廣東省某混合式海堤提標結構比選分析

劉鵬晨

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

海堤是沿海地區抗御臺風風暴潮災害，保障經濟社會發展和人民群眾生命財產安全的重要基礎設施。近年來混合式海堤在我國東南沿海的海堤工程中較為多見，國內學者對混合式海堤已進行了較多的研究[1-3]，但是目前混合式海堤的提標加固設計斷面復雜多樣，即使是同地區相鄰岸段的海堤提標斷面也大相徑庭，采用不同海堤堤型及護面形式會導致相鄰岸段海堤設計墻頂高程不統一，甚者相差數十厘米。從保證防洪潮體系封閉和景觀協調一致性角度考慮，建議對于風浪要素和地質條件類似的相鄰工程岸段采用堤型和護面一致的提標斷面。本文以廣東省某混合式海堤提標工程為例進行提標斷面設計，可為同類混合式海堤提標工程提供案例參考。

1 工程概況

1.1 海堤現狀

工程位于珠江河口黃茅海東岸，岸線呈東南—西北走向，現狀海堤防洪標準為50a一遇按允許部分越浪設計，斷面型式為斜坡式與陡墻式結合的混合式斷面，于2016年竣工，如圖1所示。海堤在原結構堤身上培高拓寬，設計堤頂高程3.80m，設計防浪墻頂高程4.70m，臨水側設置7m寬整齊堆砌拋石平臺，面層拋石塊重500kg，背水側邊坡按1∶3的斜坡設計，表面鋪設草皮護坡，如圖2所示。

圖1 現狀海堤設計斷面圖

圖2 海堤現狀

1.2 提標要求

鑒于工程岸段位于臺風經常途經的區域，海水涌入堤內時有發生，給堤圍內人民群眾生命、財產造成了較大的損失。為降低災害風險、保護人民生命財產安全，該工程將海堤防洪標準從50a一遇提標到100a一遇，按允許部分越浪設計，根據區域重要性和規劃要求，工程等別為Ⅱ等，海堤級別為2級。

1.3 工程地質

該工程場地廣布軟土層，厚度較大，為不穩定土體，地基承載力小，深部地層為花崗巖風化層，其分布相對穩定，深層地基穩定性較好。

2 技術參數

2.1 設計水位

三灶潮位站離該工程區較近，且潮位觀測資料均經過整編，資料完整可靠，因此選取三灶潮位站作為參證站。該工程對參證站三灶站系列延長至2018年（考慮了2017年“天鴿”和2018年“山竹”特大臺風的影響），得到100a一遇高潮位（P=1%）為3.95m。

2.2 設計波浪要素

根據工程附近水域波浪特征及演化規律分析，采用以風浪生成與演化的方向譜計算模型（SWAN模型）對工程區附近的設計波浪要素進行了計算，給出了特征位置堤前淺水波要素，具體見表1。

表1100 a一遇高潮位海堤堤前淺水波要素計算成果表

3 提標斷面設計

3.1 海堤堤型

海堤按斷面外形一般可分為斜坡式、陡墻式和混合式三種基本型式。其中斜坡式海堤適宜于占地范圍較寬的海灘，構造簡單，維修方便，同時適宜各種地基；陡墻式海堤占地少，地基應力大，適宜于承載力較好的地基。混合式海堤兼顧兩種堤型的優點，具體見表2。

該工程海堤堤基坐落于軟土層，地基承載力值小，考慮到現狀海堤外坡有足夠的位置設置消浪設施，綜合地基適應性及經濟性考慮，提標斷面推薦采用斜坡式或混合式海堤型式。

3.2 護面結構

調研該地區常用的護面型式，四腳空心塊體、柵欄板和拋石護面應用較為廣泛，現對三種護面型式進行技術經濟比選，見表3。

拋石護面施工要求低、經濟性好，但是結構抗沖安穩性、質量控制和消浪能力較弱，不利于堤身結構的長期穩定；四腳空心塊體和柵欄板雖然在經濟性上不具優勢，但其對結構安全有保證，且消浪能力和景觀效果更優，從長遠角度考慮，采用四腳空心塊體和柵欄板護面方案較為合理。

