某濱海地區(qū)拋石海堤加高加固設(shè)計方案分析

張新嬌，張 慧

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000)

濱海地區(qū)地勢特殊，氣候多變，臺風(fēng)登陸引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害時有發(fā)生，給城市防潮安全帶來較大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險隱患。海堤工程是保障城市抵御風(fēng)暴潮災(zāi)害的第一道防線，其安全可靠性和防御能力直接關(guān)系濱海城市的安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-3]。早期建設(shè)的海堤標(biāo)準(zhǔn)低，質(zhì)量差，在臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害作用下，存在較多影響正常運(yùn)行的安全隱患，亟需按照城市最新最新防(洪)潮規(guī)劃要求對現(xiàn)狀海堤進(jìn)行安全評估和加高加固處理，從而進(jìn)一步完善海堤防洪潮體系及達(dá)標(biāo)建設(shè)工作。

目前，海堤加固設(shè)計大多數(shù)以土堤加固[4-6]為主，并在護(hù)面消浪、軟基處理、海堤防滲等方面[7-10]有了較為成熟的研究成果，也在某些工程中取得了不錯的成效，但在濱海地區(qū)拋石海堤加固設(shè)計方面研究較少。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)某拋石海堤加高加固設(shè)計實例，從現(xiàn)狀海堤安全復(fù)核、現(xiàn)狀海堤存在問題、加高加固方案擬定、穩(wěn)定驗算等方面進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 海堤現(xiàn)狀

深圳機(jī)場現(xiàn)狀二跑道海堤全長約7.85km，建設(shè)時間為2008—2013年，海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇。南端長約1.4km海堤需按200a一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)提升后與深圳機(jī)場三跑道擴(kuò)建工程新建段海堤連接形成機(jī)場200a一遇防潮封閉圈。

需加高加固段二跑道海堤堤身填料為塊石，堤心堆石體及軟基處理采用“爆炸排淤填石法”施工，使堤心堆石體能達(dá)到甚至穿過淤泥底層落底在下層黏土上。海堤防浪墻頂高程6.65m，堤頂高程5.65m，堤頂寬9.5m。防浪墻設(shè)在堤頂臨海側(cè)，采用C25混凝土結(jié)構(gòu)L形擋墻。堤頂設(shè)寬7m巡堤路，采用C30混凝土路面，厚0.3m。

海堤迎水面在1.36m高程設(shè)置寬5m消浪平臺，平臺上下斜坡坡率均為1∶2，平臺以上護(hù)面結(jié)構(gòu)采用厚0.6m的干砌石護(hù)坡，護(hù)面結(jié)構(gòu)與堤身結(jié)構(gòu)之間設(shè)2層碎石墊層，中間鋪設(shè)一層反濾土工布。平臺及平臺下部護(hù)面厚為1.2m重500～600kg的塊石，護(hù)腳采用厚0.6m重50～100kg的塊石。

海堤背坡采用草皮護(hù)坡形式，結(jié)合防滲土體在高程3.50m處設(shè)一平臺，平臺上部坡度1∶2，下部坡度1∶3。防滲采用背坡填筑黏性土的方式，填土頂面高程為3.50m，平臺寬3m，邊坡1∶3，填土下部與填筑堤身時隆起的淤泥相接，形成閉合的相對不透水層。現(xiàn)狀二跑道海堤典型橫斷面如圖1所示。

圖1 海堤橫斷面圖

1.2 工程水文地質(zhì)條件

工程沿線原始地貌為濱海灘涂，后經(jīng)填海形成陸域。海堤西側(cè)為珠江口水域，海堤東側(cè)由北向南依次為機(jī)場4#調(diào)蓄池水域及機(jī)場備用地。堤身塊石直徑0.4～0.8m，塊石間為碎石、黏土充填。原海堤拋石爆破擠淤已將堤身斷面淤泥擠出，堤身斷面地基以下土層依次為黏土、中砂、砂質(zhì)性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，堤身斷面兩側(cè)仍有6～10m淤泥層。表層淤泥高壓縮、固結(jié)慢、承載力低、力學(xué)性能差；同時沿線填石孔隙大，密實度不均勻，填石內(nèi)存在孔隙水，隨著外海潮漲潮落與現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水體局部連通，現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水位波動受潮汐影響較大，有滲透破壞的風(fēng)險。工程土體物理力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

2 現(xiàn)狀海堤安全復(fù)核

2.1 堤頂高程、越浪量復(fù)核

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》8.3.1條、附錄E、附錄F，按照現(xiàn)狀海堤斷面要素、允許越浪工況計算200a一遇標(biāo)準(zhǔn)下的堤頂高程及越浪量，計算結(jié)果見表2。

表2 堤頂高程計算過程表

現(xiàn)狀海堤防浪墻頂高程6.65m，規(guī)范規(guī)定背海側(cè)為草皮護(hù)面的海堤允許越浪量為0.01m3/(m·s)，均不滿足規(guī)范要求。

