福州沿海某護(hù)岸工程的結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)

林志堅(jiān)

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概述

福州某陸域形成項(xiàng)目位于福州市湖南鎮(zhèn)境內(nèi)，陸域南北向長約5 600 m，東西向長約950 m。陸域基本由填海形成，通過護(hù)岸、現(xiàn)有海堤及分隔堤形成圍閉的區(qū)域。項(xiàng)目包含護(hù)岸長5 623 m。

2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)條件

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全等級取為：一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。護(hù)岸防浪、防潮標(biāo)準(zhǔn)分別如下：

1）波浪采用重現(xiàn)期 100年一遇的控制波浪，施工期波浪防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇；

2）水位采用重現(xiàn)期100年一遇的高潮位；

3）越浪控制標(biāo)準(zhǔn)：Q允≤0.05 m3/（s·m）。

2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

1）設(shè)計(jì)水位

100年一遇極值高水位：5.37 m；極端高水位（50年一遇）：5.13 m；設(shè)計(jì)高水位（高潮累積頻率 10 %）：3.69 m；設(shè)計(jì)低水位（低潮累積頻率90 %）：-2.76 m；極端低水位（50年一遇）：-3.87 m。

2）設(shè)計(jì)波浪

100年一遇設(shè)計(jì)波浪：H1%=8.48 m、H13%=6.77 m。5年一遇設(shè)計(jì)波浪：H13%=2.51 m。

3）設(shè)計(jì)荷載

均布荷載20 kN/m2。

4）護(hù)岸坡底沖深

根據(jù)潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型研究報告[1]預(yù)測結(jié)果，護(hù)岸在50年一遇波浪作用下，最大沖深3.00 m；在100年一遇波浪作用下，最大沖深3.56 m。

5）地震

地震動峰值加速度值為 0.10g，地震基本烈度值為Ⅶ度，場地類別屬于Ⅲ類。

6）地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，工程區(qū)從上而下分別為①細(xì)砂、②淤泥質(zhì)土、③中砂、④粘土～粉質(zhì)粘土、⑤中粗礫砂。

3 護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型

3.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式選擇

護(hù)岸的結(jié)構(gòu)型式一般分為：斜坡式護(hù)岸、直立式護(hù)岸等。

斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：斷面為梯形，用開采天然塊石或人工塊體（包括混凝土塊體和袋裝砂等）拋筑而成，波浪作用時，波能在坡面上大部分被吸收或消散。斜坡式的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、有較高的整體穩(wěn)定性，適用于不同的地基，可以就地取材，破壞后易于修復(fù)。其主要缺點(diǎn)是：耗費(fèi)的材料用量大（幾乎與水深的平方成正比）。斜坡式護(hù)岸一般適用于水深較淺、地基較差和堤心材料來源豐富的情況。當(dāng)采用人工塊體護(hù)面時，也可用于水深和波浪較大的情況。

直立式護(hù)岸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：其斷面的外側(cè)均為直立（或基本直立）墻，一般由拋石基床、墻身結(jié)構(gòu)和防浪胸墻所組成，波浪作用時，多在墻前發(fā)生反射。直立式護(hù)岸的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)水深較大時，建筑材料的用量比斜坡式省，且水深越大，兩者的差值也越大。其主要缺點(diǎn)是：消除波能的效果較差，其地基應(yīng)力較大，對不均勻沉降比較敏感，當(dāng)用于軟基時，需要對地基采取加固措施。建成后一旦遭到破壞難于修復(fù)。直立式護(hù)岸一般應(yīng)用于水深較大和地基較好的情況。

考慮護(hù)岸所在區(qū)域具有水深淺、波浪大、地基差的特點(diǎn)，護(hù)岸擬采用斜坡式護(hù)岸的結(jié)構(gòu)型式。

3.2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式比選

護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三個方案，海側(cè)設(shè)置島式消浪堤方案、直立式方案及斜坡式方案。

1）海側(cè)設(shè)置島式消浪堤方案

由于本工程所在地波浪大，對越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)高，因此曾考慮在海側(cè)設(shè)置島式消浪堤方案，該方案的特點(diǎn)是在護(hù)岸海側(cè)設(shè)置了頂高程 5.0m的島式消浪堤，起到削減波浪減少越浪量的作用，該方案工程費(fèi)用與斜坡式方案相當(dāng)，但是存在水上施工工序多、施工難度較大、征海范圍大、消浪效果沒有規(guī)范理論支撐需物模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、消浪堤與內(nèi)側(cè)護(hù)岸之間容易集結(jié)垃圾等缺點(diǎn)，所以不推薦該方案。

