陳建勇，王 玨

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

上海海堤達(dá)標(biāo)-工程中加寬消浪平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)
--以奉賢區(qū)某海大堤達(dá)標(biāo)工程為例

陳建勇，王 玨

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

以上海市奉賢區(qū)某海堤達(dá)標(biāo)工程為實(shí)例，介紹了加寬消浪平臺(tái)的達(dá)標(biāo)結(jié)構(gòu)斷面方案設(shè)計(jì)。通過方案對(duì)比分析，論證了案例項(xiàng)目采用加寬消浪平臺(tái)方案的合理性，并總結(jié)了加寬消浪平臺(tái)方案的適用條件，可為上海沿海一線海堤達(dá)標(biāo)工程設(shè)計(jì)提供參考。

海堤(海塘);達(dá)標(biāo)工程;消浪平臺(tái);上海市

0 前言

海塘(海堤)是保障上海抵御風(fēng)暴潮侵襲的第一道防線，其安全可靠性和防御能力直接關(guān)系上海的城市安全?！渡虾Ｊ泻Ｌ烈?guī)劃(1996-2010年)》規(guī)劃期已屆滿，同時(shí)由于沿江沿海灘涂圈圍變化，以及郊區(qū)城市化的快速發(fā)展，原海塘規(guī)劃已不能適應(yīng)新形勢(shì)下的發(fā)展要求。2013年編制的新一輪《上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)》明確了上海主海塘新的防御標(biāo)準(zhǔn)，某段海塘亦被列為近期達(dá)標(biāo)改造的工程之一。

常用的海堤達(dá)標(biāo)措施有加高堤頂高程、增加外坡消浪設(shè)施糙滲系數(shù)、加寬消浪平臺(tái)等。其中在設(shè)計(jì)條件允許的情況下，加寬消浪平臺(tái)是更為簡便、經(jīng)濟(jì)性較佳的方案。本文以奉賢區(qū)某海堤達(dá)標(biāo)工程為例，論述通過加寬消浪平臺(tái)以達(dá)到新規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)方案，以此為上海同類海堤達(dá)標(biāo)工程設(shè)計(jì)提供案例參考。

1 海堤現(xiàn)狀及達(dá)標(biāo)要求

1.1 海堤現(xiàn)狀

該工程位于杭州灣北岸，地處奉賢區(qū)南部。工程為促淤圈圍大堤，于2007年竣工，促淤面積約為333 hm2，圍內(nèi)吹填陸地暫作為農(nóng)用地，田面高程為3.5 m(上海吳淞零點(diǎn)為基準(zhǔn)，下同);工程圍堤即為一線海塘，全長5 475 m，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:圍堤為1級(jí)堤防，100 a一遇高潮位+11級(jí)風(fēng)中值(30.1 m/s)，不允許越浪。

主堤(順堤)采用與原促淤壩相分離的結(jié)構(gòu)型式，順堤中心線與促淤壩中心線相距約39 m。主堤堤身采用帶消浪平臺(tái)的復(fù)合斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤身主體由充泥管袋組合棱體與堤心吹填砂構(gòu)成;外坡護(hù)面為350 mm厚柵欄板、450 mm灌砌塊石組合結(jié)構(gòu)，上下坡面均為1∶3.0，消浪平臺(tái)寬度4.5 m，高程約5.6 m;防浪墻高1.2 m，采用鋼筋混凝土鷹咀直立式型式;堤頂寬度8.0 m，采用瀝青混凝土路面。

設(shè)計(jì)堤頂(防浪墻頂)高程為9.9 m，堤頂?shù)缆犯叱虨?.7 m;目前大堤沉降未達(dá)到施工預(yù)留量，現(xiàn)狀堤頂平均高程～8.9 m，防浪墻頂高程～10.1 m。

