利用強制確定法對某復雜護岸工程的統(tǒng)籌設計

劉 速

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

引言

護岸是指在海岸、河岸和湖泊水庫岸邊，為了保護岸上設備、建筑物、農田等而修建的防護工 程[1]，其建設往往是伴隨港口項目、水利項目建設而進行。工程建設規(guī)模常不大，可對整個項目的運用安全至關重要，運營期一般要進行經(jīng)常性的加固修復，確保其功能發(fā)揮。由于護岸建設常因地質、波浪等條件不同，結構型式常多樣，給選擇加固修復方案帶來困難。

本文以某油品碼頭項目的護岸加固修復工程為實例，針對該工程的特點、難點，開展相關技術方案研究，提出了較好的解決方案，可為類似工程提供借鑒。

1 建設條件

某油品碼頭項目建設1 個10 萬t 級（兼靠12萬t 級）卸船泊位，5 千t 級和2 千t 級裝船泊位各2 個，油品儲罐總容量42 萬m3，以及相應配套設施，設計年吞吐能力為735 萬t。其中，為保護岸上成品油有關的設備、建筑物的安全，需對現(xiàn)有護岸進行加固修復，以提高防護等級?，F(xiàn)有護岸總長為627 m，主要分為東段、中段、西段三段。

東段護岸以拋理塊石的坡式護岸，坡度較陡，見圖1。

圖1 東段護岸現(xiàn)狀照片

中段護岸為臨時板樁結構，近岸側為一排Φ820 mm 鋼管樁，Φ820 mm 鋼管樁的外側（海側）設有一排Φ1 000 mm 間隔鋼管樁（樁尖進入持力層），并設有錨錠梁和鋼拉帶；已使用3 年，變形較大，鋼樁腐蝕較嚴重，見圖2。

圖2 中段護岸現(xiàn)狀照片

西段護岸為簡易拋石坡式護岸，坡度較平，與東護岸相比距離建設的碼頭較遠，見圖3。

圖3 西段護岸現(xiàn)狀照片

本工程具有以下的特點、難點：

1）地質條件復雜

根據(jù)本工程地質報告，本工程護岸內側場地平均回填深度在10 m 左右，回填材料基本為塊石，護岸前沿為淤泥質粘土，厚度不小于7 m，護岸基礎范圍內各土層土質差異大，均勻性差。

2）建設條件差

根據(jù)水文資料，本工程設計高水位面臨的波浪高達3.65 m，對護岸結構的安全穩(wěn)定提出較高的要求，同時，由于本護岸面臨大海，施工需要充分考慮海上施工作業(yè)條件。

3）加固修復技術難度大

從工程的東段、中段、西段三段的現(xiàn)有護岸結構型式看，結構護岸型式多樣，損壞程度不一。東段坡度較陡，現(xiàn)有護面簡易；中段采用板樁結構，變形大，鋼結構銹蝕嚴重；西段基本為自然放坡型式。不同的結構型式進行加固修復，若要達到既經(jīng)濟又安全、耐用，加固修復技術難度還是比較大的。

2 加固修復結構設計方案

2.1 方案比選

根據(jù)本工程護岸的特點、難點，護岸加固修復方案必須遵守的原則：一是要適應于不同水文、地質條件；二是盡量采用統(tǒng)一的修復方案，方便施工、節(jié)約投資；三是修復質量要安全、可靠、耐用。為此，本修復加固方案考慮以下3 種方案。

1）方案一

盡量利用原護岸結構，東、西段護岸仍采用拋石斜坡式護岸方案，中段仍采用板樁護岸。本加固修復方案具有利用現(xiàn)狀、因地制宜的特點，充分利用了現(xiàn)有東西護岸結構基礎，中段現(xiàn)有板樁護岸經(jīng)探摸評估，修復后仍具可使用的價值，節(jié)約了工程投資，缺點是結構較多樣，板樁結構需要定期檢測和維護。

2）方案二

不考慮中段現(xiàn)狀護岸的利用，東、中、西三段護岸均采用拋石斜坡護岸方案。本加固修復方案結構單一，施工便捷，經(jīng)濟性一般，缺點需拆除板樁結構，造成浪費，工期相對較長。

3）方案三

考慮到該工程面臨大海，風浪條件較差，西段淤泥層厚度達22 m。為加快工期，西段護岸備選采用爆破擠淤方案，在現(xiàn)有護岸外實施。本加固修復方案相當于新建西段護岸，整體穩(wěn)定性好，施工工藝較單一、便捷，缺點是不僅要占用新海域，造成一定的環(huán)境污染，而且工程投資也大。

