淺談海塘提標(biāo)設(shè)計(jì)中塘頂高程的若干計(jì)算問(wèn)題

張 策，徐 劍，姚怡斐，和曉磊

（1.浙江省錢(qián)塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢(qián)塘江流域中心，浙江 杭州 310016）

1 引 言

為進(jìn)一步提升沿海防臺(tái)御潮能力，發(fā)揮海塘對(duì)高質(zhì)量發(fā)展的促進(jìn)引領(lǐng)作用，浙江省近年來(lái)率先謀劃實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)海塘的建設(shè)，綜合打造安全可靠、綠色生態(tài)、功能綜合、運(yùn)行高效的海塘工程體系[1]。

隨著各地海塘提標(biāo)建設(shè)工程的逐步推進(jìn)，在改、擴(kuò)建的海塘設(shè)計(jì)實(shí)施中，關(guān)于海塘高程計(jì)算的疑難問(wèn)題也顯現(xiàn)出來(lái)：一是波浪淺水變形的計(jì)算繁瑣。該計(jì)算通常采用“多米諾骨牌”式計(jì)算法[2]，需多次內(nèi)插來(lái)查算能耗系數(shù)曲線圖，圖中曲線密集且清晰度較低，應(yīng)用內(nèi)插法計(jì)算的工作量大，嚴(yán)重影響工程師的設(shè)計(jì)效率。二是部分海塘日常未開(kāi)展沉降觀測(cè)工作，無(wú)法根據(jù)運(yùn)行期沉降觀測(cè)結(jié)果推算老工程的殘余沉降。三是改、擴(kuò)建類的海塘沉降計(jì)算復(fù)雜且準(zhǔn)確度不足。為保證真實(shí)性，不可將其視為與新建海塘相同的工況進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算既需考慮老海堤與提標(biāo)加固工程的工序與荷載施加關(guān)系，又需結(jié)合客觀數(shù)據(jù)提高計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，計(jì)算難度較大。

本文以舟山市某海塘安瀾工程為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)安全及計(jì)算準(zhǔn)確為前提，提出一種簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)計(jì)算思路（見(jiàn)圖1），為相關(guān)海塘安瀾工程的設(shè)計(jì)工作提供參考。

圖1 本文分析思路圖

2 海塘結(jié)構(gòu)說(shuō)明

2.1 海塘原建設(shè)情況說(shuō)明

現(xiàn)狀海塘于2010年開(kāi)始建設(shè)，原設(shè)計(jì)海塘防浪墻頂高程4.50 m，塘頂寬7.3 m，采用20 cm厚的C25混凝土路面。外海側(cè)為直立式灌砌塊石擋墻，擋墻內(nèi)部采用干砌棱體填筑，外側(cè)設(shè)置鎮(zhèn)壓層平臺(tái)，平臺(tái)與水平塊石拋填護(hù)面以1:3.0的坡度銜接。內(nèi)坡通過(guò)干砌塊石護(hù)面以1:3.0的坡度銜接至內(nèi)側(cè)閉氣土方，閉氣土方頂高程為1.00 m，寬度28.0 m。子堤通過(guò)拋石填筑，頂寬8.0 m。現(xiàn)狀海塘斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)狀海塘斷面圖 單位：cm

2.2 本次海塘提標(biāo)設(shè)計(jì)說(shuō)明

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃[3]，海塘設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)需提高至100 a一遇，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，設(shè)計(jì)塘頂采用C30鋼筋混凝土插筋加高，防浪墻表層采用彈性體涂料噴涂?？紤]到塘身下部存在塊石基礎(chǔ)，在原有路面上鋪裝瀝青，同時(shí)向內(nèi)陸側(cè)延伸塘頂寬度，形成“人行道3.5 m+行車(chē)道8.5 m”的塘頂多功能空間，在人行道與綠化帶下部的路基采用石渣回填夯實(shí)的工程措施以減少后期沉降。塘后與子堤的高程相銜接，采用坡度為1:8.0的大緩坡結(jié)構(gòu)型式，下部采用防滲土體壓實(shí)，提升塘身的防滲安全度。提標(biāo)后海塘斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 提標(biāo)海塘斷面圖 單位：cm

3 防潮安全高程的計(jì)算分析

為提高計(jì)算效率，黃朝煊等[4]對(duì)波浪淺水變形計(jì)算進(jìn)行研究并給出簡(jiǎn)潔計(jì)算解析式，以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，分別對(duì)簡(jiǎn)潔解析式與規(guī)范計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證公式的精度完全滿足工程要求。

本小節(jié)采用上述研究的簡(jiǎn)潔解析式進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合波浪數(shù)模研究專題的報(bào)告成果驗(yàn)證，再根據(jù)波浪爬高公式計(jì)算得出防潮安全高程。

3.1 淺水變形計(jì)算方法及輸出數(shù)據(jù)

