潮汐河口土石堤除險加固達標方案研究

濮 勛，張麗芬

(上海市水利工程設計研究有限公司，上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061)

長江口是中等強度的潮汐河口，是一個陸海雙相，潮流強，徑流大，且挾沙亦多的河口，在平面上呈三級分汊、四口入海的河勢格局，水動力環境極為復雜[1]。橫沙島為長江口南北港入海汊道之間的河口攔門沙淺灘，通過人工灘涂整治措施[2-3]，橫沙島周邊岸線漸趨穩定。

為降低工程投資和實施風險，整治堤防岸線一般在灘涂促淤工程的基礎上實施，由于灘地為新淤積土，承載力較低，堤防多采用適應地基變形能力較強、造價較低的土石斜坡堤，但由于潮波流作用、堤防沉降以及施工質量等問題導致反濾結構失效時有發生，堤身土體流失后逐漸形成空洞、塌陷，危及堤防安全。

橫沙東灘促淤圈圍(三期)工程位于橫沙島北沿，北堤為2級堤防，長3722.5m，原設計標準為50年一遇高潮位加10級風上限，屬于一線海塘，在原拋石促淤壩的基礎上進行傍寬，堤身筑堤材料為充泥管袋+堤芯吹填砂，外側護面采用石塊、柵欄板等消浪結構。北堤自2008年建成以來，沿線陸續出現堤身土體流失形成空洞、塌陷的險情，且呈持續發展的趨勢。

對于堤身空洞，一般采用物探方法進行探查，但北堤介質層較為復雜，一般物探方法較難完全探明堤身空洞[4]。為消除北堤安全隱患，結合《上海市海塘規劃(2011～2020)》[5-6]北堤防御標準提高至100年一遇的總體要求，堤防達標方案在詳細進行空洞探查的基礎上，研究封堵方案，采取加高墻頂高程、坡面加糙等方法[7-8]，以及研究設置消浪潛壩削弱外海來波作用等，為類似工程的設計提供借鑒。

1 海塘現狀及破損原因分析

1.1 海塘現狀

北堤為斜坡式土石堤，堤身采用充泥管袋內外棱體與堤芯吹填土，堤腳利用原促淤壩結構，外棱體緊靠原拋石壩內側構建。堤頂設置漿砌塊石防浪墻，堤頂路面高程為8.05～8.65m，墻頂高程為9.25～9.85m，堤頂道路寬6m。外坡為復式斷面，上下護坡均為柵欄板結構，坡比1∶3，柵欄板下方設有干砌塊石，灌砌塊石消浪平臺高程5.5m，寬度5m。內坡采用草皮護坡，內青坎寬20m，高程3.5～4.0m。原促淤壩采用樁式離岸堤結構，管樁與拋石壩之間間距為30m，拋石壩壩頂高程3.50m，頂寬3.30m，內外坡比均為1∶1.5。管樁為PHC樁，頂標高4.00m，樁長12.0～15.0m，樁徑0.6m，透空間距0.4m。

2011—2015年北堤多次出險，堤身破損主要表現在大方腳破壞、外側坡面及平臺塌陷、空洞、柵欄板拉裂、防浪墻傾斜等，從塌陷段搶險時消浪平臺結構開挖情況看，平臺下空洞非常嚴重。堤身破壞情況如圖1所示。

圖1 堤身破壞情況

歷次搶險工程中對大堤大方腳修復、空洞的回填、平臺的修復及局部的壓密注漿在一定時間內起到了局部消除險情，但由于未從根本上封堵堤身土體的流失通道，堤身破壞呈現出范圍增大、程度加深的趨勢。

1.2 堤身破損原因分析

堤身破損主要表現在堤身土方流失，出現空洞，外側護坡結構及平臺局部凹陷、開裂或斷裂。分析堤身土方主要從堤腳拋石壩以及坡面兩個通道流失。

(1)北堤外坡平臺及下坡坐落在原拋石促淤壩上，由于促淤壩為拋石松散結構，促淤壩在風浪的作用下下沉，引起堤身土方與拋石壩之間反濾結構拉裂失效。在潮水的反復漲落潮作用下，造成堤身吹填砂經堤腳拋石壩空隙通道流失。

(2)北堤外側護坡結構為干砌塊石上加柵欄板，推測由于干砌塊石之間的三角縫較大，存在質量缺陷。在長期紫外線的照射下，干砌塊石縫隙下的袋裝碎石袋布老化，造成反濾結構失效。另外，北堤實施時條件較為惡劣，充泥管袋坡面削坡整平以及受到寒潮波浪打擊破損較為普遍，在風浪長期作用下，堤身土方從損壞、失效的反濾結構處流失，從而引起了上下坡干砌塊石沉陷，進一步引起柵欄板拉裂等破壞。

