福州沿海某護岸工程的結構選型及優化設計

林志堅

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概述

福州某陸域形成項目位于福州市湖南鎮境內，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，通過護岸、現有海堤及分隔堤形成圍閉的區域。項目包含護岸長5 623 m。

2 護岸結構設計標準及基礎條件

2.1 設計標準

護岸結構安全等級取為：一級，結構重要性系數1.1。護岸防浪、防潮標準分別如下：

1）波浪采用重現期 100年一遇的控制波浪，施工期波浪防護標準采用5年一遇；

2）水位采用重現期100年一遇的高潮位；

3）越浪控制標準：Q允≤0.05 m3/（s·m）。

2.2 設計基礎條件

1）設計水位

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

2）設計波浪

100年一遇設計波浪：H1%=8.48 m、H13%=6.77 m。5年一遇設計波浪：H13%=2.51 m。

3）設計荷載

均布荷載20 kN/m2。

4）護岸坡底沖深

根據潮流及泥沙數學模型研究報告[1]預測結果，護岸在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）地質條件

根據地質鉆探資料，工程區從上而下分別為①細砂、②淤泥質土、③中砂、④粘土～粉質粘土、⑤中粗礫砂。

3 護岸結構選型

3.1 護岸結構型式選擇

護岸的結構型式一般分為：斜坡式護岸、直立式護岸等。

斜坡式護岸結構的特點是：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。斜坡式的主要優點是：結構簡單、施工方便、有較高的整體穩定性，適用于不同的地基，可以就地取材，破壞后易于修復。其主要缺點是：耗費的材料用量大（幾乎與水深的平方成正比）。斜坡式護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。當采用人工塊體護面時，也可用于水深和波浪較大的情況。

直立式護岸的結構特點是：其斷面的外側均為直立（或基本直立）墻，一般由拋石基床、墻身結構和防浪胸墻所組成，波浪作用時，多在墻前發生反射。直立式護岸的主要優點是：當水深較大時，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。其主要缺點是：消除波能的效果較差，其地基應力較大，對不均勻沉降比較敏感，當用于軟基時，需要對地基采取加固措施。建成后一旦遭到破壞難于修復。直立式護岸一般應用于水深較大和地基較好的情況。

考慮護岸所在區域具有水深淺、波浪大、地基差的特點，護岸擬采用斜坡式護岸的結構型式。

3.2 護岸結構型式比選

護岸結構設計了三個方案，海側設置島式消浪堤方案、直立式方案及斜坡式方案。

1）海側設置島式消浪堤方案

由于本工程所在地波浪大，對越浪量控制標準高，因此曾考慮在海側設置島式消浪堤方案，該方案的特點是在護岸海側設置了頂高程 5.0m的島式消浪堤，起到削減波浪減少越浪量的作用，該方案工程費用與斜坡式方案相當，但是存在水上施工工序多、施工難度較大、征海范圍大、消浪效果沒有規范理論支撐需物模實驗驗證、消浪堤與內側護岸之間容易集結垃圾等缺點，所以不推薦該方案。

圖1 海側設置島式消浪堤方案

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岸方案，該方案的優點是直立式護岸減少了用海范圍，但是直立式護岸對軟弱土層地基適應性差導致地基承載力、沉降及整體穩定性難于滿足要求，并且直立式護岸還存在需專門場地預制沉箱、施工需大型的調運設備、施工工序較繁雜難度較大、消浪效果沒有規范理論支撐需物模實驗驗證、造價高昂等缺點，所以不推薦該方案。

3）斜坡式方案

斜坡式方案具有結構簡單、施工工序少，方便速度快、工期較短；材料附近供應充足，造價低；有利于軟弱地基，對不同分區結構銜接，后期回填區處理的施工適應能力較強，且容易形成便捷的施工通道，有利于后期回填區處理的施工，因此，護岸擬采用斜坡式方案。

4 護岸結構設計中關鍵問題分析及優化

4.1 護岸坡底沖刷

1）護岸坡底沖刷深度

工程區域表層為細砂層，所在區域原泥面普遍較高，波浪破碎，在臺風季節波浪容易引起掀砂。根據潮流及泥沙數學模型研究報告[1]預測結果顯示，護岸最大沖刷深度在 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《防波堤與護岸設計規范》[2]斜坡堤前的海底沖刷公式[2]計算得最大沖深3.81 m。結合數模模型研究和理論計算結果可知，護岸坡底沖刷深度大接近4 m，護岸形成后存在沖刷坡腳問題，如果不進行坡腳防沖刷處理將可能造成護岸失穩的嚴重問題。

2）護岸坡底防沖刷措施

防沖刷措施通常采用軟體排護底、板樁墻護底及局部開挖換填塊石。

采用軟體排護底：較經濟，但工程區域泥面高程普遍較高，導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。