結(jié)合前期已計(jì)算出的水深、海床坡度、波長(zhǎng)以及波高等數(shù)據(jù)，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：H0為淺水變形后的平均波高，m；H0’為淺水變形計(jì)算起始點(diǎn)的平均波高，m；f為摩擦系數(shù)，淤泥質(zhì)海堤取0.01，粗砂質(zhì)海堤取0.02，本工程取0.01；g為重力加速度，m/s2；T為波周期，s；A0為海底地形斜坡斜率倒數(shù)的絕對(duì)值；L為平均波長(zhǎng)，m；L0為深水波長(zhǎng)，m；d起點(diǎn)為淺水變形起始點(diǎn)水深，m；d終點(diǎn)為淺水變形終點(diǎn)水深，m。

表1 波浪淺水變形計(jì)算表

3.2 淺水變形成果驗(yàn)證

數(shù)模專題采用丹麥水力研究所MIKE21（Spectral Wave）模型進(jìn)行計(jì)算。為更好地模擬工程區(qū)域的波浪變化過(guò)程與塘前水深變化，外海采用低分辨率三角形網(wǎng)格工程區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密，堤前最小網(wǎng)格設(shè)置為10 m邊長(zhǎng)，見(jiàn)圖4（圖中縱、橫坐標(biāo)為經(jīng)墨卡托投影的1984世界大地坐標(biāo)系）。

圖4 工程區(qū)網(wǎng)格示意圖

采用“201509”號(hào)“燦鴻”臺(tái)風(fēng)過(guò)程的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，選取工程區(qū)的2個(gè)點(diǎn)位WG1與WG2進(jìn)行分析，波高和周期驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，模擬結(jié)果匹配較好，表明波浪模型參數(shù)設(shè)置較為合理。

模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證之后，采用100 a一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速資料和潮位進(jìn)行模擬計(jì)算，得到海塘樁號(hào)2+000 m附近的波浪要素，將模型數(shù)據(jù)與解析式計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 波高數(shù)值比對(duì)表

由表2可知，塘前累計(jì)率1%的波高H1%計(jì)算數(shù)值無(wú)偏差，塘前平均波高H有1.54%的偏差，其原因主要是本地區(qū)海圖精度不足，導(dǎo)致計(jì)算風(fēng)區(qū)的水深計(jì)算存在誤差。結(jié)果表明，采用簡(jiǎn)潔解析式的計(jì)算結(jié)果符合工程需求。

3.3 防潮安全高程計(jì)算結(jié)果

根據(jù)解析式計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范要求[5]以及海塘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步計(jì)算海塘波浪爬高，匯總得出海塘的防潮安全高程為5.24 m，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表3。

表3 防潮安全高程計(jì)算表

式（2）中：Zp為100 a一遇的塘頂高程（防潮安全高程），m；hp為100 a一遇設(shè)計(jì)高潮位，m；Rf為累計(jì)頻率13%的波浪爬高值，m；A為安全加高值；Rf’為考慮壓載系數(shù)后的波浪爬高值，m；K△為糙滲系數(shù)；Kv為與風(fēng)速及塘前水深有關(guān)的系數(shù)；R0為不透水光滑墻上的相對(duì)爬高；H1%為波高累計(jì)率1%的波高值；KF為波高累計(jì)頻率換算系數(shù)；Ky為壓載系數(shù)。

4 海塘沉降的計(jì)算分析

4.1 計(jì)算思路及特點(diǎn)說(shuō)明

海塘沉降差值法的計(jì)算特點(diǎn)主要為：一是通過(guò)地勘成果與模型計(jì)算中塊石層沉降的數(shù)據(jù)比對(duì)，校準(zhǔn)計(jì)算模型，提高成果相對(duì)準(zhǔn)確度。二是與老海塘殘余沉降的結(jié)合。浙江省部分海塘無(wú)日常觀測(cè)資料，無(wú)法按照常規(guī)的雙曲線法、沉降速率等方法推測(cè)其殘余沉降，差值法可通過(guò)新、老計(jì)算模型的沉降差值，將殘余沉降的數(shù)據(jù)納入最終的預(yù)留沉降中。計(jì)算思路見(jiàn)圖6。

圖6 沉降計(jì)算時(shí)間軸圖

4.2 沉降穩(wěn)定分析

雖然本模型已通過(guò)差值法涵蓋了老海塘的剩余沉降量，但出于安全富裕度的考慮，仍需要在沒(méi)有日常觀測(cè)資料的前提下，初步推算現(xiàn)狀海塘是否沉降穩(wěn)定，以確保本工程最終計(jì)算成果的安全富裕度。擬從建成時(shí)間、堤基固結(jié)、計(jì)算方法、現(xiàn)場(chǎng)面貌等方面進(jìn)行判定分析。

建成時(shí)間：老海塘于2012年完工，新海塘于2023年開(kāi)工，時(shí)間跨度為11 a。根據(jù)SL 435—2008《海塘工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中8.3.6條文說(shuō)明所述，一般在筑堤竣工驗(yàn)收后5~10 a沉降基本完成。因此從時(shí)間上來(lái)看，本海塘沉降已達(dá)到穩(wěn)定。

堤基固結(jié)：通過(guò)理正計(jì)算，在塘身下部25 m塑料排水板的范圍內(nèi)，固結(jié)度趨近為1.0，結(jié)合技術(shù)規(guī)定[2]，從堤基土體的固結(jié)情況來(lái)看，沉降已達(dá)到穩(wěn)定。

