臨海圍堰結構設計分析

程 嚴 侯昊華

(廣東省水利電力勘測設計研究院 廣州 510635) (水利部海河水利委員會 天津 300170)

臨海圍堰結構設計分析

程 嚴 侯昊華

(廣東省水利電力勘測設計研究院 廣州 510635) (水利部海河水利委員會 天津 300170)

本文根據臨海工程所在區域的水文、地質條件分析，將堰型選擇、基礎處理、風浪防護等作為臨海圍堰結構設計的重點，詳細介紹其結構計算中的方法和步驟。經工程實踐，臨海圍堰結構型式采用拋石護坡、充填膜袋結合反壓平臺的方式，其設計思路和方法是合理可行的，能滿足施工便捷、結構安全、經濟合理的要求，可供其他臨海工程設計時參考。

臨海圍堰 充填膜袋 結構設計要點

臨海圍堰屬于擋水建筑物，是臨時工程，應用范圍較廣。與內陸圍堰工程相比，不同點主要表現在以下方面：?臨海圍堰受洪水和潮水的雙重影響，施工洪潮水位主要受潮水位控制;?受風浪影響較大，需考慮消浪、防護措施;?通常修建在軟土地基上，基礎處理難度大。鑒于此，本文結合工程實例，根據臨海工程區域的水文、地質特點，對臨海圍堰結構設計要點進行分析。

1 工程概況

西閘站位于汕頭市東部城市經濟帶新溪片區主河涌西端，緊臨新津河出海口。根據新溪片區施工進度安排，西閘站工期為1年。工程完建后，上游內陸澇水通過主河涌從西閘站排出。該工程為100年一遇設計防潮(洪)標準，主要建筑物等級為1級。閘站臨海圍堰設計標準為全年5年一遇(P=20%)施工潮水。

西閘站工程由4(孔)×9m(孔寬)的水閘和泵站組成，泵站設計流量為84m3/s。該工程具有施工工序復雜、基礎處理困難、工期短等特點。因此，快速填筑圍堰并保證其施工期間的工程結構安全，成為本工程施工進度控制的關鍵點之一。

2 工程條件

2.1 水文條件

本工程區域屬季風氣候區，多年平均風速2.7m/s，平均每年汕頭海面6級以上強風約有140天(包括臺風、熱帶低壓和冷空氣共同影響形成強風的日數)。從9月～次年6月，平均每月約有14天。

新津河口屬于弱潮河口，潮汐受東太平洋與南海潮波、海流及風吹流共同影響，屬于不規則半日混合潮，一天內經歷兩次高潮和兩次低潮變化。多年平均高潮位0.28m，多年平均低潮位－0.74m，多年平均潮差1.02m。因此，本工程受風浪、潮汐等自然條件影響較大，臨海圍堰的有效施工時間短，并且在圍堰填筑、擋水過程中要求堰體具備一定的防浪能力。

2.2 地質條件

新溪片區近海海域砂土料分布廣泛，擬建海堤南堤約500m之外、面積約3km2的海域作為本工程的吹填料場。從筑堰材料分布情況來看，有豐富的細砂可供圍堰填筑使用。

圍堰堰基屬于軟土基礎，主要由第四系海陸交互相松散積物組成。其中粉細砂層較薄，呈松散狀，分布不連續。主要持力層為淤泥、淤泥質黏土，厚度為5～12m。該層含水量大，呈流塑～軟塑狀，屬高壓縮性土，且抗剪強度低。其物理力學指標見表1。

表1 主要持力層物理力學指標

3 圍堰結構設計

根據水文、地質條件分析，臨海圍堰應將堰型選擇、基礎處理、風浪防護等作為結構設計的重點。

3.1 圍堰型式選擇

臨海圍堰結構型式可分為斜坡式結構和直立式結構。由于本工程有大量細砂可就地取材，可供選擇的堰型有膜袋砂圍堰(斜坡式)和雙排鋼板樁圍堰(直墻式)。方案比較結果見表2。