從三個方案來看，每種方案均有自身的優(yōu)點和缺點，為確定合理、可行的方案，還需進一步的比選。目前的工程設計中，比選方法主要是將各方案定性分析后進行主觀判斷，當選擇因素較多時，因個人的經(jīng)驗、知識及偏好等的差異，可能導致方案的不一致或不合理。為減少專家的主觀性，有學者提出采用層次分析法[2-3]、綜合集成賦權法[4]、模糊分析法[5-6]來進行方案的比選。張逸帆等撰文采用灰色系統(tǒng)論證來選擇航道改建工程中的護岸結構型式。[7]本工程涉及的方案類型不多，我們采用價值工程中簡便易行的強制確定法（也稱FD 法）來進行方案比選。強制確定法是在選擇對象中，通過計算功能重要性系數(shù)和成本系數(shù)，然后求出兩個系數(shù)之比，即價值系數(shù)。根據(jù)價值系數(shù)大小判斷對象的價值，價值高的選做活動的對象。[8]

方案一、二、三從使用年限上我們根據(jù)以往經(jīng)驗估算在0.8:1:1.5，我們將其為所建工程發(fā)揮作用的時長比例作為功能性重要系數(shù)，即分別為：0.24[=0.8/(0.8+1+1.5)，下同]、0.3、0.45。三個方案工程投資比為1:1.5:2.2，所以其成本系數(shù)分別為：0.22[=1/(1+1.5+2)，下同]、0.3、0.47。

表1 工程方案比選一覽表

據(jù)此，方案一價值系數(shù)最高，且工期最短，推薦采用此方案，即護岸東、西兩段均采用拋石斜坡式護岸，中段利用現(xiàn)有板樁結構進行加固。

2.2 加固修復方案

1）東、西段護岸

拋石斜坡式護岸護面采用扭王字塊體，安放一層，單體重量4 t。坡度為1:2；壓載坡底設拋石棱體，棱體采用600～800 kg 塊石。西段淤泥層比東段更厚，泥面更高，因此西段護岸肩臺、拋石棱體、護底整體抬高1 m，且西段拋石擠淤所需的石方量比東段將更多。

圖4 東段護岸設計斷面

圖5 西段護岸設計斷面

2）中段護岸

利用現(xiàn)有直立式板樁作為擋浪結構，為提高現(xiàn)有板樁安全度，在護岸前設壓腳平臺，平臺高程為5.0 m。護面采用扭王字塊體，安放一層，單體重量4 t。頂面坡度為1:2；壓載坡底采用600～800 kg 塊石設拋石棱體。

圖6 中段護岸設計斷面

同時，對板樁結構的鋼管樁、鋼拉帶等進行修復。其中，對高程0.53 m（設計低水位）以上至蓋梁以下范圍內的Φ1 000 mm 鋼管樁進行St3 級除銹，并涂刷ZINGA（鋅加）防腐涂料，涂層厚度300 μm。

將鋼拉帶分為四類：A 鋼拉帶完好；B 鋼拉帶損壞；C 鋼筋代替鋼拉帶；D 無鋼拉帶的?？傮w原則是除鋼拉帶完好的外，損壞的均進行修復，沒有的需增設，具體的措施如下：

①對B 類鋼拉帶損壞的（每側銹蝕厚度大于 2 mm 的），按原樣進行修復。

②對C、D 類鋼筋代替鋼拉帶和無鋼拉帶的，按原有鋼拉帶型式增設，新增鋼拉帶可穿在兩鋼管樁之間，外側用型鋼焊在鋼管樁上，錨錠梁根據(jù)現(xiàn)場情況另定。

③對鋼管樁的錨固構件如有損壞，需按原樣修復?，F(xiàn)狀未埋設好的鋼拉帶暴露在空氣中，銹蝕嚴重的鋼拉帶除本身修復外，還要將鋼拉帶埋于回填料中，使其不受氣候影響；凡是埋設不好的鋼拉帶，在鋼管樁岸側挖至鋼拉帶無明顯銹蝕處，挖深至鋼拉帶下1 m，底部鋪袋裝混凝土，鋼管樁岸側也采用袋裝混凝土封閉，再回填山泥或砂，使得鋼拉帶周圍的空氣和大氣隔斷，頂部再干砌塊石厚0.6 m。鋼拉帶防腐措施同板樁護岸鋼管樁的處理。