2 堤身密實性探查

由于堤身土體流失的情況由來已久，堤身疏松帶和坡面存在空洞的情況較為普遍，且為逐步發展，疏松或空洞無法從表觀或肉眼看出，采用破壞開挖查找不現實也對大堤安全不利。因此，探明堤身的密實性是本工程的關鍵。

2.1 探查方法

由于北堤筑堤介質復雜，單一的方法如地質雷達、高密度電法等較難準確探明空洞情況。本次在地質雷達探查基礎上，結合現場調查，在典型斷面處布置高密度電阻率法、靜力觸探試驗以及部分開槽等方法對地質雷達探測成果進一步驗證，為地質雷達圖片解釋提供了有力的證據。技術工作路線流程如圖2所示。

圖2 技術工作路線流程圖

(1)地質雷達法

探地雷達[9]是近年來一種新興的地下探測與混凝土建筑物無損檢測的新技術，具體工作原理：當雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況。

(2)高密度電阻率法探查

高密度電阻率法[10-11]屬于直流電阻率法的一種，是將電剖面和電測深結合為一體，利用地下介質導電性的差異性，在人工施加電場的作用下，不同介質傳導電流的變化，引起電阻率值在不同的區域間變化，反演推斷地下地質情況，二維地電斷面成像，反映地下地質情況。

(3)靜力觸探試驗

靜力觸探技術是在靜力作用下，機械設備將探針按照一定的速度插入土壤中，探針上設置探測器，會直接對穿透進入土壤過程中阻礙力進行記錄，內部系統會通過設置的算法，對探針反饋的阻力數據進行分析，進而能夠確定出探測土壤的物理、機械性能[12]。

2.2 測線布置

本次地質雷達探測，分別在下坡4.0m高程處、平臺5.5m高程外邊處、平臺5.5m高程中線處以及上坡6.5m高程處，共布置4條縱向探測線和36條橫向探測線。高密度電阻率法剖面位于平臺5.5m高程距離外側邊緣0.5m：Ⅰ線(0+243～0+303)、Ⅱ線(2+780～2+840)。在實施過程中結合現場調查，在典型斷面處布置靜力觸探試驗以及部分開槽等方法對探地雷達探測成果進一步驗證。物探剖面布置示意圖如圖3所示。

圖3 物探剖面布置示意圖

2.3 探查結果

根據地質雷達探測資料進行解釋及推斷，并對地質雷達成果判讀疑似問題區域，采用靜探試驗、高密度電法及現場開槽等方法進行驗證[4]。經綜合驗證，探測范圍內，各探查方法探明的堤身情況基本相符。

參照上海市工程建設規范DGJ 08-37—2012《巖土工程勘察規范》中表10.2.7中利用靜探判別砂土密實度的有關規定，結合進行相應的濾波、放大等處理分析后的探地雷達初步成果、現場施工及調查情況等進行綜合確定，測區異常雷達曲線主要分為以下四種：嚴重疏松區段、一般疏松區段、淺部空隙區段、正常區段。各類型異常曲線對應靜探Ps值、雷達成果特征見表1。

具體分布詳見表2。從表2中可見，4條測線位置堤身土體空隙情況大致相同，根據堤身疏松程度不同，提出不同的堤身的加固方案。

3 堤身加固方案

根據破損原因，一是加固出現疏松、空洞的堤身；二是封堵堤身土方從堤腳拋石壩以及坡面流失的通道。

3.1 堤身疏松空洞區填堵

堤身空洞填堵結合外坡維修，將原坡面結構拆除后采用道渣回填夯實，并對護坡反濾結構及柵欄板進行重建。同時，根據物探成果，對不同疏松程度的堤身采取不同數量和范圍的壓密注漿進行輔助加固。

