強震區外海人工島護岸位移控制標準

李存興,王 成，莫建新，謝 勇

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

我國參與的國外工程設計項目很多位于強震區。以往國內已經實施的項目地震加速度主要集中在0.2g以下，國內規范主要采用擬靜力分析[1]；當地震超過0.3g時，如果采用擬靜力分析，大多數邊坡工程的地震工況將成為控制工況；當超過0.4g時，依然采用常規的擬靜力法抗震分析難以滿足結構安全。為保證結構安全，須系取相應的地基處理和結構措施，這將造成工程投資大幅增加。

國際主流規范允許地震工況發生一定的破壞，一般根據不同的結構性能等級，控制震后殘余變形，滿足使用要求。但是既有規范的抗震設計主要針對大壩、防洪堤、碼頭等，沒有針對人工島護岸抗震設計允許位移的規定。以往項目控制標準主要取決于業主工程師，因此在項目標書無規定時，有必要進行研究以確定合適的標準。筆者結合馬尼拉濱海新城項目的護岸結構抗震設計，探討強震區外海人工島護岸位移控制標準。

1 項目背景

馬尼拉濱海新城項目，擬吹填造陸形成318萬m2地塊，分為南、北兩島，兩島間為景觀水道。工程位于馬尼拉市中心，受環保等因素制約，吹填之前須先形成圍堰。本工程水工建筑物主要為圍堰及護岸結構，包括：永久工程護岸總長度為10 198 m，其中靠岸側及港池側護岸3 482 m采用直立式結構(極端低水位以上為直立)，其余外圍護岸4 216 m采用斜坡式結構，兩島之間景觀河道護岸2 500 m。

擬建人工島護岸區域水底泥面高程為-13.4～-4.8 m；地貌類型為海島海岸地貌；工程區地質條件極其復雜，表層軟土具有強度低且壓縮性高的特性，分布不均勻，工程場地土自上而下劃分為多個土層，其中②1層為含砂高液限黏土、②2層為含砂黏土、③1層為高液限黏土層，物理力學指標較差，須進行地基處理；深層土④、⑤、⑥層的多個亞土層為含砂高液限黏土、高液限黏土、含礫黏土質砂、膠結砂、砂質彈性粉土等[2]，這些地層埋深較深且力學性能指標相對較高，不進行地基處理，僅考慮沉降影響。

根據項目地震災害專項評估報告[3],Level 1(72 a一遇)地震加速度為0.28g(地表加速度，已經考慮場地放大)，Level 2(475 a一遇)地震加速度為0.44g。

經過方案比選和優化，推薦方案的結構為：直立段采用階梯式直立護岸，典型斷面如圖1a)所示，堤身主體為拋石體，上部為預制方塊擋墻和現澆胸墻，內側設倒濾措施，由于掩護條件較好，頂部設置二級臺階降低局部高程，在不影響使用功能的情況下大幅降低了地基承載力要求，提高了整體穩定性。在滿足堤身安全的前提下，堤身結構和地基處理都得到優化。

斜坡段堤身采用常規的拋石堤結構，堤頂設擋浪墻和景觀平臺，外側采用人工塊體護面，內側設倒濾設施，典型斷面見圖1b)。

對于淤泥厚度較大的區域，地基處理采取擠密砂樁，處理范圍根據水深和地質條件確定，最大處理寬度為75 m，外坡腳處理范圍為堤頂向外25～50 m不等，處理深度北島平均為14 m、最大為27 m，南島平均為8 m、最大為13 m；對于淤泥層5 m左右的區域，采取開挖換填中粗砂振沖處理；淤泥厚度小于3 m的局部區域，直接拋石擠淤。

圖1 護岸典型斷面

設計過程中，采用擬靜力分析時的整體穩定安全系數小于1.0，無法滿足要求，因此須采用位移分析，允許位移限制。但是采用位移分析時，允許的位移量限值在項目標書中無明確規定，菲律賓當地規范也無相應內容可供選擇。如果位移要求過于嚴格，則地基處理和結構費用難以控制；如果控制過松，又難以滿足國際慣例的要求。選取適當的位移控制標準至關重要，既能滿足項目功能要求，又盡可能降低工程造價。

對于震后允許殘余位移，國際上并無統一的標準，目前主流規范主要針對碼頭、海堤堤防、大壩、防洪堤等，沒有專門針對人工島護岸結構的標準，因此在確定本項目抗震標準時，須參考相關的國際和有關國家的技術標準，結合項目設計條件和使用特點，綜合各種因素共同確定。