3 加固修復結構設計

由于工程所在地為浙江海域，因此根據(jù)《浙江省海塘工程技術規(guī)定》，確定護岸的工程等級為Ⅲ級，潮位和波浪的設計重現(xiàn)期為50 年一遇，堤頂不允許越浪。[9]高程以小洋山理論最低潮面為零點。

3.1 防浪墻頂高程

式中：Hp=5.71 m；RF%按不允許越浪F＝2；ΔH=0.7 m。

式中：K△＝0.45；KV＝1.235；Ro＝1.7；H1%= 3.87 m；KF＝0.94。

經(jīng)計算，防浪墻頂高程Zp取9.85 m。

3.2 坡頂高程

當胸墻前的護面為塊石、規(guī)則擺放單層四角空心方塊或柵欄板時，其坡頂高程宜定在設計高水位以上不小于0.6 倍設計波高值處[10]，即：

式中：h設高=4.51 m；H設高=3.65 m。

經(jīng)計算，Z坡＝6.7 m。

如果按計算取值，該高程由1:2 的坡度到高程5.0 m，斜坡段長度為3.8 m，能擺放高度為1.84 m的4 t 扭王字塊2 排，消浪效果有限。

為提高消浪效果，將坡頂高程提高取整至8 m時，斜坡段長度為6.7 m，可以擺放3 排4 t 扭王字塊。此時，塊石墊層底高程為：坡頂高程8 m-扭王字塊厚度1.64 m-塊石墊層厚度1.3 m=5.06 m＜防浪墻底高程6 m，這樣塊石墊層位于防浪墻底面之下，會因為墊層塊石縫隙大導致波浪掏空防浪墻基腳，引起防浪墻失穩(wěn)。

故將坡頂高程提高取整至9 m，此時斜坡段長度為8.9 m，能擺放4 t 扭王字塊4 排。該高程相應提高了扭王字塊下部具有較大空隙的塊石墊層高程，使該墊層頂高程達6.06 m 高于防浪墻底高程 6 m，以保護防浪墻的前基角基礎不被波浪淘空而導致防浪墻失穩(wěn)。最終取Z坡＝9 m。

3.3 拋石棱體頂高程

棱體的頂面高程不宜高于設計低水位以下1.0倍設計波高值[10]，即：

泥面高程2.0m 左右，如果按這個高程，挖泥方量太大。故按泥面以上拋石2.5 m 取值為4.5 m，保證有一定的棱體厚度。護底塊石處泥面高程0.5 m左右，護底塊石頂高程按泥面以上1.5 m 取值為 2.0 m。

3.4 護面塊體重量

單個護面塊體重量：

式中：γb=23 kN/m3；H=3.31 m；KD=18；Sb=2.24；ctgα=2。經(jīng)計算：W=1.6 t。

采用扭工字塊扭王字塊的最小重量不宜小于2 t[6]?？紤]工程所在地為凹岸，波能易集中，且外側缺乏有效掩護條件，波高較大，當?shù)卦霈F(xiàn)過波浪損壞原有護岸的情況，設計取了4 t。

3.5 護面層厚度

護面層厚度可按下式計算：

式中：n'=1；c=1.36。經(jīng)計算，h'=1.64 m。

3.6 抗滑穩(wěn)定計算

對護岸東段、中部護岸段和西段分別采用圓弧滑動法進行了整體抗滑穩(wěn)定計算，使用期的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為：1.67，1.99（圓弧在板樁尖之下）和1.81，均滿足規(guī)范要求。

4 結語

該項目建成以后，經(jīng)受了多次臺風和波浪等惡劣自然條件的檢驗，截至目前使用情況良好。原護岸結構雖類型不一，較為復雜，但在設計時若能統(tǒng)籌考慮，盡量采用統(tǒng)一修復加固結構型式，不僅能降低工程造價，而且能降低施工難度。文中運用強制確定法比選確定了在繼續(xù)利用中段原有板樁結構基礎上，對錨碇系統(tǒng)進行修復及板樁前加固的方案，既節(jié)約成本又確保了安全，加快了施工進度，效果較好。

在設計過程中，根據(jù)規(guī)范計算出數(shù)值后同時考慮現(xiàn)場實際情況和經(jīng)驗，對個別數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化和調整，降低了工程風險。