表2 海堤堤型優缺點比較表

3.3 防浪墻加固

現狀防浪墻設計墻頂高程4.70m，實測資料表明堤身已發生不同程度的沉降，存在較大的欠高。現對原防浪墻部分鑿除后采用小擋墻加高、原防浪墻整體拆除重建兩種方案進行比選，見表4。

（1）方案一保留原墻主體結構，將防浪墻頂部鑿除至原新老墻體結合面，然后新建小擋墻接高至設計標高，與老結構結合處采用種植鋼筋連接。

（2）方案二將原防浪墻完全拆除，利用原防浪墻較好的地基作為新建防浪墻基礎，新建防浪墻結構。

方案一工程量小、經濟性好，且施工期防汛安全隱患小，方案二防浪墻整體性好。鑒于該工程海堤現狀防浪墻墻身基本完整，防浪墻加固擬采用方案一，如圖3所示，即保留原墻主體結構，鑿除部分上部結構后采用小擋墻加高。此外，為減小迎水面波浪對新老墻結合部分的沖刷破壞，在迎水面增加鋼筋混凝土護面以加強新老墻結合部位抗風浪安全設計。

表3 護面結構技術經濟比較表

表4 防浪墻加固方案比選表

圖3 防浪墻推薦加固方案（單位：mm）

3.4 提標斷面設計

3.4.1 堤頂高程計算

該工程按照100a一遇潮位設計，允許部分越浪考慮。

根據《廣東省海堤工程設計導則》[4]（DB44/T 182—2004），堤頂高程是指海堤沉降穩定后的堤頂高程，應根據設計高潮位、波浪爬高及安全超高值按下式計算。

式中：Zp為設計頻率的堤頂高程，m；hp為設計頻率的高潮位，m；RF為按設計波浪計算的累積頻率為F的波浪爬高值（海堤按允許部分越浪設計時F=13%），m；A為安全加高值，m，對于允許部分越浪的2級海堤為0.40m。

其中，設計波浪爬高按《廣東省海堤工程設計導則》（DB44/T182—2004）附錄J的規定：

（1）對于海堤為單坡結構型式且0＜m＜1時，波浪的爬高計算或按下式估算：

式中：K△為與護面結構型式有關的糙滲系數；KV為與風速及堤前水深有關的經驗系數，查表確定；R0為不透水光滑墻上相對爬高，查圖確定；H1%為波高累積率F=1%的波高值；KF為爬高累積頻率換算系數。

（2）對于海堤為單坡結構型式且m=1.0~5.0時，波浪的爬高計算或按下式估算：

式中：R1為K△=1，H=1m時的爬高值，由計算確定。

帶有平臺的復合斜坡堤的波浪爬高，可先確定該斷面的折算坡度系數me，再按坡度系數為me的單坡斷面確定其爬高。

對于陡墻式或混合式海堤波浪的爬高可采用海堤為單坡結構型式0＜m＜1時式（2）計算其波浪爬高，對于單坡或復坡m=1.0~5.0時的斜坡式海堤波浪爬高可按式（3）確定。

3.4.2 越浪量計算

圍繞區域“濱海城市、溫泉之鄉、夢里家園”的規劃定位，本工程堤內將打造海濱特色的沿海景觀帶，海堤提升宜在滿足防洪（潮）安全的前提下，兼顧濱水景觀的要求，盡量降低墻頂高程。根據《廣東省海堤工程設計導則》（DB44/T182—2004）（規定，對于允許部分越浪的海堤，當防浪墻墻頂高程不能達到計算高程時，墻頂高程可采用越浪量控制。

（1）根據《廣東省海堤工程設計導則》（DB44/T 182—2004）附錄K，無風條件下，1∶0.4陡坡上（帶防浪墻）的越浪水量可根據下式計算：

式中：q為單位時間單寬海堤上的越浪水量，m3/（s·m）；HC為防浪墻頂至靜水位（設計高潮位）的高度，m；H為堤前平均波高，m；T為波周期，s；A、B為經驗系數，查表確定；K△為與護面結構型式有關的糙滲系數。