2.2 護(hù)面、護(hù)底結(jié)構(gòu)復(fù)核

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄J，計算得出：①200a一遇防潮標(biāo)準(zhǔn)下臨海側(cè)干砌石護(hù)坡所需厚度為0.95m。而現(xiàn)狀海堤1.36m消浪平臺以上護(hù)面結(jié)構(gòu)采用厚0.6m干砌石，不滿足要求；平臺及平臺下部護(hù)面為厚1.2m重500～600kg塊石，滿足要求。②采用干砌塊石作為斜坡堤護(hù)坡面層時，單個塊體穩(wěn)定重量至少為1.42t，而單個干砌石或塊石實際重量不能達(dá)到此重量標(biāo)準(zhǔn)。③護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量，根據(jù)堤前最大波浪底流速確定。經(jīng)計算，本工程海堤堤前最大波浪底流速為1.53m/s，護(hù)底塊石的重量應(yīng)取60kg，現(xiàn)狀二跑道海堤護(hù)腳采用厚0.6m重50～100kg塊石，基本滿足要求。

2.3 防滲效果復(fù)核

根據(jù)本工程勘察報告，主堤與子堤之間為防滲回填的黏土滲透率K為1.16×10-3cm/s，判斷為中等透水性。而參考《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》：心墻防滲涂料滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10-5cm/s。因此，原設(shè)計的黏土防滲已經(jīng)失效；且現(xiàn)狀黏土防滲體頂高程為3.5m，不滿足防滲體頂高程高于設(shè)計高潮位0.5m的要求。

2.4 現(xiàn)狀海堤存在問題

根據(jù)上述復(fù)核結(jié)果，現(xiàn)狀海堤存在問題如下：①堤頂高程及越浪量均不滿足要求；②臨海側(cè)消浪平臺以上的干砌石護(hù)坡厚度和石塊重量均不滿足防浪要求；③海堤原有黏土防滲已經(jīng)失效。但海堤臨海側(cè)護(hù)底塊石、現(xiàn)狀堤頂寬度均滿足規(guī)范要求，可保持現(xiàn)狀。

3 加高加固方案

3.1 海堤軸線與堤型選取

加固海堤軸線一般有3種方案[11-12]：海堤軸線向背水坡偏移、臨海側(cè)偏移、沿原海堤軸線不變。

本工程現(xiàn)狀海堤西側(cè)為珠江海域，海岸線位于臨海側(cè)二級護(hù)坡處，若軸線向臨海側(cè)偏移，涉及施工期臨時及永久用海，手續(xù)麻煩，審批周期長，不滿足項目建設(shè)需求，且臨海側(cè)堤身斷面以下存在淤泥層，需進(jìn)行地基處理，技術(shù)難度大，投資高。現(xiàn)狀海堤東側(cè)為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水面及機(jī)場備用土地，若軸線向背水坡偏移，則占用現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水域面積及調(diào)蓄容積，影響機(jī)場整體防洪排澇，且該方案填筑量大，也需對背水側(cè)淤泥層地基進(jìn)行處理，投資最大。鑒于現(xiàn)狀海堤堤頂寬度為9.5m滿足規(guī)范要求，同時原海堤拋石爆破擠淤已將堤身斷面淤泥擠出，堤身斷面范圍內(nèi)地基承載力好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，新增工程量小，投資最小。因此從征用地、已有工程現(xiàn)狀、對其他工程影響、地質(zhì)條件、工程投資等方面綜合考慮，加高加固后海堤軸線沿原海堤軸線不變。

現(xiàn)狀海堤為斜坡式海堤，前后需銜接的新建三跑道海堤及現(xiàn)狀南端碼頭海堤也為斜坡式海堤，考慮到海堤堤型與相鄰段堤身斷面的一致連續(xù)性、協(xié)調(diào)性及加高拆除填筑工程量，推薦仍保持原海堤斷面基本不變。

3.2 護(hù)面結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)海堤安全復(fù)核結(jié)果：臨海側(cè)現(xiàn)狀干砌石護(hù)面厚度及塊石重量均不滿足要求，因此需新建海堤護(hù)面，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》8.5條，舊海堤護(hù)面加固采用預(yù)制混凝土異形塊體護(hù)面或混凝土板式護(hù)面，但由于海域線限制，混凝土護(hù)面施工困難，且新建3條跑道海堤全段采用3t扭王字塊護(hù)坡，該護(hù)面結(jié)構(gòu)糙滲系數(shù)KΔ小，消浪效果好，也不易被海浪卷走可有效降低堤頂高程；此外，可在堤頂?shù)缆凡捎玫踯嚢卜艍K體，便于施工。因此，本次護(hù)面結(jié)構(gòu)也選用3t扭王字塊。

根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》[13]4.3.20條、4.3.15條及4.3.21條，分別計算出扭王字塊護(hù)坡厚度為1.42m，護(hù)面塊石墊層重量為150～300kg，塊石墊層的厚度為0.97m。

由于背海側(cè)為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池，直接臨水，背海側(cè)護(hù)面采用抗沖刷的厚50cm干砌石護(hù)坡。