2 國內外有關抗震位移控制標準的規定

震后殘余位移控制標準考慮的因素為：1)不直接造成重大人員財產損失；2)不發生重大危險物泄露事件;3)基本不影響后方人工島使用功能;4)無次生災害發生;5)震后即使有一定的殘余變形，也可具備一定的波浪防護能力，可在一定時期內修復。

參考的主要技術標準包括ISO、PIANC、FEMA、OCDI、阿拉斯加巖土委員會等相關的規范。

2.1 國際標準組織 ISO規范

ISO 23469—2005結構設計依據巖土工程設計中的地震作用[4]給出大原則，根據ISO-TR-12930—2014 基于ISO 23469的抗震設計案例[5]，第5.1.5節中的海堤工程案例，地震允許的性能標準見表1。

表1 ISO-TR-12930—2014建議海堤允許性能標準

地震允許的沉降變形可用以下公式計算：

Sa=|HDHTL-HMHTL|+Ha10

(1)

式中：Sa為基于設計高潮位的允許沉降;HDHTL為設計高潮位;HMHTL為平均高潮位;Ha10為防御10 a一遇波浪的必要高度。即震后擋浪墻可以抵抗平均高潮位下10 a一遇波高。

對斜坡堤而言，設計頂高程為5.70～6.00 m，平均高潮位(取平均高高潮)0.50 m，10 a一遇有效波高為2.89 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤頂高程可取3.39 m。

對于直立段，設計頂高程4.00 m，親水平臺高程2.00 m，前沿擋墻2.50 m，10 a一遇有效波高為0.90 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤頂高程可取1.40 m。

對比可知，斜坡段允許沉降超過2 m，直立段允許沉降超過1 m。

經計算，根據ISO-TR-12930—2014的海堤工程案例，對于外海側，Level 2地震下允許沉降變形即使達到2 m，也可以滿足結構震后在平均高潮位下防護10 a一遇波浪的高程。

2.2 國際航運協會 PIANC規范

根據PIANC WG 34[6]的相關規定，地震破壞允許位移主要與結構性能等級、性能要求、結構高度等因素有關。表2為基于性能設計可接受的破壞等級，表3為不同結構等級S、A、B、C的性能要求，表4為根據港口工程重要性分類的結構性能等級劃分，表5為重力式碼頭允許破壞標準建議值。

對于斜坡堤結構，規范沒有明確的允許破壞標準。一般而言，防波堤破壞的主要后果是堤頂高程降低，波浪防護功能下降，對于一般情況性能等級可以按照等級C考慮；對于內側兼做碼頭、堤頂兼做道路或堤頂有皮帶機者，按照等級B考慮；堤頂設油管道時按照等級A考慮；堤頂設置液化天然氣管道時，按照等級S考慮。

由于該規范中沒有針對護岸結構的參考標準，同為水工結構，使用環境相近，對于半直立護岸，原則上參照重力式碼頭允許破壞標準的寬限標準執行(邊坡高度取堤頂高程至泥面高程的差值)，對于斜坡式結構可參照防波堤執行。

表2 基于性能設計可接受的破壞等級*1

注：*1.除了本表所示的損壞標準外，在確定損壞標準時，應考慮保護人的生命和財產安全，作為運輸的緊急基地，防止溢出危險材料(如果適用)；*2.具有有限的非彈性響應和殘余變形；*3.結構在短時間到中等時間內可以維修；*4.對周圍環境沒有顯著影響。

表3 等級S、A、B、C的性能要求

表4 根據港口工程重要性分類的性能等級

表5 重力式碼頭允許破壞標準建議值

注：*1.d為墻頂殘余的水平位移，H為墻的高度；*2.提出替代標準，水平方向相對差異位移小于30 cm。

本項目護岸后方50 m區域主要為景觀和綠化用地，沒有重要建筑物，也沒有主干道及次干道，堤后方沒有石油天然氣管線，也沒有皮帶機管廊，即使地震后有一定變形，也不會直接造成重大人員傷亡，不存在危險材料泄露等風險，影響不嚴重，可以修復。綜合考慮，對于直立段，抗震防護安全等級取等級B，Level 1地震下很小或無破壞，Level 2地震不倒塌，參照的允許變形取邊坡高度的10%，為90～160 cm。對于斜坡堤，結構抗震防護安全等級原則上可取為等級B或等級C，考慮一個項目防護標準的統一性，取為等級B，根據以往項目的經驗，斜坡堤頂部允許沉降(豎向變形)為最大護面塊體直徑的一半或1 m中的小值。

2.3 美國聯邦應急管理署FEMA標準

根據FEMA-65[7]，對于大壩工程，根據變形的嚴重程度(可用堤頂的富余高度損失和導致堤身管涌或基礎失效的可能性)來判斷大壩在地震荷載下的預期性能。根據建議，沿主破壞面的允許變形限值約為61 cm。