按照施工便捷、結構安全、經濟合理的原則，本工程臨海圍堰結構型式宜采用模袋砂圍堰結構型式。

表2 圍堰堰型方案比較表

3.2 圍堰基礎處理

淤泥層上堰體臨界堆載高度的簡化計算公式如下：

式中 H——臨界堆載高度，m;

Cu——十字板剪切強度，kPa;

K——安全系數，取1.1;

γ——堰體填筑容重，kN/m3;

經計算，堰體臨界堆載高度為2m。本工程圍堰最大堰高約6m，地基承載力不滿足要求，必須對圍堰地基進行處理或采取相應結構措施，確保圍堰在填筑、擋水及基坑開挖過程中的整體穩定性。

本工程重點比較了真空預壓結合堆載排水固結及模袋砂結合反壓平臺兩個方案。

真空預壓結合堆載排水固結方案，利用吹填砂料形成真空預壓施工平臺，在堆載及真空負壓作用下，將淤泥中的水通過塑料排水板排出，淤泥發生排水固結后，可提高地基強度。該方案在技術和經濟上都是合理的，但要使淤泥層達到設計要求的強度值，從堆載到真空預壓完成需近4個月時間，無法滿足施工進度要求。

模袋砂結合反壓平臺方案，在圍堰上、下游設置多級反壓平臺，通過增加抗滑力矩，減少堰身坡趾的應力差，限制在堰身荷載作用下出現的塑性擠出和地面隆起，保證圍堰基礎穩定。同時，由于反壓平臺本身的荷載預壓，在反壓平臺范圍內的地基將產生部分固結，也有利于提高圍堰基礎的承載力。該方案工藝簡單，施工速度快。

考慮到本工程的圍堰布置不受場地限制，堰基處理方案選用模袋砂結合反壓平臺方案。

3.3 圍堰防浪設計

3.3.1 波浪要素計算

圍堰所在區域為開敞式海岸，波浪以外海涌浪或混合浪為主。設計波浪采用5年一遇重現期，經近岸淺水區波浪變形推算，其堰前波浪要素見表3、堰前設計波浪見表4。

表3 波浪要素成果表

表4 堰前設計波浪成果表

根據表4分析，不同累積頻率下的設計波高均大于堰前的破碎波高，設計波高應采用堰前的破碎波高2.03m。

3.3.2 圍堰消浪設計

圍堰可利用迎海側的反壓平臺進行消浪，降低波浪爬高。結合以往波浪爬高試驗成果經驗，將迎海側反壓平臺高程設置在5年一遇設計高潮位(1.41m)附近。同時，迎海側反壓平臺及護面均采用拋填塊石，從而減小護面結構的糙滲系數。經消浪后的圍堰波浪爬高按下式計算：

式中 KΔ——糙滲系數，拋石護坡取0.6;

Kv——與風速有關系數，取1.22;

R1——KΔ=1，H=1 時的爬高;

Kf——爬高累積頻率換算系數，f為累積頻率。

經計算分析，在允許越浪、不允許越浪兩種情況下，圍堰波浪爬高值分別為1.52m、1.97m。由于計算值差別不大，故按不允許越浪條件進行圍堰設計，經消浪后的圍堰防浪頂高程為4.0m。

根據單個塊石穩定重量、護面厚度的安全驗算，本工程拋石厚度為1.2m，單塊塊石重量不小于0.5t。

3.3.3 堰前灘地護底設計

堰前最大波浪底流速按下式計算：

式中 H——設計波高，m;

d——堰前水深，m;

L——堤前波長，m。

經計算，堰前最大波浪底流速為1.65m/s，大于堰前細砂、淤泥的抗沖流速。因此，需對圍堰堰腳進行一定范圍的防護。

由于圍堰所在位置的灘地相對較低，有一定水深，本工程護底采用復合砂肋軟體排(規格φ300@1500，排布采用350g/m2復合土工布，肋布采用350g/m2復合土工布)作為反濾層，拋填厚度為1.2m塊石作為壓重。