采用板樁墻護底：施工期需設置臨時圍堰，臨時圍堰拆除后可用于后方護岸堤心結構，有施工期抗風浪能力較強特點。但是，板樁墻施工較復雜，施工期臨時圍堰較大，工程費用高，因此不推薦。

采用局部開挖換填塊石：護岸坡底開挖后換填塊石，并且在開挖后的槽底鋪設砂肋軟體排。該方案施工方法簡單易行，且工程費用較低，因此推薦采用。結合潮流及泥沙數學模型研究報告[1]預測和《防波堤與護岸設計規范》[2]計算結果并考慮適當富余，護岸坡底考慮開挖4 m深度后換填塊石達到防沖刷的目的。

4.2 護岸施工期挖槽

1）護岸施工期挖槽回淤量

根據潮流及泥沙數學模型研究報告[1]預測結果顯示，護岸施工期挖槽 24小時內泥沙回淤強度約介于0.3～1.4 m，并且現場挖槽試驗結果24小時回淤強度 1.5 m，護岸施工期挖槽回淤時間很短且強度大的問題成為施工中必須解決的問題，因此在施工期護岸坡腳挖槽前需設置臨時攔砂圍堰防止基槽開挖回淤。

2）護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兜塊石。采用尼龍網兜塊石臨時攔砂圍堰工程造價高對于臨時結構而言代價高，臨時攔砂圍堰施工期后需拆除，尼龍網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構的護坡使用，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 護岸地基處理

護岸地基處理設計標準：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土。常用的護岸軟土地基處理方法有：插塑料排水板的（堆載預壓或真空聯合堆載預壓）排水固結法、打設砂樁的排水固結法（兼置換作用）、清淤換填法、爆破擠淤法、水泥攪拌樁復合地基法等。結合工程需處理軟土層含水量大、強度低、壓縮性高、厚度大的特點并考慮工程造價合理及施工可行性的要求，護岸地基處理采用插板+堆載預壓法方案，由于部分區域軟土厚度較大，為滿足護岸穩定，減小護岸斷面，護岸外側局域區域采用砂樁復合地基進行地基處理。

4.4 擋浪墻頂高程及結構形式

擋浪墻頂高程及結構形式通過控制越浪量的方法確定。

1）越浪理論計算

根據《港口與航道水文規范》[3]斜坡堤堤頂越浪量計算規定，可計算得越浪量結果見表1。

表1 護岸單延米越浪量計算結果

2）越浪物模試驗成果

護岸斷面物模試驗[4]對原結構設計斷面（頂高程8.7 m，肩臺長38.5 m）進行了優化調整。

原設計斷面在 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到了0.174 m3/s，超過了0.05 m3/s的控制標準。為了使越浪量試驗結果滿足單延米寬越浪量 0.05 m3/s的控制標準，對擋浪墻墻頂高程、擋浪墻結構形式進行了優化試驗。優化試驗均在 100年一遇高水位+100年一遇波浪作用條件下進行。

①僅加高擋浪墻頂高程

在原設計方案的基礎上，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，仍然不滿足控制標準要求，當胸墻頂高程加高至10.7 m（加高2 m）時，單延米寬越浪量為0.05 m3/s，滿足控制標準的要求。

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到了2.45 m，此時在胸墻上增加反浪弧可以起到降低堤頂的越浪量的作用，增加反浪弧后堤頂單延米平均越浪量為0.04 m3/s。

優化調整后斷面物模成果見表2。

3）擋浪墻頂高程及結構形式確定

結合越浪理論計算及物模試驗成果優化后確定護岸擋浪墻頂高程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 護岸結構優化后方案

護岸采用斜坡式結構，護岸頂現澆“L”型混凝土擋浪墻，墻頂高程10.7 m，墻后在9.5 m高程處設路面，路面陸側設排水溝。擋浪墻下堤心部分采用充填砂袋，充填砂袋間回填砂。護岸臨海側邊坡為 1:1.5。擋浪墻前平臺寬 38.5 m。護岸海側采用18 t扭王字塊護面，護面下設厚1.6 m的0.9～1.8 t塊石墊層，塊石墊層下設10～100 kg塊石，10～100 kg塊石下設混合倒濾層和多功能土工墊。護岸海側坡腳開挖并回填塊石，起到抗沖刷的作用。護岸陸側邊坡1:1.5，護岸陸側回填砂形成陸域。護岸地基處理采用插板+堆載預壓法，由于軟土厚度較大，為滿足護岸穩定，護岸外側局域區域采用砂樁進行地基處理。護岸優化后斷面見圖2。

圖2 護岸結構優化斷面示意

5 結 語

本文護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。