的地質(zhì)特性，計(jì)算確定預(yù)留工后沉降量以保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)堤頂高程要求，為類似地質(zhì)條件下的混合式海堤提標(biāo)設(shè)計(jì)提供了借鑒。