黃河三角洲灘涂區海堤護岸結構方案優化實證研究

劉建波，翟有經

（1.山東省水產設計院 濟南 250000；2.山東聯創礦業設計有限公司 濟南 250000）

黃河三角洲灘涂區海堤護岸結構方案優化實證研究

劉建波1，翟有經2

（1.山東省水產設計院 濟南 250000；2.山東聯創礦業設計有限公司 濟南 250000）

海堤護岸是抵御和減輕風暴潮災害的根本措施，是從根本上消除風暴潮對沿岸人民生命財產安全威脅的最有效措施之一。黃河三角洲沿海灘涂廣闊平坦，多為沙質和淤泥質，溝壑交錯，海堤護岸的建設量大面廣，所以對區域內海堤護岸的建設方案進行比較優化，更顯得十分必要。文章通過具體的工程案例，闡述了建于黃河三角洲灘涂區的海堤護岸結構方案的比選與優化步驟與方法，這無疑對建于濱海灘涂區的海堤護岸的方案優化具有直接的參考與借鑒意義。

海堤；護岸；黃河三角洲；灘涂區；方案優化

1 背景

2009年12月1日中華人民共和國國務院通過了《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》，黃河三角洲的開發建設正式上升為國家戰略，成為國家區域協調發展戰略的重要組成部分。

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入海口沿岸地區，在環渤海地區發展中具有重要的戰略地位。黃河三角洲高效生態經濟區的戰略定位是：建設全國重要的高效生態經濟示范區、特色農業基地、后備土地資源開發區和環渤海地區的增長區域。《規劃》明確了發展的近期和遠期目標，到2015年，基本形成經濟社會發展與資源環境承載力相適應的高效生態經濟發展新模式；到2020年，率先建成經濟繁榮、環境優美、生活富裕的國家級高效生態經濟區。

2011年1月，國務院已正式批復《山東半島藍色經濟區發展規劃》，這標志著山東半島藍色經濟區建設正式上升為國家戰略，成為國家海洋發展戰略和區域協調發展戰略的重要組成部分。

山東半島藍色經濟區發展戰略定位：建設具有較強國際競爭力的現代海洋產業集聚區、具有世界先進水平的海洋科技教育核心區、國家海洋經濟改革開放先行區和全國重要的海洋生態文明示范區。

山東半島藍色經濟區發展近期和遠期目標：到2015年，現代海洋產業體系基本建立，綜合經濟實力顯著增強，海洋科技自主創新能力大幅提升，海陸生態環境質量明顯改善，海洋經濟對外開放格局不斷完善，率先達到全面建設小康社會的總體要求；到2020年，建成海洋經濟發達、產業結構優化、人與自然和諧的藍色經濟區，率先基本實現現代化。

《山東半島藍色經濟區發展規劃》是“十二五”開局之年第一個獲批的國家發展戰略，也是我國第一個以海洋經濟為主題的區域發展戰略。

國務院對《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》與《山東半島藍色經濟區發展規劃》的批復與實施，為黃河三角洲的發展提供了強大的動力，為海濱灘涂的開發建設迎來了前所未有的機遇。

黃河三角洲是黃河挾帶的大量泥沙填充渤海凹陷陸地的海相沉積平原。現代黃河三角洲上地貌有河灘高地、坡地、大型洼地等。黃河三角洲地勢西南高東北低，與黃河入海的方向相一致。由于受黃河尾閭擺動的影響，這里的地面形成許多溝壑交錯的廢棄河道及防水堤壩，雖經多年風雨剝蝕、人為填補，至今仍見崗、坡、洼相間分布的地形，以及波浪漣漪狀的地貌。黃河帶來的大量泥沙，使三角洲平均每年以2～3km的速度向渤海推進，形成大片的新增陸地。

我國堅持將海灣灘涂的開發同治理保護有機地結合起來，為了保護和改善海洋環境，有效利用和開發海洋資源，既提高防災減災能力，防治污染損害，維護生態平衡，又促進經濟和社會可持續發展，著眼于既滿足現實社會對海洋資源的需求又實現海洋資源的可持續利用。

黃河三角洲的開發首要任務是對灘涂陸域土地資源進行保護與改造，通過海堤護岸的建設，避免或降低風暴潮對陸域生產生活設施的危害，保護土地資源，為黃河三角洲的開發提供堅實的基礎設施支撐。建設海堤護岸是抵御和減輕風暴潮災害的根本措施，是從根本上消除風暴潮對沿海人民生命財產安全威脅的最有效措施之一。黃河三角洲沿海灘涂廣闊平坦，多為沙質和淤泥質，溝壑交錯，護岸的建設量大面廣，所以對海堤護岸的建設方案進行比較優化，更顯得十分必要。

