上海某岸段海塘達標建設斷面的比選

鄧偉峰

長江勘測規劃設計研究有限責任公司 上海 200439

正文：

引言：海塘是防御風暴潮水和波浪對防護區的危害而修筑的堤防工程。本文研究的海塘岸段塘為1998年建成，位于浦東區上海長江大橋東側，建設標準為100年一遇，隨著上海市城市化程度的不斷提升，防洪工程的標準也相應提高。現狀海塘已不能滿足新的防御標準要求，需要對其采取加固擴建等措施使其滿足防御標準要求。

1 海塘達標建設設計標準及參數確定

1）設計標準

根據新的相關規劃與要求，本段海塘規劃防御標準為200年一遇高潮位+12級風，按不允許越浪設計，工程級別為1級。

2）設計參數的確定

根據上海市海塘規劃中本段海塘附近有的潮位站潮位特征值，確定本段海塘設計潮位為200年一遇高潮位6.27m。設計風速為12級風下限32.7m/s。

波浪要素采用《海堤工程設計規范》（GB/T 51015-2014）（以下簡稱《海堤規范》）中相關公式計算（各參數意義可查看本規范中的附錄C有關說明。）

根據規范風浪要素可按如下莆田海堤試驗站風浪計算公式進行計算。

不規則波對應平均波周期的波長L可按下式計算：

2 海塘現狀分析與復核

1）現狀分析

目前海塘堤頂防浪墻高程為8.55m，堤頂路面高程7.35～7.50m，寬7.50m，灌砌塊石消浪平臺高程為4.75m，寬約5.00m。上坡坡比1：3、下坡坡比1：2.5均為柵欄板護坡。本段海塘已運行20余年，沉降已基本穩定，但下坡少量柵欄板和鎮腳存在一定程度的損壞，柵欄板損壞主要是個別柵欄板施工質量不滿足要求，表面混凝土長期在波浪作用下老化剝落。鎮腳存在裂縫表面混凝土剝落是由于基礎不均勻沉降后造成斷裂，混凝土強度不夠或施工質量不佳導致。但結構整體完整性與耐久性良好。

圖1 海塘現狀斷面圖

2）根據新的海塘防御標準對現狀海塘進行復核。

本工程在達標設計前首先按照200年一遇防御標準對現有海塘進行復核論證。具體復核計算海塘的穩定與堤頂防汛高程和護坡厚度，針對復核情況再提出相應的達標設計方案。

（1）現狀海塘穩定復核

由于本段海塘沉降基本穩定，堤基土固結充分，在此不再進行海塘斷面沉降復核計算，堤防穩定計算中主要對設計海塘斷面進行滲流穩定和抗滑穩定計算。根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）中堤防穩定計算有關內容通過計算，本段海塘滲流與抗滑穩定均滿足規范要求。

（2）現狀堤頂高程與護坡厚度的復核

堤頂高程及護坡復核計算所用參數如護面糙率、平臺高程和寬度等均按照目前的結構型式。本工程取波要素最大值作為典型斷面，根據《海堤規范》中堤頂高程與附錄J相關要求計算復核堤頂高程為9.70m,所需柵欄板護坡厚度0.30m。

由計算可知，對于新標準所需防浪墻頂高程高出現狀防浪墻平均頂高程1.15m，護厚度滿足要求，總體來說現有海塘無法滿足“200年一遇”設防標準要求。

3 海塘達標設計原則

1）盡量利用原有結構，減少廢棄工程量；2）徹底消除原有堤身安全隱患，保證達標海塘安全；3）斷面設計做到經濟合理，施工方便;4）與周圍環境及規劃相適應。

4 海塘達標斷面比選

根據分析計算現狀堤防存在的主要問題是防浪墻頂高程不滿足達標要求。

達標設計的總體思路為：

a 被動加高堤頂高程：在現狀大堤基礎上培高培寬堤頂與增加防浪墻頂高程。

b 主動采取工程消浪措施消減波能，減小波浪的爬高，進而降低堤頂高程，工程消浪措施可采用：消浪平臺、反弧形結構、消力齒（墩）、灌砌外凸塊石或階梯差動護坡、預制混凝土異型塊體等，堤前可采用潛堤或植物消浪。

由于被動加高堤頂高程存在新老堤身接觸不牢固，易產生不均勻沉降等風險，且施工要求較高，需要外來土方。因此，設計方案宜從主動采取工程消浪措施入手，根據本海塘段的實際情況，考慮工程實施的可行性擬定了下面兩種設計方案進行比選：

方案一：設置潛堤進行消浪，減小波浪的影響

假設堤前設置頂高5.5m，寬5.0m的潛堤，根據《海堤規范》附錄E有關公式計算有效波高的折減系數為0.60，采用原結構斷面進行復核計算，堤頂高程仍無法滿足達標要求，仍需采取其它措施進行消浪，此方案造價勢必會大大增加，因此設置潛堤的方案不可行。

方案二：斜坡加糙進行消浪，減小波浪爬高

比柵欄板護坡糙率系數更小的有扭工字塊體（安放二層）0.38、四角錐體（安放兩層）0.40和翼型塊體0.38，本工程選用糙率系數最小的翼型塊體進行加糙。翼型塊體鋪設于下坡。翼型塊體重量采用2t重，上坡保留原完好的柵欄板護坡。加權計算后，糙率系數為0.40。經計算，堤頂高程計算值為9.39m，按照防浪墻凈高1.2m計算，堤頂道路高程為8.19m，比現狀堤頂高程高出0.84m，如按此方案實施勢必要加寬堤身，且與周圍道路與場地銜接也較困難，根據上文的分析此方案已排除。

根據分析及相關工程經驗進一步減小堤頂高程的方法還有：a設置深弧防浪，b加寬消浪平臺。下面繼續對這兩種方案進行比選，形成方案三和方案四

方案三：加寬消浪平臺+2t翼型塊體加糙

通過計算，消浪平臺加寬至20m才可以有效減少波浪的爬高，現狀防浪墻可以加以利用保留，但是加寬平臺寬度過大，如按此方案實施將要拆除原外坡下坡結構護面等結構，新增充砂管袋棱體結構及護坡結構，造價將大幅增加，此方案在經濟上較不合理。

方案四：深弧型防浪墻+2t翼型塊體加糙

拆除原防浪墻后，新建深弧形防浪墻。根據上海市工程經驗和物理模型試驗成果，按不允許越浪設計的堤防，采用深弧型防浪墻堤頂高程可降低0.5m以上。因此考慮設置深弧型防浪墻后堤頂高程減少0.5m，取8.9m，堤頂道路高程為7.70m，道路基層基本位于現狀堤頂道路一下0.3m，路槽開挖土方可用作路肩回填。

根據以上方案分析可以得出方案四深弧型防浪墻+2t翼型塊體加糙較為合理，綜上本達標建設采用方案四的結構形式。如下圖2所示。

圖2 海塘達標設計斷面圖

5 結束語

本文僅從理論計算的角度，通過方案的論證比選確定了海塘的達標建設設計斷面，實際工程中還應結合模型試驗驗證各計算結果的準確性，隨著城市化的發展，海塘達標建設還應充分考慮與周圍規劃以及環境的相容性，滿足城市發展的多功能要求。