3.4 圍堰穩定分析

模袋砂圍堰由充填膜袋層疊形成，一方面圍堰水平成層現象顯著，需校核堰體沿層面的抗滑穩定性;另一方面，需考慮膜袋對堰體的加筋作用。這是模袋砂圍堰與一般土石圍堰在穩定分析時的不同之處。膜袋砂圍堰穩定分析包括充填袋層間穩定計算和整體穩定計算。

3.4.1 充填袋層間穩定計算

充填袋層間抗滑穩定性按下式計算：

式中 Kgc——充填袋層間抗滑穩定安全系數，不小于1.3;

Wi——計算層以上總垂直荷載，kN/m;

f——充填袋袋間摩擦系數;

Pd——計算層上袋體受到的總水平荷載，kN/m。

采用自上而下的方式逐層驗算充填袋層間穩定性。當復核各層抗滑穩定滿足要求時，將該層與上一層作為整體，再對該層進行穩定驗算。經計算分析，其層間抗滑穩定安全系數均大于1.3。

3.4.2 圍堰整體穩定計算

通過對臨海圍堰的設計分析，本工程圍堰結構型式確定為：圍堰斷面頂寬6m，內外坡均為1：3，堰頂高程取2.4m，另在堰頂靠外海側設寬1.5m、高1.6m拋石棱體防浪墻，棱體頂高程為4.0m;迎海側為厚1.2m拋石護坡，在1.5m高程設寬度5m的消浪平臺，坡腳設長6m、厚1.2m拋石護底;背海側設一級壓重平臺，壓重平臺長10m、高程為0.6m;圍堰采用高壓擺噴防滲墻進行堰體和堰基的垂直防滲，孔距1.5m。具體型式見下圖。

臨海圍堰結構圖

圍堰整體穩定計算模型采用以下簡化：

a.考慮膜袋對堰體的加筋作用，即充填膜袋與充填砂的內摩擦角相同。同時，將膜袋對堰體抗剪強度的提高簡化為準凝聚力Cp，按下式計算：

式中 Rf——單位長度膜袋設計抗拉強度，kN/m;

Sy——單層膜袋厚度，m;

Kp——充填砂的被動土壓力系數。

b.考慮拋石護坡和圍堰堰頂行車對整體穩定的影響，將其轉化為均布荷載。

圍堰整體穩定采用總應力法進行分析，

相關土體均取飽和快剪指標。經計算，當臨海側為多年平均年最低潮位(－1.71m)時，圍堰臨海側穩定安全系數為1.10;當臨海側為5年一遇設計高潮位(1.41m)、圍堰背水側坡腳距基坑開挖頂邊線10m和15m時，其背水側穩定安全系數分別為1.10、1.22。因此，圍堰整體穩定均滿足規范K≥1.05的要求。同時，在施工條件允許的情況下，圍堰布置應盡量遠離基坑開挖頂邊線。

4 結語

2011年10月，西閘站臨海圍堰開始施工，12月底完成圍堰填筑。根據圍堰施工期間的沉降、位移監測資料分析，該圍堰在填筑、擋水及基坑開挖過程中結構是穩定安全的。

本文通過對臨海圍堰結構設計要點的分析，將拋石防護、充填膜袋結合反壓平臺方案作為臨海圍堰的結構型式，其設計思路和方法是合理可行的，能滿足臨海圍堰施工便捷、結構安全、經濟合理的要求，可供其他臨海工程設計時參考。

1 劉宗耀．土工合成材料工程應用手冊［M］．北京：中國建筑工業出版社，1994．

2 JTJ 239—2005水運工程土工合成材料應用技術規范［S］．

3 SL 435—2008海堤工程設計規范［S］．