計(jì)算方法：為規(guī)避老海塘沉降不穩(wěn)定的情況，本次計(jì)算采用新、老海塘沉降差值法（見(jiàn)圖7），即無(wú)論老海塘的沉降是否穩(wěn)定，老海塘在新海塘周期內(nèi)的殘余沉降在新海塘模型的總體沉降中已涵蓋，無(wú)漏算。

圖7 沉降差值法特點(diǎn)說(shuō)明圖

現(xiàn)場(chǎng)面貌：本海塘起始及終點(diǎn)均為山體，地質(zhì)條件較好，海塘在山體側(cè)基本無(wú)沉降。經(jīng)沿線現(xiàn)場(chǎng)踏勘后發(fā)現(xiàn)，塘身各結(jié)構(gòu)段的伸縮縫處均無(wú)高低錯(cuò)縫等現(xiàn)象，可知本海塘中間區(qū)段的沉降較小，趨于穩(wěn)定（見(jiàn)圖8）。

4.3 計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果

如果將海塘安瀾設(shè)計(jì)方案在本次地勘成果的基礎(chǔ)上建立沉降模型進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果既不符合施工工序，不能準(zhǔn)確模擬設(shè)計(jì)方案新增的土體時(shí)間與尺寸，又無(wú)法校準(zhǔn)其合理性。因此，本次采用理正軟件的“復(fù)雜軟土地基堤壩設(shè)計(jì)”模塊，通過(guò)建立老海塘模型模擬至本次安瀾工程的地勘時(shí)間節(jié)點(diǎn)，結(jié)合模型計(jì)算的塊石層沉降量與實(shí)際地勘塊石沉降量的校準(zhǔn)，不僅可提高海塘模型的準(zhǔn)確度，還可計(jì)算出現(xiàn)狀塊石已有的沉降量，為下一步計(jì)算打好基礎(chǔ)，計(jì)算思路見(jiàn)圖9。

圖9 老海塘現(xiàn)狀沉降以及模型校準(zhǔn)思路圖

將上述經(jīng)校準(zhǔn)后的老海塘模型參數(shù)保持不變，僅在模型海塘的塘身上部按照本次設(shè)計(jì)方案進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)置，并在施工工序上根據(jù)實(shí)際調(diào)整，計(jì)算思路見(jiàn)圖10。最后，將2個(gè)沉降數(shù)據(jù)相減得出本次海塘安瀾設(shè)計(jì)中需預(yù)留的沉降量，即D=S2-S1。

圖10 總沉降量計(jì)算思路圖

以樁號(hào)2+000 m為例，在計(jì)算過(guò)程中，首先根據(jù)原設(shè)計(jì)資料分析得出原設(shè)計(jì)塊石層拋填底高程為-4.10 m，結(jié)合現(xiàn)狀地勘結(jié)果中的塊石層底高程-6.20 m，計(jì)算得到實(shí)際塊石拋填沉降量S1為2.10 m。通過(guò)理正軟件根據(jù)實(shí)際沉降量不斷調(diào)整沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等參數(shù)，校準(zhǔn)模型后將模型沉降量與實(shí)際沉降量相統(tǒng)一（見(jiàn)圖11），以校準(zhǔn)后的模型為基礎(chǔ)，考慮工后保證年份15 a的工況，得出總沉降量S2為2.43 m（見(jiàn)圖12）。故本工程需預(yù)留的沉降量D=S2-S1=0.33 m，約為堤身高度的3.8%，符合SL 435—2008《海塘工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]8.3.6條文說(shuō)明所述，堤身沉降量約為堤高的3%~5%。

圖11 老海塘沉降計(jì)算結(jié)果示意圖（時(shí)間跨度：2010年新建—2021年地勘）

圖12 新建海塘沉降計(jì)算結(jié)果示意圖（時(shí)間跨度：2010年老海塘新建—2040年保證年份）

5 結(jié) 論

（1）塘頂高程的確定應(yīng)包括防潮安全高程與海塘預(yù)留沉降。根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，本段海塘的塘頂高程應(yīng)為5.24 m+0.33 m=5.57 m。

（2）通過(guò)波浪數(shù)模驗(yàn)證，采用簡(jiǎn)潔解析式的方法是可行的，計(jì)算數(shù)據(jù)的平均偏差約為1.54%，精度滿足工程要求。該方法便于工程師計(jì)算參考，可達(dá)到提高設(shè)計(jì)進(jìn)度的目的。

（3）海塘經(jīng)拼寬培厚后的沉降計(jì)算，首先利用理正軟件建立老海塘模型，結(jié)合塊石層沉降計(jì)算進(jìn)行校準(zhǔn)，再以校準(zhǔn)后的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行拼寬培厚調(diào)整，將所涵蓋不同時(shí)間跨度的沉降計(jì)算結(jié)果相減，得到海塘建成后保證年份需預(yù)留的沉降量。

（4）由于海塘沉降變形涉及影響因素多而且復(fù)雜，本文采用的海塘沉降差值法有待于進(jìn)一步進(jìn)行深入推廣研究。