低樁承臺直立式結構護底設計探討

唐 云，鄭 輝，李春陽

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

深圳機場三跑道擴建工程場地陸域形成工程是深圳機場三跑道擴建工程的先行工程，項目用海面積約294萬m2，陸域形成面積約278.9萬m2，包括外海堤、跑道區、滑行道、土面區、水面區、場區圍堰、穿越道及繞行滑行道共七大功能分區。其中，建設外海堤總長約7 665 m。本工程外海堤距離廣深沿江高速機場段特大橋最近處僅 60 m。為保證沿江高速橋墩的安全，經采用三維有限元軟件進行大量數值計算論證后，該段海堤（長約500 m）采用能有效阻斷海堤自重及陸域回填土導致的地基附加變形側向傳導至沿江高速橋墩的低樁承臺直立式結構。低樁承臺直立式結構用作海堤或護岸結構的案例較少，相比于傳統的直立式護岸或碼頭前沿的護底結構設計，因承臺下方存在會導致波能集中的空腔，其護底設計更為復雜和重要，僅按常規方法計算護底結構重量或厚度可能存在偏危險的情況。本文將結合該工程探討低樁承臺直立式結構下方及前沿的護底設計方法，以期為今后同類結構的護底設計提供參考。工程平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置示意

1 主要設計條件

本工程海堤所處位置海床面高程-3～-4 m，場區表層廣泛分布淤泥、淤泥質土，層厚在1～15 m之間，含水率高，物理力學指標極差，且表層淤泥呈流塑狀，具有不穩定性。工程區域潮流屬不規則半日混合潮，最大落潮流速為1.3 m/s，最大漲潮流速為1.2 m/s，潮差較小。海區的波浪主要以風浪為主，涌浪較少，大浪主要是臺風浪。

因本工程外海堤的重要性，其工程級別為1級，設計使用年限為100年，防洪潮標準為200年一遇，防浪標準也為200年一遇，設計采用200年一遇高（潮）水位+200年一遇波浪組合。

1）設計水位（85高程）

設計高水位（200年一遇高水位）：3.40 m

設計低水位（200年一遇低水位）：-1.44 m

施工期高水位（10年一遇高水位）：2.79 m

平均海平面：0.58 m

施工期低水位（10年一遇高水位）：-1.32 m

2）設計波浪要素

本工程海堤設計波浪要素見表1。

表1 海堤200年一遇設計波浪要素

2 低樁承臺直立堤及護底設計方案

直立堤采用低樁承臺結構，樁基采用鋼管樁+鋼管板樁。前排（海側）為斜撐樁，采用Φ1 600 mm鋼管樁，斜率3:1，縱向間距為3.7 m，打至強風化巖層以下不小于 3 m；后排（陸側）擋土直立墻采用Φ1 400 mm鋼管樁+Z型鋼板樁的組合結構，組合結構中鋼管樁為主樁，縱向間距為2.86 m，打至強風化巖層以下不小于3 m；鋼板樁為輔樁，僅需穿透軟弱土層至殘積土或風化巖層頂面（阻斷陸側軟土的側向附加變形傳導）。鋼管板樁墻陸側澆筑水下混凝土包覆其背面進行防腐蝕保護。斜撐樁和鋼管板樁墻通過頂部現澆鋼筋混凝土承臺連為一體，承臺厚3 m，寬11.7 m。板樁墻后回填中10～100 kg塊石棱體，坡面設置二片石+混合倒濾碎石+土工布組成的倒濾結構，后方吹填砂形成海濱大道陸域用地。承臺海側設置帶挑檐的擋浪墻，頂高程為 7.86 m。擋浪墻后方回填10～100 kg塊石，內坡設置500 mm厚干砌塊石+植草磚護面。堤頂設置 7.5 m凈寬的防洪通道，頂高程6.66 m。

基礎處理：采用水上水泥攪拌樁加固地基，攪拌樁直徑1.0 m，前后樁間采用滿堂布置（100 %置換），其余采用格柵狀布置，攪拌樁處理總寬度38.6～41.8 m（軟土厚度不同，攪拌樁處理寬度略有變化）。

護底設計：基礎處理后在承臺下方及前沿線以外10 m范圍先拋填 0.3 m厚二片石，再在上方拋填1.06 m厚300～500 kg塊石作護底結構（根據《防波堤與護岸設計規范》5.3.17條計算所得堤前最大波浪底流速約3.8 m/s，按表4.3.24選取護底塊石穩定重量）。