2.4 日本港口技術標準OCDI

根據OCDI 2009[8],對于Level 1地震，重力式結構建議的允許位移為10 cm。

對于Level 2地震，允許變形標準可根據結構的現場條件、性能要求、結構類型等設定如下。

1)特別指定的應急供應運輸抗強震設施允許殘余變形可以設定為30～100 cm的標準，并且允許的剩余傾斜角可以設定為大約3°。例如，對于有準備緊急恢復系統、有儲備應急恢復的材料，則可以判斷即使在大變形的情況下，也能夠確保可服務性，可以設定允許的變形約為100 cm。

2)特別指定的干線貨物運輸抗強震設施允許殘余變形根據可以恢復預期功能的時間設定。在特別指定的干線貨物運輸抗強震設施中，為了確保起重機與系泊設施具有相同水平的抗震性，起重機安裝了隔震/阻尼器。在這種情況下，分析系泊設施和起重機的動態相互作用的地震響應，并將起重機的結構構件的響應設定在彈性極限內。軌道跨度的相對變形極限應根據安裝在軌道上的貨物裝卸設備的特性設定。例如，如果起重機支腿的彈性變形范圍極限是70 cm，并且地震阻尼器的極限(位移行程)是30 cm，則軌道跨度的相對變形的極限可以設定為100 cm。

3)常規的應急供應運輸抗強震設施允許的殘余變形必須考慮到在Level 2級地震下地面運動變形后的一段時間后能夠處理貨物。對于殘余水平變形，一般可以設定在大約100 cm或更大的數值。

2.5 阿拉斯加地質評估標準委員會

破壞分類根據場地破壞位移情況分類見表6[9-10]。

表6 不同破壞等級分類對應的位移

由表6可知，對破壞等級的定義為：小于3 cm為基本不破壞；15 cm為輕微破壞；30 cm為中等破壞；90 cm為顯著破壞；300 cm為災難性破壞。

2.6 其他國際標準有關位移限制的建議

根據加拿大哥倫比亞特區河堤抗震設計規范[11]，對于河堤工程，不同性能類別允許的堤頂位移見表7。

表7 不同性能類別允許的堤頂位移

注：性能類別A為堤身無明顯損壞，地震后防洪能力不受影響；B為堤身有一些可修復的損壞，地震后防洪能力不受影響；C為堤身有重大損害，地震后防洪能力可能會受到影響。

為確保泄洪能力和防洪能力不受影響、防止次生災害發生，對堤防工程位移限制相對較嚴。本工程不存在影響防洪或產生次生災害的問題，因此允許位移可以超出上述限制。

根據長灘碼頭設計標準POLB WDC V4 2015版[12]，對港口碼頭結構使用Newmark滑塊法，岸坡永久自由場允許變形值為：運營水平地震時小于75 mm；偶遇水平地震小于300 mm；規范設計水平地震小于900 mm。若岸坡自由場變形小于上述限值，則不須進行樁基的動力分析；如果超出上述限制，樁基需要進行動力分析。本工程護岸范圍沒有樁基，允許位移可以超出上述限制。

3 位移控制標準及分析結果

3.1 允許位移限值

根據項目規劃，項目護岸后方50 m區域主要為景觀和綠化用地，沒有重要建筑物，也沒有主干道及次干道，而護岸結構破壞，堤頂的破壞面主要在30 m之內，即使地震后有一定變形，影響也不嚴重，可以修復。綜合以上因素，本次抗震設計的位移控制目標為：圍堰及護岸結構整體穩定按照抗震設計采用位移法分析，地震波采用地震專項評估報告推薦的與本項目場地特征反應譜相匹配的地震波，控制Level 2(475 a一遇)地震下16條地震波平均位移小于90 cm，Level 1(72 a一遇)地震下16條修正地震波平均位移小于30 cm。

3.2 結構地震位移計算結果

根據工程條件，位移分析采用核心程序基于美國地質地震局的SLAMMER程序的SLIDE2018軟件計算，推薦方案地震位移分析結果為：

1)對于Level 2地震(0.44g)，直立段平均位移75 cm，最大為90 cm，最小42 cm；斜坡段平均位移45 cm，最大位移75 cm，最小18 cm，滿足90 cm限制的要求。

2)對于Level 1地震(0.28g)，直立段平均位移9.3 cm，最大為11.7 cm，最小3.8 cm；斜坡段平均位移3.3 cm，最大位移9.1 cm，最小0.4 cm，滿足30 cm限制要求。