原設(shè)計(jì)主堤結(jié)構(gòu)斷面圖見圖1所示。

1.2 達(dá)標(biāo)要求

根據(jù)《上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)》［1］(以下簡稱《規(guī)劃》)，明確上海主海塘防御標(biāo)準(zhǔn)為:大陸及長興島主海塘防御能力達(dá)200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)，崇明島及橫沙島主海塘防御能力達(dá)到100 a一遇高潮位+11級(jí)風(fēng)。其中:大陸主海塘三甲港-蘆潮港為200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)上限，大陸其余部分及長興島為200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)下限。

該海堤位于杭州灣北岸上海區(qū)段，達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)下限(32.7 m/s)，不允許越浪?！兑?guī)劃》中通過對(duì)海堤(海塘)不利風(fēng)向條件下各定級(jí)風(fēng)的頻率分析，12級(jí)風(fēng)基本對(duì)應(yīng)于200 a一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速。

2 設(shè)計(jì)水文參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)潮位

該工程位于金山嘴與蘆潮港之間，距離金山嘴站約為26 km，距離蘆潮港站約為22 km，其設(shè)計(jì)潮位通過兩站內(nèi)插值得出，200 a一遇高潮位(P=0.5%)為6.36 m。

2.2 設(shè)計(jì)波浪要素

該工程區(qū)海域開闊，波浪作用較強(qiáng)，但由于該工程區(qū)域范圍缺乏連續(xù)的現(xiàn)場波浪觀測資料，不足以推算設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的波浪要素，因此波浪要素的計(jì)算需采用由設(shè)計(jì)風(fēng)要素間接推算的方法。

首先采用規(guī)范推薦的蒲田海堤試驗(yàn)站公式，通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的潮位及風(fēng)速(200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)下限32.7 m/s)推算該海域的離岸深水波浪要素，繼而通過淺水變形、深水波與淺水波相互關(guān)系推算堤前設(shè)計(jì)波浪要素［2］。

該工程堤前設(shè)計(jì)波浪要素計(jì)算結(jié)果見表1所列。

3 達(dá)標(biāo)斷面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)斷面方案

海堤達(dá)標(biāo)工程常采用的措施有加高堤頂(防浪墻)高程、降低波浪爬高等，其中降低波浪爬高一般可通過減小外坡消浪設(shè)施糙滲系數(shù)、加寬消浪平臺(tái)等。根據(jù)上述幾種措施，分別進(jìn)行大堤達(dá)標(biāo)斷面方案設(shè)計(jì)，并對(duì)各方案進(jìn)行合理性比選。

3.1.1 加高防浪墻

維持現(xiàn)狀主堤護(hù)面結(jié)構(gòu)，通過加高防浪墻來滿足達(dá)標(biāo)要求。該方案相當(dāng)于對(duì)原設(shè)計(jì)大堤進(jìn)行堤頂標(biāo)高復(fù)核，按照新的防御標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算波浪爬高及堤頂高程，以確定防浪墻加高的高度(方案一圖略)。

按《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，堤頂高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮位、波浪爬高及安全超高值按下式計(jì)算。

式中:ZP---設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程，m;

hP---設(shè)計(jì)頻率的高潮位，m;

RF---按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值(海塘按不允許越浪設(shè)計(jì)時(shí)F=2%)，m;

A---安全加高值，m，對(duì)于不允許越浪的1級(jí)堤防為1.00 m。

設(shè)計(jì)波浪爬高按《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E［2］的規(guī)定，對(duì)于堤坡m=1.5～5.0情況，正向來波在單一斜坡上的波浪爬高按下式計(jì)算:

式中:KΔ---斜坡糙率系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型確定;

KV---經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表確定;

KF---爬高累計(jì)頻率換算系數(shù)，查表確定;

H1%---波高累積率F=1%的波高值。

帶有平臺(tái)的復(fù)合斜坡堤的波浪爬高，可先按規(guī)范公式確定該斷面的折算坡度me系數(shù)，再按坡度系數(shù)為me的單坡斷面確定其爬高。