3.3 堤頂高程確定

為保證堤頂軸線不變，且施工范圍不超過現(xiàn)狀海域線，消浪平臺以上扭王字塊護(hù)坡安放坡度定為1∶1.5，計算擬定斷面要素下堤頂高程為8.39m。但受機(jī)場限高影響，本工程擋浪墻頂高程原則上不能高于7.86m，因此按照7.86m堤頂高程進(jìn)一步驗算越浪量。計算的越浪量為0.0064m3/(m·s)，小于允許越浪量0.02m3/(m·s)。同時，根據(jù)本工程波浪物理模型物模報告：本工程設(shè)計堤頂高程及護(hù)面結(jié)構(gòu)方案的海堤均能滿足穩(wěn)定及越浪量要求，因此堤頂高程定為7.86m。

3.4 防滲處理措施

原防滲填土位于現(xiàn)狀主堤與子堤之間，挖除重填會影響堤防穩(wěn)定性，且只能處理淺層，因此防滲方案采取防滲墻方案，濱海地區(qū)海堤防滲墻一般采用旋噴樁防滲、攪拌樁防滲、地連墻防滲及咬合樁防滲這幾種形式。現(xiàn)狀海堤堤身為深厚填石層，選用旋噴樁防滲、攪拌樁防滲無法保證成孔質(zhì)量，且防滲墻位置位于主堤和子堤中間，子堤本身穩(wěn)定性較差，地連墻施工機(jī)械重量較重(可達(dá)上百噸)，施工場地不足以滿足地連墻機(jī)械的施工。因此結(jié)合地質(zhì)條件適用性及施工時海堤穩(wěn)定性采用直徑1.2m間距0.95m的C20混凝土咬合樁防滲墻，防滲墻頂高程為4.0m，底部穿透填石層進(jìn)入不透水層不小于1.0m。

3.5 加高加固后堤身斷面

迎水面：先拆除原海堤迎水面干砌石及片石面層并進(jìn)行理平理砌，在消浪平臺以上新建坡度為1∶1.5的3t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面塊體下設(shè)厚0.97m 150～300kg墊層塊石，并于護(hù)面坡腳處設(shè)置600～800kg塊石棱體擋塊，擋塊埋深1.0m，高1.8m。

堤頂：先原位破除原海堤防浪墻及路面面層結(jié)構(gòu)C35混凝土，并在堤頂外側(cè)新建1.2m高“L”型防浪墻，防浪墻頂標(biāo)高為7.86m，堤頂標(biāo)高6.66m。堤頂內(nèi)側(cè)設(shè)置防洪應(yīng)急搶險道路，凈寬7.5m，采用混凝土道路，設(shè)1%的橫坡朝背水坡排水。

背水面：①背水坡為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池范圍，4.0m高程以上為防止越浪沖刷，采用如下護(hù)坡結(jié)構(gòu)：厚0.5m干砌塊石+土工布一層+厚0.30m耕植土+三維快速植生墊，4.0m高程平臺以上坡比為1∶1.5，平臺下回填黏土，并在主堤和子堤間拋石深度最小位置設(shè)置咬合樁防滲墻。②背水坡為現(xiàn)狀機(jī)場備用地，現(xiàn)狀地面高程以上為防止越浪沖刷，采用與調(diào)蓄池側(cè)相同的護(hù)面結(jié)構(gòu)，并于坡底設(shè)置排水溝收集雨水最終匯入調(diào)蓄池內(nèi)。加高加固后海堤的斷面如圖2—3所示。

圖2 調(diào)蓄池側(cè)海堤橫斷面圖

圖3 機(jī)場備用地測海堤典型橫斷面圖

4 海堤穩(wěn)定計算

根據(jù)規(guī)范需計算3種工況下海堤臨水坡和背水坡抗滑穩(wěn)定。本次針對2種不同型式的海堤斷面分別選取地質(zhì)條件較差的的不利斷面進(jìn)行穩(wěn)定計算，模型示意圖如圖4—5所示。為更好模擬海堤加高加固后不同結(jié)構(gòu)材質(zhì)分區(qū)情況，采用Midas GTS分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定分析計算，計算結(jié)果見表3，加高加固后海堤穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表3 抗滑穩(wěn)定計算成果表

圖4 調(diào)蓄池側(cè)斷面模型示意圖

圖5 機(jī)場備用地側(cè)斷面模型示意圖

5 結(jié)語

濱海地區(qū)海堤加高加固改造在提升抵御臺風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害能力，應(yīng)對極端氣候、海平面上升等環(huán)境變化，完善海堤防洪潮體系及達(dá)標(biāo)建設(shè)工作等方面具有重要意義。本文通過對深圳市某拋石海堤加高加固設(shè)計過程進(jìn)行分析，總結(jié)了一套較為全面的海堤加高加固改造設(shè)計方法，可考慮用于類似工程。

本工程重點是堤頂加高及堤身堤基加固設(shè)計，而未在設(shè)計中考慮生態(tài)景觀及濱海碧道設(shè)計因素，建議盡快實施配套該海堤的景觀提升設(shè)計及建設(shè)，在解決防潮安全的同時，提升海堤生態(tài)環(huán)境，打造水綠共融的濱海海岸帶。