4 位移敏感性分析

選用項目對應Level 1和Level 2的地震波，對不同規范擬靜力分析安全系數為1.0(臨界加速度=峰值加速×水平地震系數)時的工況進行位移分析，得到了適用于本項目場地地震反應譜，最終位移和臨界加速度與峰值加速度比值之間的關系，主要結果見表8。由表8數據可知，采用不同規范建議的擬靜力分析穩定滿足要求，并非結構位移為零的絕對安全，而是結構位移處于一個較小的數值。

表8 不同臨界加速度與殘余位移的對應關系

續表8

地震等級臨界加速度與Level 1峰值加速度的比值臨界加速度g∕(m·s-2)Level 1地震位移0.28g(Ia=1.8)∕cmLevel 2地震位移0.44g(Ia=5.2)∕cm對應擬靜力分析0.6670.1860.210.7CIRIA C7310.6000.1680.515.0PIANC WG340.5000.1401.524.6ASCE 61-140.4000.1123.641.00.3330.0936.358.8POLB v40.3000.0848.471.10.2860.0809.477.40.2500.07012.896.6JTS 146Level10.2220.06216.4116.20.2000.05620.1136.10.1800.05123.9156.20.1670.04727.8176.40.1500.04233.1203.60.1420.04035.7217.20.1250.03543.9258.40.1110.03152.1299.70.1000.02860.4341.2

注：Ia為地震的阿里亞斯烈度(Arias intensity),單位為m/s。

如果基于Level 2地震(0.44g)，擬靜力分析采用PIANC(或CIRIA C731[13]、ASCE)建議的水平地震系數，Level 2位移只有2.5 cm(或1.3、5.8 cm)，而Level 1位移幾乎為0，結構破壞可以忽略；采用POLB V4時，Level 2位移為22 cm，Level 1位移僅為1.2 cm;采用JTS146時，Level 2位移為43 cm，Level 1位移僅為3.8 cm，相對安全。

如果基于Level 1地震(0.28g)，擬靜力分析采用PIANC(或CIRIA C731)[或ASCE]建議的水平地震系數，Level 1位移只有0.5 cm(或0.2、1.5 cm)可以忽略，而Level 2位移為10～25 cm，結構破壞十分有限；采用POLB V4時，Level 1位移為6.3 cm，Level 2位移為59 cm；采用JTS 146時，Level 1位移為12.8 cm，Level 2位移為96.6 cm，破壞比較明顯。

因此，采用擬靜力分析安全系數滿足要求，并不代表結構無破壞，而是位移比較小、結構損壞處于可接受的相對安全水平。基于JTS 146擬靜力分析“臨界安全”下的地震位移，明顯大于采用其他國際規范。但地震加速度為0.28g以下時，即使采用JTS 146進行擬靜力分析安全系數為1.0時，位移也在15 cm以內(不計液化和震陷)，對于一般的工程屬于可接受的安全水平。

5 結論

1)國際主流規范對于護岸工程的地震殘余位移雖無統一要求，但一般來講，Level 1地震位移原則上可以忽略不計或有少量位移，但基本不影響使用，Level 2地震根據功能要求確定，對于破壞后果嚴重(如大壩、堤防等)容易產生次生災害的，或破壞不易修復的(如邊坡區存在樁基)，位移限制稍嚴格；對于破壞后不會造成重大人員傷亡和財產損失、震后一段時間內可以修復的位移略寬松。

2)參照ISO規范時，Level 2地震允許的殘余位移須滿足震后在平均高潮位下，可防護10 a一遇波浪。

3)參照PIANC標準時，根據護岸后方的道路管線等使用功能綜合確定防護等級，對于無特殊要求的B防護等級，Level 2地震允許位移可取邊坡高度的10%。

4)參照OCDI標準時，對于常規工程，Level 2地震允許的位移可取100 cm左右。

5)參照FEMA大壩防護標準時，震后變形不應導致管涌流土或基礎失效等風險，允許的位移可控制為61 cm；對于普通海島護岸工程則偏于嚴格。

6)參照阿拉斯加地質委員會標準時，尚未達到災難性破壞的較大位移為90 cm。

7)當邊坡區域存在樁基或結構作為大堤防洪功能時，Level 2下的位移不宜超過30 cm。

8)結合規劃和使用特點，馬尼拉濱海新城項目位移控制標準為:Level 2地震(0.44g)不超過 90 cm,Level 1地震(0.28g)不超過 30 cm(實際位移不超過12 cm)。

9)邊坡抗震采用擬靜力分析且安全系數大于1.0不代表沒有位移。如采用JTS規范進行擬靜力分析，當地震加速度小于0.28g時(Ia=1.8)，安全系數1.0對應的地震殘余位移一般在15 cm以內，當地震加速度更高時，即使安全系數大于1.0，地震殘余位移仍有可能超出使用要求。