2 海堤護岸方案

2.1 海堤護岸形式

海堤護岸形式應按照因地制宜，就地取材的原則，根據海堤護岸所處地理位置、地質條件、筑堤材料等，考慮各種堤型結構特點、水流及風浪特性、施工條件、環境景觀等各方面影響因素，經技術、經濟比較綜合確定。

（1）斜坡式。優點：護岸基礎面積大，地基應力較小，在松軟地基上可以保持穩定；斜坡面對浪潮的沖擊適應性好，斜面能消散大部分波浪能量；護面結構及施工技術簡單，維修養護容易。缺點：斷面大，占地多，受地形條件影響大，土石方工程量也較大；波浪爬高較直立式大；采用干拋大塊石護坡，工程造價較高。斜坡式護岸主要適用于沿海灘涂養殖區，獨立的海堤護岸可以于迎海側與背海側均為海水，考慮施工難易及筑壩材料、壩型外觀等因素，兩側均可采用斜坡式。

（2）直立式。優點：斷面小，占地少，土石方工程量較小；波浪爬高較斜坡式小；可增加陸域面積。缺點：對地基承載力要求較高，不適用于松軟地基；波浪對防護墻作用強烈，薄弱部位易遭破壞，結構單一；波浪在墻前反射，底層流速增大，墻腳易被淘涮；壩后需大量填土，如果就近取灘涂沙土，會破壞灘涂原貌，填土由外運解決，會增加投資。

2.2 結構材料

海堤護岸的材料主要采用混凝土、塊石等主材。混凝土防護主要為素混凝土和鋼筋混凝土；塊石主要為干砌石和漿砌石的防護形式。

（1）混凝土防護。優點：護面整體性好，抗沖刷能力強，堅固耐久；材料可塑性好，護面造型機動靈活；結構簡單，施工方便。缺點：護面糙率較砌石小，波浪爬高值大；護面損壞，修復較困難；投資較砌石護面大。對于海濱景觀區，外露混凝土的質感不如天然材料，與海濱風景不太協調。

（2）砌石防護。優點：較混凝土護面糙率大，波浪爬高值小；可因地制宜，就地取材，投資較省；干砌石護面堤壩變形能力強，修復較簡單；施工技術簡單，易于操作。對于海濱景觀區，料石有自然的質感，能與濱海風景相托輝映。缺點：護面整體性差，抗沖刷能力低，易破壞；工程量大，管理維護費用較高。

3 某海堤護岸結構方案的優化

3.1 設計基本資料

3.1.1 設計水位

設計高水位：3.09m

設計低水位：－0.23m

極端高水位：3.84m

極端低水位：－0.3m

3.1.2 工程地質

工程場區在勘察深度范圍內由第四系全新世海積物、更新世陸相沖積物組成。根據野外鉆探、原位測試及室內試驗結果，工程場區自上而下劃分為5層。

（1）層素填土（Q4ml）：灰黃色，濕，稍密。黏性土為主，夾粉細砂薄層，土質均勻，含零星貝殼碎片。場區普遍分布，厚度：2.7～5m，平均3.65m；層底標高：0～1.8m，平均1.11m；層底埋深：2.7～5m，平均3.65m，允許承載力120kPa。

（2）－1層粉質黏土（Q4m）：灰色，軟～可塑。切面較光滑，干強度韌性中等，無搖震反應，夾粉土、粉砂薄層，含少量貝殼碎片。分布不均勻，厚度：1.0～8.0m，平均2.61m；層底標高：－6.24～－0.8m，平均－1.58m；層底埋深：5.5～11.0m，平均6.37m，允許承載力為110kPa。

（3）－2層粉砂（Q4m）：灰色，飽和，松散稍密，成分為長石、石英，分選磨圓好，夾粉質黏土、粉土薄層，土質均勻。場區普遍分布，厚度：3.5～8.8m，平均5.05m；層底標高：－9.95～－5.8m，平均－8.0m；層底埋深：3.5～11.5m，平均6.8m，允許承載力為110kPa。

該層做標準貫入試驗17次，實測擊數平均值N＝12.2擊，修正擊數標準值9.30擊。

（4）層粉砂（Q4m）：褐黃色，飽和，中密～密實。成分為長石、石英，分選磨圓好，含少量貝殼碎片，約15%～20%，局部富集，分布不均勻。場區普遍分布，厚度：1.5～4.3m，平均2.99m；層底標高：－18.8～－14.1m，平均－16.12m；層底埋深：9.8～21.6m，平均14.71m，允許承載力為160kPa。

3.2 護岸方案形式

根據當地規劃及灘涂開發建設要求，該工程為某河道入海口海堤護岸，在滿足抵御風暴潮的情況下，也應滿足漁船的停泊要求，綜合考慮該河道護岸的使用功能要求，該護岸采用直立式護岸。