低樁承臺直立堤及護底結構斷面見圖2。

圖2 低樁承臺直立堤及護底結構斷面

該方案直立墻前的護底結構不論在承臺下方的空腔范圍內還是前沿線以外均采用拋填兩層塊石，塊石大小根據《防波堤與護岸設計規范》（JTS 154-2018）中5.3.17款計算出的堤前最大波浪底流速選取。該方案是較為常規的設計施工方案，但在與施工單位溝通后發現存在很大的施工難度：承臺下方空腔內的護底塊石需在樁基施打完成后拋填（否則受護底拋石影響，承臺鋼管樁無法沉樁），但由于承臺前排斜撐鋼管樁間距較密（中心距3.7 m，凈距2.1 m），拋石施工難度非常大，且極易碰損前排鋼管樁及后排鋼管板樁的防腐涂層。此外，由于本工程泥面高程在-3～-4 m之間，海堤前沿波浪易破碎，破碎波又涌入承臺下方空腔形成波能集中，對護底結構沖擊較大，塊石重量不宜僅按波浪引起的底流速選取。

3 護底設計優化

針對上述問題，擬對護底設計進行優化：承臺下方空腔采用模袋混凝土護底，水下充填，厚度0.4 m，寬度超出承臺3 m（以便與承臺前沿線以外的拋石搭接不小于2 m），待沉樁完成后水下充填施工；承臺前沿線以外的護底施工因不受鋼管樁影響（可在鋼管樁沉樁完成后施工），仍采用拋填塊石，但考慮到本工程泥面較高，水深較淺（200年一遇高水位水深約6.5 m），護底可能直接承受波浪作用，且波浪在直立堤前破碎后在承臺下方的空腔內形成波能集中，對護底結構形成強烈沖擊，為保證結構安全，護底塊石的重量在按最大波浪底流速選取值的基礎上進行加大，采用1.3 m厚600～800 kg塊石，前沿線以外的護底寬度也由10 m加寬至15 m（大于1/4波長）。同時，考慮到模袋混凝土之間會存在施工縫隙且承臺前沿線以外的部分塊石直接拋填在未經攪拌樁加固的原狀軟土上容易塌陷，在二片石底部增加鋪設一層高強土工墊，土工墊鋪設寬度超出護底塊石不小于5 m。

優化后設計方案不僅對護底進行了加強，也解決了承臺下方無法拋石的問題，設計斷面見圖3。

圖3 優化后的護底結構設計斷面

4 波浪物理模型試驗驗證

由于本工程海堤極為重要，直接掩護機場陸域，海堤工程級別為1級，結構安全性要求非常高，且因本工程場地原泥面較高，護底結構在低水位時可能直接承受破碎波作用，而規范對于直接承受波浪作用尤其是波能集中的破碎波作用的護底結構設計未給出明確的計算方法（規范中護底塊石的穩定重量僅根據波浪引起的底流速計算選取）。為保證結構安全，進行了本工程直立堤斷面及局部整體波浪物理模型試驗，對堤頂越浪量及護底結構穩定性進行了驗證。

試驗結果如下：原方案護底結構采用300～500 kg塊石，200年一遇波浪作用下，護底塊石少量晃動，個別失穩，失穩率小于 1.6 %；優化后的方案護底結構采用600～800 kg塊石+0.4 m厚模袋混凝土，200年一遇波浪作用下，護底塊石出現個別晃動，未出現失穩，模袋混凝土未出現晃動或失穩。

試驗結果表明，優化后的護底結構相比原方案穩定性更好，滿足規范要求。

5 結 語

本文結合工程實例探討了低樁承臺直立式結構墻前護底結構的設計方法，對比分析了常規設計方案存在的問題，并提出了具體的解決方案，實際應用中可參考下述研究結論：

1）對于低樁承臺直立式結構，因承臺下方空腔會導致波能集中，尤其是波浪破碎后在空腔內及墻前產生巨大能量，護底塊石的穩定重量在根據規范計算出的最大波浪底流速選取的重量值基礎上，還應適當進行加大（建議重量增加40 %以上），護底范圍相比常規也應進行加寬（可參照防波堤堤頭段選取護底長度，且不小于1/4波長）。

2）對于墻前水深較淺的工程，護底設計除了要考慮波浪引起的底流速外，還應考慮護底結構是否可能直接承受波浪作用。對于可能直接承受波浪作用的護底結構，由于規范未給出明確的護底塊石穩定重量計算方法，而此時護面塊體穩定重量計算公式已不適用（按護面塊體計算也過于保守），應采用物理模型試驗進行驗證。

3）承臺下方空腔內的護底結構由于受承臺樁基影響，不宜采用拋填塊石，可考慮采用模袋混凝土作為防護結構，待沉樁完成后，水下充填施工，可確保不破壞樁基的防腐涂層。