圖1 海側(cè)設(shè)置島式消浪堤方案

2）直立式方案

出于減少用海范圍的考慮，因此曾考慮了直立式護(hù)岸方案，該方案的優(yōu)點(diǎn)是直立式護(hù)岸減少了用海范圍，但是直立式護(hù)岸對軟弱土層地基適應(yīng)性差導(dǎo)致地基承載力、沉降及整體穩(wěn)定性難于滿足要求，并且直立式護(hù)岸還存在需專門場地預(yù)制沉箱、施工需大型的調(diào)運(yùn)設(shè)備、施工工序較繁雜難度較大、消浪效果沒有規(guī)范理論支撐需物模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、造價高昂等缺點(diǎn)，所以不推薦該方案。

3）斜坡式方案

斜坡式方案具有結(jié)構(gòu)簡單、施工工序少，方便速度快、工期較短；材料附近供應(yīng)充足，造價低；有利于軟弱地基，對不同分區(qū)結(jié)構(gòu)銜接，后期回填區(qū)處理的施工適應(yīng)能力較強(qiáng)，且容易形成便捷的施工通道，有利于后期回填區(qū)處理的施工，因此，護(hù)岸擬采用斜坡式方案。

4 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題分析及優(yōu)化

4.1 護(hù)岸坡底沖刷

1）護(hù)岸坡底沖刷深度

工程區(qū)域表層為細(xì)砂層，所在區(qū)域原泥面普遍較高，波浪破碎，在臺風(fēng)季節(jié)波浪容易引起掀砂。根據(jù)潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型研究報告[1]預(yù)測結(jié)果顯示，護(hù)岸最大沖刷深度在 50年一遇波浪作用下，最大沖深3.00 m；在100年一遇波浪作用下，最大沖深3.56 m。根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]斜坡堤前的海底沖刷公式[2]計(jì)算得最大沖深3.81 m。結(jié)合數(shù)模模型研究和理論計(jì)算結(jié)果可知，護(hù)岸坡底沖刷深度大接近4 m，護(hù)岸形成后存在沖刷坡腳問題，如果不進(jìn)行坡腳防沖刷處理將可能造成護(hù)岸失穩(wěn)的嚴(yán)重問題。

2）護(hù)岸坡底防沖刷措施

防沖刷措施通常采用軟體排護(hù)底、板樁墻護(hù)底及局部開挖換填塊石。

采用軟體排護(hù)底：較經(jīng)濟(jì)，但工程區(qū)域泥面高程普遍較高，導(dǎo)致軟體排長期暴露在紫外線下容易損壞，且軟體排用海范圍大，因此不推薦。

采用板樁墻護(hù)底：施工期需設(shè)置臨時圍堰，臨時圍堰拆除后可用于后方護(hù)岸堤心結(jié)構(gòu)，有施工期抗風(fēng)浪能力較強(qiáng)特點(diǎn)。但是，板樁墻施工較復(fù)雜，施工期臨時圍堰較大，工程費(fèi)用高，因此不推薦。

采用局部開挖換填塊石：護(hù)岸坡底開挖后換填塊石，并且在開挖后的槽底鋪設(shè)砂肋軟體排。該方案施工方法簡單易行，且工程費(fèi)用較低，因此推薦采用。結(jié)合潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型研究報告[1]預(yù)測和《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]計(jì)算結(jié)果并考慮適當(dāng)富余，護(hù)岸坡底考慮開挖4 m深度后換填塊石達(dá)到防沖刷的目的。

4.2 護(hù)岸施工期挖槽

1）護(hù)岸施工期挖槽回淤量

根據(jù)潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型研究報告[1]預(yù)測結(jié)果顯示，護(hù)岸施工期挖槽 24小時內(nèi)泥沙回淤強(qiáng)度約介于0.3～1.4 m，并且現(xiàn)場挖槽試驗(yàn)結(jié)果24小時回淤強(qiáng)度 1.5 m，護(hù)岸施工期挖槽回淤時間很短且強(qiáng)度大的問題成為施工中必須解決的問題，因此在施工期護(hù)岸坡腳挖槽前需設(shè)置臨時攔砂圍堰防止基槽開挖回淤。

2）護(hù)岸施工期挖槽防回淤措施

臨時攔砂圍堰一般可考慮土工管袋和網(wǎng)兜塊石。采用尼龍網(wǎng)兜塊石臨時攔砂圍堰工程造價高對于臨時結(jié)構(gòu)而言代價高，臨時攔砂圍堰施工期后需拆除，尼龍網(wǎng)兜石水下部分拆除難度很大，施工的可行性差因此不推薦采用。土工管袋造價低，在工程中常用作臨時結(jié)構(gòu)的護(hù)坡使用，土工管袋拆除后的砂料還可用于后方陸域形成，因此臨時攔砂圍堰推薦采用土工管袋。