3.3 直立式漿砌石結構與鋼筋混凝土扶壁結構比選

根據工程特點及當地材料供應情況，設計提出漿砌塊石結構（圖1）與鋼筋混凝土扶壁結構（圖2）兩種方案，并對兩方案進行了分析比較，結果如下。

（1）由于工程區地基承載力偏低，經驗算，漿砌塊石結構的地基承載力不滿足要求，需要對地基進行處理，增加了工程費用。

（2）工程建設用材砂、石需要由外地運進，運距較遠，成本增加較多。

（3）經概算統計，鋼筋混凝土扶壁結構的單位造價為1.75萬元／m；漿砌塊石結構單位造價為2.161萬元／m，二者有一定的差價。

圖1 漿砌石結構護岸

圖2 鋼筋混凝土扶壁結構護岸

3.4 結構驗算

3.4.1 方案一：漿砌石結構

基本驗算。驗算荷載包括土壓力、結構自重以及各可變荷載，采用最不利情況進行組合，分最高水位和最低水位兩種工況進行計算。

（1）土壓力計算

墻背的主動土壓力計算方法，通常近似地把上下墻分開考慮，分別按庫倫理論計算各直線段上的土壓力，然后取其矢量和作為全墻的土壓力。

上墻主動土壓力：

下墻主動土壓力：

（2）全墻總法向力N和總穩定力矩My

上墻W1＝109.3kN；力臂Z1＝1.4m；下墻W2＝292.2kN；力臂Z2＝2.43m；墻上土重W3＝65.1kN；力臂Z3＝4.93m

上墻土壓力豎向分力：

E1y＝32.8kN；Z1x＝3.23m

上墻土壓力水平分力：

E1x＝17.1kN；Z1y＝4.59m

下墻土壓力豎向分力：

E2y＝2.9kN；Z2x＝4.18m

下墻土壓力水平分力：

E2x＝48.3kN；Z2y＝1.59m

墻體受到拉力F及力臂Z：F＝50kN；Z＝6m

全墻總法向力N＝479.1kN；總穩定力矩My＝W1Z1＋W2Z2＋W3Z3＋E1yZ1x＋E2yZ2x＝ 1 341.2kN·m；傾覆力矩M0＝E1xZ1y＋E2xZ2y＋FZ＝455.4kN·m

（3）基底應力

偏心距驗算ZN＝（My－M0）／N＝1.79m；B／6＝0.53；e＝B／2－ZN＝－0.2＜0.967。式中，B為護岸底寬。

δ1＝206.5kPa、δ2＝94.0kPa，均小于基床抗壓強度，滿足要求。

基床底面應力（按長度1m計算）

式中：Be地基受壓寬度，Be＝B＋2d＝7.2m；d為拋石基床的厚度。

可求得基床底面應力分別為

P1＝121.8kPa，P2＝71.8kPa

（4）地基承載力

式中：fd為地基承載力標準值；γ1為基礎地面下土的重度，水下用浮重度；γ2為基礎地面以上土的加權重度，水下用浮重度；mB、mD分別為基礎寬度、深度的承載力修正系數；B′e為基礎有效寬度，當基礎有效寬度小于3m時，取3m；當基礎有效寬度大于8m時，取8m；D為基礎深度，當基礎埋深小于1.5m時，取1.5m。