表1 各種異常曲線類型對應靜探Ps值、雷達特征

表2 物探成果匯總表

圖4 方案一：高壓旋噴樁封堵方案

圖5 方案二：模袋混凝土封堵方案

3.2 堤腳保土處理

綜合考慮投資造價、實施難度、保土效果、后期隱患等方面，比選以下兩組方案。

方案一：高壓旋噴樁封堵方案

在原拋石壩內側4.0m高程設置高壓旋噴樁封堵堤身土方從拋石壩流失的通道。具體方案詳如圖4所示。

方案二：模袋混凝土封堵方案

拆除原拋石壩外側扭王塊體及四腳空心方塊后，鋪設反濾層，再對原拋石壩灌黃砂、石子。然后沿坡面鋪設0.3m厚模袋混凝土，最后坡面安放扭王塊體。方案詳如圖5所示。

方案一采用的高壓旋噴樁在一些海堤加固工程也有所應用[13]，但是本工程高壓旋噴樁需穿過拋石壩，并位于坡面上，施工時需搭設支架，施工難度較大，工序復雜，需趕潮作業，漿液流失量大，工期較長，費用較大。同時，由于高壓旋噴樁穿越拋石層，檢測難度較大。

方案二采用的模袋混凝土在堤防工程的小風區中應用廣泛，施工工藝及檢測方法都較為成熟。本區域風浪大，模袋混凝土在運行過程中受到風浪打擊，容易產生開裂等現象，為了避免波浪直接作用于模袋混凝土上，本次在模袋砼表面利用原有扭王塊體加強保護。根據物模試驗成果，在外側建有拋石順壩的前提下，模袋混凝土護面上安放的1t扭王塊體可確保穩定。同時，兩種方案工程費用相差不大，故推薦采用模袋混凝土封堵。

4 達標方案

4.1 達標措施

常用的海塘達標措施主要有：加高防浪墻、設置消浪潛壩、加寬加高消浪平臺以及增加坡面消浪糙率。

結合北堤原斷面形式，現狀堤腳為拋石壩，加高加寬消浪平臺難度較大，且容易產生新老堤身帶來的不均勻沉降，故不考慮改變消浪平臺尺寸。

原護面結構為柵欄板，消浪效果較好，常用消浪塊體中僅扭王塊體和扭工塊體優于柵欄板，但提升幅度有限，為保持與鄰近海塘統一協調，外坡消浪結構仍采用柵欄板護坡。

現狀漿砌塊石防浪墻存在傾斜、開裂以及錯縫的現象，在老墻基礎上加高難度大，采用拆除后新建鋼筋混凝土防浪墻。

對于是否設消浪潛壩，分析如下：海塘工程實施10年以來，北堤外側灘地的演變主要與北港河槽反“S”形態的發展及上游500m長丁壩護灘工程的掩護作用有關。工程區外北港主槽仍向橫沙島緊貼，-5m線以下呈沖刷態勢，最大后退約50m，-10m線離岸400～500m，最大后退約100m。堤前的管樁內外側灘面高程變化較小，變化幅度0.2m以內。龔崇準[14-15]等研究的離岸式管樁結構可有效消減作用于灘地上的波浪，并在較大范圍內改變波浪形態，使破波轉變為淺水推進波，改善灘上的水流波浪等動力條件，保護灘地免受波浪的淘刷，但透空管樁相對連續結構，其消浪效果略差，北堤受強風向NE向波浪正向作用為主，主堤與管樁之間未形成淤積區，堤腳的拋石壩直接受波浪和潮流的作用。

結合前沿主槽逼岸的態勢，有必要增設封閉型的消浪潛堤，減小風浪對大堤的直接作用，穩定護面塊體，降低波浪爬高。同時，在外側實施消浪潛壩后，消浪潛壩和大堤之間的灘地勢必會有所淤積，可以有效切斷堤身底部拋石的土體流失通道，隨著時間的推移，原堤腳拋石壩外側的防護也會得到改善，達到保土的效果。

由于消浪潛壩的位置、壩頂高程及寬度對消浪效果均有較大影響，以下采用公式計算和物模試驗[16]兩種方法對新建拋石順壩設置的位置、壩頂高程以及壩頂寬度進行了研究，以確定最優方案。

4.2 潛壩位置及壩頂高程比選

4.2.1物模試驗成果分析

考慮現有管樁及砼聯鎖排體護底結構對施工和投資的影響，重點比較了拋石順壩緊靠管樁壩外側和設置在管樁壩外1/2倍波長的位置，同步比較壩頂高程3.7m(略高于多年平均高潮位3.32m)和4.5m(略高于現有管樁頂高程)。

物模試驗采集了不同方案在不同工況時的波高值，以驗算主堤堤頂波浪爬高、越浪量及上、下坡及堤腳護面結構的穩定性。

100年一遇高潮位及以下設計標準時設計波要素見表3，不同方案實測堤前波高值見表4。

根據物模試驗結果，不同潛壩設置方案均能起到一定的消浪作用，潛壩越高和壩頂越接近潮位時消浪效果越好。同一位置時不同壩頂高程、或不同位置時相同壩頂高程，對主堤前的波高值影響差別不明顯。上述不同方案時的波浪爬高、越浪量及護面塊體穩定均能滿足要求。