4.3 護(hù)岸地基處理

護(hù)岸地基處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：工后沉降小于30 cm。從揭示的地層分析，場地主要軟土層為淤泥質(zhì)土。常用的護(hù)岸軟土地基處理方法有：插塑料排水板的（堆載預(yù)壓或真空聯(lián)合堆載預(yù)壓）排水固結(jié)法、打設(shè)砂樁的排水固結(jié)法（兼置換作用）、清淤換填法、爆破擠淤法、水泥攪拌樁復(fù)合地基法等。結(jié)合工程需處理軟土層含水量大、強(qiáng)度低、壓縮性高、厚度大的特點(diǎn)并考慮工程造價合理及施工可行性的要求，護(hù)岸地基處理采用插板+堆載預(yù)壓法方案，由于部分區(qū)域軟土厚度較大，為滿足護(hù)岸穩(wěn)定，減小護(hù)岸斷面，護(hù)岸外側(cè)局域區(qū)域采用砂樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理。

4.4 擋浪墻頂高程及結(jié)構(gòu)形式

擋浪墻頂高程及結(jié)構(gòu)形式通過控制越浪量的方法確定。

1）越浪理論計(jì)算

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[3]斜坡堤堤頂越浪量計(jì)算規(guī)定，可計(jì)算得越浪量結(jié)果見表1。

表1 護(hù)岸單延米越浪量計(jì)算結(jié)果

2）越浪物模試驗(yàn)成果

護(hù)岸斷面物模試驗(yàn)[4]對原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面（頂高程8.7 m，肩臺長38.5 m）進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

原設(shè)計(jì)斷面在 100年一遇高水位+100年一遇波浪作用下，堤頂單延米寬平均越浪量達(dá)到了0.174 m3/s，超過了0.05 m3/s的控制標(biāo)準(zhǔn)。為了使越浪量試驗(yàn)結(jié)果滿足單延米寬越浪量 0.05 m3/s的控制標(biāo)準(zhǔn)，對擋浪墻墻頂高程、擋浪墻結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化試驗(yàn)均在 100年一遇高水位+100年一遇波浪作用條件下進(jìn)行。

①僅加高擋浪墻頂高程

在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，只加高擋浪墻頂高程，加高至9.7 m（加高1 m），此時，單延米寬越浪量為 0.096 m3/s，仍然不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)胸墻頂高程加高至10.7 m（加高2 m）時，單延米寬越浪量為0.05 m3/s，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

②加高擋浪墻頂高程并增加反浪弧

由于胸墻頂高程加高至10.7 m時，胸墻頂與胸墻前塊體間的高度差達(dá)到了2.45 m，此時在胸墻上增加反浪弧可以起到降低堤頂?shù)脑嚼肆康淖饔茫黾臃蠢嘶『蟮添攩窝用灼骄嚼肆繛?.04 m3/s。

優(yōu)化調(diào)整后斷面物模成果見表2。

3）擋浪墻頂高程及結(jié)構(gòu)形式確定

結(jié)合越浪理論計(jì)算及物模試驗(yàn)成果優(yōu)化后確定護(hù)岸擋浪墻頂高程10.7 m（在擋浪墻上增加反浪弧），擋浪墻前平臺長38.5 m。

表2 斷面物模單延米越浪量成果

4.5 護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化后方案

護(hù)岸采用斜坡式結(jié)構(gòu)，護(hù)岸頂現(xiàn)澆“L”型混凝土擋浪墻，墻頂高程10.7 m，墻后在9.5 m高程處設(shè)路面，路面陸側(cè)設(shè)排水溝。擋浪墻下堤心部分采用充填砂袋，充填砂袋間回填砂。護(hù)岸臨海側(cè)邊坡為 1:1.5。擋浪墻前平臺寬 38.5 m。護(hù)岸海側(cè)采用18 t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面下設(shè)厚1.6 m的0.9～1.8 t塊石墊層，塊石墊層下設(shè)10～100 kg塊石，10～100 kg塊石下設(shè)混合倒濾層和多功能土工墊。護(hù)岸海側(cè)坡腳開挖并回填塊石，起到抗沖刷的作用。護(hù)岸陸側(cè)邊坡1:1.5，護(hù)岸陸側(cè)回填砂形成陸域。護(hù)岸地基處理采用插板+堆載預(yù)壓法，由于軟土厚度較大，為滿足護(hù)岸穩(wěn)定，護(hù)岸外側(cè)局域區(qū)域采用砂樁進(jìn)行地基處理。護(hù)岸優(yōu)化后斷面見圖2。

圖2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化斷面示意

5 結(jié) 語

本文護(hù)岸工程已完成施工并且使用約 2年時間，施工過程順暢，使用情況良好。