經計算f′d＝139kPa

同理可求得高水位時護岸參數（表1）。

表1 極端高水位時漿砌塊石結構穩定性

穩定性驗算。可見當高水位時P1／P2＝2.44＞2.0，不滿足規范［2］要求，可能產生不均勻沉降。若采用該種形式護岸，需對地基進行處理，以改善地基情況。

3.4.2 鋼筋混凝土扶壁結構

基本驗算。驗算荷載包括土壓力、結構自重以及各可變荷載，采用最不利情況進行組合，分最高水位和最低水位兩種情況進行計算。

（1）土壓力計算

由朗肯土壓力公式計算土壓力

式中：β為護岸墻背傾斜角度。

全墻承受的土壓力及其對基底的彎矩

（2）全墻總法向力N和總穩定力矩My

踵板上的覆土重W 及力臂Zw（對趾板端點，以下同）；

式中：B1、B2、B3分別為護岸趾板、墻面、踵板的長；H1為護岸踵板以上沙土的高度；γ為護岸墻后沙土的浮重度。

墻體總重G＝76 kN，力臂ZG＝3.2m；墻體受到浮力Vf＝γ水V＝65.7kN；力臂Zf＝B／2＝4.25m；墻體受到拉力F＝50kN；力臂Z＝6m；

全墻總法向力為

N＝W＋G－Vf＝744.7kN

總穩定力矩為

Wy＝WZW＋GZG＝3 521.5kN·m

傾覆力矩

M＝Mh＋VfZf＋FZ＝839.11kN·m

（3）基底應力

偏心距驗算

ZN＝（My－MH）／N＝3.6m

（B1＋B2＋B3）／6＝1.4

e＝B／2－ZN＝0.65＜1.4

擋墻底面應力

δ1＝127.7kPa、δ2＝47.5kPa，均小于基床抗壓強度，滿足要求。

基床底面應力（按長度1m計算）

式中：Be地基受壓寬度，Be＝B＋2d＝12.5m；d為拋石基床的厚度。

可求得基床底面應力分別為

P1＝116kPa，P2＝62kPa

（4）地基承載力

地基承載力修正值

經計算f′d＝198kPa

同理可求得最高水位設計參數（表2）。

表2 極端高水位時鋼筋混凝土扶壁結構穩定性

穩定性驗算。基床底面最大應力與最小應力比滿足規范［2］。

地基整體穩定性驗算。從以上計算結果可知，漿砌石結構方案在低水位時地基承載力無法滿足規范要求，所以只對扶壁結構方案進行地基整體性穩定計算。

計算采用圓弧滑動面法驗算［3］，護岸圓弧滑動面穩定分析見圖3。

作用在滑動面上的力圍繞圓心產生的滑動力矩MC和抗滑力矩MY為：

圖3 圓弧滑動面穩定性分析

式中：α為滑動圓弧中心角的一半（°）；β為將F力的作用線和圓弧的交點與圓心O作連線，改線和豎直線的夾角（°）；φ為地基土的內摩擦角（°）；R為滑動圓弧的半徑（m）；γ為滑動土體的容重（kN／m3）。

整體抗滑穩定性安全系數

假定一系列滑動面，按式（14）計算出每一滑動面相應的抗滑穩定性系數K，經計算，K≥1.3，地基整體性穩定性滿足規范要求。

經計算比較，最終選擇鋼筋混凝土扶壁結構方案護岸。

4 方案討論

（1）通常情況下，在濱海灘涂區建設海堤護岸，以斜坡式為主。本案中，由于護岸要滿足停泊漁船的需要，所以采用直立式護岸。

（2）海堤護岸材料以石材為主，特別是斜坡式護岸，多采用塊石護砌。直立式護岸通常也以漿砌塊石為宜，但由于地域和交通等限制，特別是地材價格的差異，會引起工程造價的差異，導致最終方案的選擇不同。本案中，受施工區交通限制，地材只能通過陸地汽車運輸，產地到施工區運距400km余，施工區石材價格偏高。一般的塊石能達到200元／m3，而相距數十千米的工地，由于河道通航，石材只有120元／m3左右。

（3）濱海灘涂區地基處理方案應慎重選擇與采用，綜合分析確定。本案中，采用漿砌石方案時，由于基底應力比超地基要求，就必須對地基進行處理，才能滿足工程要求。設計采取了通常的粉噴樁地基處理方案，這會明顯地導致工程施工的復雜性和造價的增加，對方案的取舍也產生了相當大的影響。即使不考慮工程造價增加的影響，或造價增加的影響不大，僅僅增加地基處理這一復雜施工項，也會對方案的選擇起到決定性的影響。

［1］ 中交天津港工程研究院有限公司.港口工程地基規范［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 中華人民共和國水利部.堤防工程設計規范［M］.北京：中國計劃出版社，2013.

［3］ 顧慰慈.堤防工程設計計算簡明手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

Empirical Research on Structural Optimization of Wetland Soil Seawall Revetment in Yellow River Delta

LIU Jianbo1，ZHAI Youjing2

（1.The Fishery Project Designing Institute of Shandong Province，Jinan 250000，China；2.Shandong Lian Chuang Mining Design Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

Seawall revetment is one of the best basic measures that withstand and reduce the damage of the storm－tide disaster and eliminate the danger of storm surge that threatens human life and property.Yellow River Delta，which is close to the sea and has complex geologic structure，is composed by sludge and chiltern.There are too much work of seawall revetment，so that it is necessary to compare and optimize the regional development scheme of the seawall revetment.In this paper，the procedure and methods of comparing and optimizing the regional development scheme of the seawall revetment were stated by engineering projects near the Yellow River delta，which could enlighten the development scheme of seawall revetment over coastal tidal flats areas.

Seawall，Revetment，Scheme，Optimization，Yellow River Delta，Tidal flat

P751

A

1005－9857（2017）03－0092－07

2016－07－30；

2016－12－12

劉建波，高級工程師，碩士，研究方向為結構工程，電子信箱：ljb－sj＠163.com