由于拋石潛壩緊靠管樁壩外側設置時，灘地相對較高，且可利用現有砼排體，工程投資較省，推薦拋石順壩緊靠管樁壩外側設置。

4.2.2公式計算分析

根據GB/T51015—2014《海堤工程設計規范》，新建順壩消浪作用可按照下式考慮。

表3 設計波要素表

注：*表示破碎波高。

表4 不同順壩在不同工況時堤前波高值

海塘前沿灘地上設有潛堤時，潛堤后的波要素可按下式計算，由潛堤后的波要素作為堤前波要素，并計算其波浪爬高。

當da/H≤0，H1/H=th[0.8(|da/H|+0.038(L/H)KB]

(1)

當da/H>0，H1/H=th[0.03(L/H)KB]-th(da/2H)

(2)

KB=1.5e-0.4B/H

(3)

式中，da─靜水位到潛堤堤頂的垂直高度，當潛堤出水時取正值，淹沒時取負值；H—堤前波浪爬高；H1—潛堤后的波浪爬高；B─潛堤堤頂寬度；KB—系數；L—波長。

根據式(1)、(2)，在消浪潛壩頂寬固定為3.0m的情況下，比較不同消浪潛壩高程情況下(2.5～5.5m)堤頂高程計算值的變化，堤頂高程計算值與消浪潛壩頂高程的關系曲線如圖6所示。由圖6可見，對于固定的消浪潛壩頂寬，消浪潛壩頂高程越大，壩后堤頂高程計算值越小，且兩者呈現二次曲線的關系，消浪潛壩高程2.5m情況下，計算頂高程為10.28m，消浪潛壩高程5.5m時，計算頂高程為9.81m，即消浪潛壩頂高程每加高0.1m，堤頂計算高程平均可下降約0.016m，消浪潛壩頂高程越高，堤頂高程相對可下降越多。

圖6 順壩頂高程與堤頂高程關系圖

新建潛壩頂高程的抬高引起工程量以及工程投資的增加，壩頂高程3.7m與4.5m相比，主堤頂高程增加約0.13m，順壩與主堤的投資增減基本相當，新建順壩壩頂高程擬定為3.70m。

4.3 新建順壩壩頂寬度比選

根據GB/T51015—2014，新建順壩壩頂寬度對消浪效果也有一定影響，在固定新建順壩頂高程為3.70m的情況下，比較不同消浪潛壩寬度情況下(2～4.5m)堤頂高程計算值的變化，堤頂高程計算值與消浪潛壩頂寬的關系曲線如圖7所示。由圖7可見，對于固定的消浪潛壩頂高程，消浪潛壩頂寬越大，壩后堤頂高程計算值越小，兩者基本為線性關系，消浪潛壩頂寬2m時，堤頂高程計算值為10.23m，消浪潛壩頂寬4.5m時，堤頂高程計算值為10.12m，即消浪潛壩頂寬度每加寬0.1m，堤頂計算高程可下降0.004m。

圖7 順壩頂寬與堤頂高程關系圖

可見，隨著新建順壩體量的不斷增加，堤頂高程逐步降低，但與此同時工程投資也不斷增加。

本次綜合流失通道封堵效果、消浪效果、工程投資以及施工便利性，潛壩加快堤腳前淤積以及有利于堤身保土，推薦采用緊靠管樁壩外側增設拋石順壩，壩頂高程為3.70m，寬度3.0m，同時采用0.5m厚袋裝碎石和0.3m厚模袋混凝土封堵原拋石壩灘地以上縫隙方案。

5 結語

本文以橫沙東灘促淤圈圍(三期)北堤為例，采用多種探查方法調查堤身空洞，結合波浪物理模型試驗等，研究了除險加固達標方案。

(1)堤身以土體為主的土石堤發生塌陷空洞等出險的主要原因是土體與護面塊石之間反濾結構的不完整。

(2)北堤筑堤材料較為復雜，提出地質雷達、高密度電法以及靜力觸探等多種探查方法相結合并互為驗證的方式較準確地反應了堤身土方疏松與空洞情況，后期在施工過程中也驗證了探查的準確性。

(3)采用模袋混凝土封堵原堤腳拋石壩，并結合外側半波長位置新建潛壩的方式既減小風浪對大堤的直接作用，又可以加快主堤堤前灘面淤積，發揮保土及達標雙重效果。

目前達標建設后的堤防運行安全，已經受住了多次臺風考驗。