有風的越浪量為無風條件下的越浪量乘風校正因子K’。

（2）根據《海堤工程設計規范》（GB/T51015—2014）[5]附錄F，斜坡式海堤1.5≤m≤3.0堤頂有防浪墻時，堤頂越浪量可按下式計算：

式中：b1為坡肩寬度，m；TP為譜峰周期，TP=1.33T，s；B為經驗系數，查表確定；KA為護面結構影響系數。

對于陡墻式海堤的堤頂越浪量可采用式（4）確定，對于單坡或復坡斜坡式海堤的堤頂越浪量可按式（5）確定。由于大部分混合式海堤斷面較復雜，很難在規范中找到適用條件與設計斷面相似的經驗公式進行越浪量的計算，只能選取比較近似的公式，采用式（4）確定[1]。

考慮到該工程堤內將打造海濱特色的沿海景觀帶，本著經濟合理的原則，兼顧近期防洪及遠期建設的要求，堤后護坡統一按草皮護坡設計，并按照《廣東省海堤工程設計導則》（DB44/T182—2004）確定的海堤內坡為草皮護坡時的允許越浪量反算防浪墻表6 。頂高程。

3.4.3 提標斷面方案

（1）如圖4所示，方案一提標斷面采用混合式海堤。墻外新增寬度為8m，頂高程為2.30m的消浪平臺，外側以1∶2.5的坡比放坡至拋石護腳，表面鋪設1層單重1.5t的四腳空心塊體護面結構，按照100a一遇潮位設計（允許部分越浪）計算該斷面墻頂高程，墻頂標高5.30m，內坡新建1∶3.0草皮護坡。

圖4 提標斷面方案一（單位：mm）

（2）如圖5所示，方案二提標斷面采用斜坡式海堤。墻外新建復式柵欄板護坡結構，上坡柵欄板結構寬4.9m，坡比取1∶3.0，下坡柵欄板結構寬6.0m，坡比取1∶3.0，上、下坡護面結構間設5.0m寬消浪平臺，平臺頂標高為2.50m，按照100a一遇潮位設計（允許部分越浪）計算該斷面墻頂高程5.20m，內坡新建1∶3.0草皮護坡。

圖5 提標斷面方案二（單位：mm）

（3）方案比較

由表5計算結果可知，當方案一設計墻頂高程5.30m、方案二設計墻頂高程5.20m時越浪量均可以滿足《廣東省海堤工程設計導則》（DB44/T182—2004）關于海堤內坡為草皮護坡時的允許越浪量上限值0.02（m3/（s·m））的要求，其中方案二設計墻頂高程稍低，對于沿海景觀帶的開發更具優勢。分別對兩個方案進行建安費估算，方案一估算2.60萬元/m，方案二估算2.65萬元/m，造價相近，從提升工程防災減災功能以及綜合經濟適用性和美觀角度考慮，兩個方案均是合適的。

表5 各方案堤頂高程及越浪量計算結果匯總表

該工程海堤堤基坐落于軟土層上，堤身加高培厚產生的新增荷載會引起堤身沉降，為保證海堤沉降穩定后的堤頂高程滿足設計要求，海堤完工時需預留一定的工后沉降量。以方案一為例進行堤基沉降計算，設計基準期按10a考慮，堤身基準期內殘余沉降量為23.6cm，堤外護坡基準期內殘余沉降量為23.8cm，綜合該工程現狀地形、地質和施工等各方面因素，同時結合地區經驗，該工程堤身、內外護坡均預留25cm工后沉降以滿足設計標高要求，數據見

表6 沉降計算成果表

4 結 語

近年來混合式海堤在我國東南沿海地區的應用已越來越廣泛，本文以廣東省某混合式海堤提標工程為例，對提標斷面堤型、護面結構、防浪墻加固方案進行比選分析，從提升工程防災減災功能以及綜合經濟適用性和美觀視角論證了案例提標斷面的合理性，同時，考慮場地廣布軟土層的地質特性，計算確定預留工后沉降量以保證設計基準期內堤頂高程要求，為類似地質條件下的混合式海堤提標設計提供了借鑒。