據(jù)此對(duì)原設(shè)計(jì)大堤進(jìn)行堤頂標(biāo)高復(fù)核(各方案計(jì)算結(jié)果匯總見表2)，若保持現(xiàn)狀外坡消浪設(shè)施及消浪平臺(tái)不變，則堤頂高程需加高至約10.74 m方可滿足規(guī)劃防御標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2 新建扭工塊體護(hù)面(降低糙滲系數(shù))

主堤結(jié)構(gòu)均予以保留，并保持原消浪平臺(tái)寬度4.50 m不變，在現(xiàn)狀主堤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在上下坡規(guī)則安放糙滲系數(shù)較小(KΔ=0.38)的扭工塊體，按照規(guī)范要求安放2層，通過降低波浪爬高來滿足達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(方案二斷面見圖2)。經(jīng)計(jì)算并考慮適當(dāng)安全系數(shù)，扭工塊體穩(wěn)定重量取2.0 t，厚度2.1 m。

按照上述波浪爬高公式計(jì)算，該方案達(dá)標(biāo)堤頂高程為9.857 m，可在堤頂不加高的情況下滿足達(dá)標(biāo)要求。

圖1 原設(shè)計(jì)主堤結(jié)構(gòu)斷面圖

表1 主堤堤前設(shè)計(jì)波要素(200 a一遇高潮位+12級(jí)風(fēng)下限)計(jì)算結(jié)果一覽表

3.1.3 加寬消浪平臺(tái)

現(xiàn)狀主堤結(jié)構(gòu)均予以保留，加寬消浪平臺(tái)至8.50 m，并在上下斜坡新建柵欄板護(hù)面，護(hù)面坡比為1∶3，通過寬平臺(tái)增強(qiáng)消浪作用(計(jì)算理論為增大其斜坡折算坡度me)，以降低波浪爬高。

新建上、下坡柵欄板采用C35鋼筋混凝土，厚450 mm，上坡柵欄板安放在現(xiàn)狀350 mm厚柵欄板上方，下坡柵欄板與現(xiàn)狀下坡柵欄板之間空隙采用10～100 kg拋石填實(shí)(拋石表層理砌)。新消浪平臺(tái)建于現(xiàn)狀消浪平臺(tái)及拋石上方，消浪平臺(tái)寬8.50 m，標(biāo)高約為6.00 m。消浪平臺(tái)采用C30灌砌塊石，厚500 mm。護(hù)坡坡底設(shè)C30灌砌塊石鎮(zhèn)腳，尺寸為1 000 mm×1 200 mm，鎮(zhèn)腳頂標(biāo)高為3.50 m (方案三斷面見圖3)。

經(jīng)計(jì)算，該方案達(dá)標(biāo)堤頂高程為9.833 m，同樣可在堤頂不加高的情況下滿足達(dá)標(biāo)要求。

3.2 方案比較

加高防浪墻方案達(dá)標(biāo)堤頂高程為10.74 m，需將防浪墻頂標(biāo)高加高約84cm，主堤防浪墻均需要重建。另外根據(jù)規(guī)范防浪墻凈高不宜超過1.2 m，若保持原堤頂路面標(biāo)高8.7 m不變，則防浪墻凈高達(dá)2.0 m以上，與規(guī)范建議值相差較大，堤頂高程過高與工程西側(cè)水上旅游度假區(qū)極不協(xié)調(diào)，完全遮擋了向外海側(cè)的視野。故在防浪墻加高的同時(shí)，需將墻后堤頂加高，堤頂路面結(jié)構(gòu)及內(nèi)坡均需進(jìn)行相應(yīng)的加高改造，造成工程量較大、施工困難的問題。可見完全通過加高防浪墻使海堤達(dá)到規(guī)劃防御標(biāo)準(zhǔn)的方案并不理想。

表2 各方案波浪爬高及堤頂高程計(jì)算結(jié)果匯總表

圖2 新建扭工塊體護(hù)面方案結(jié)構(gòu)斷面圖

圖3 加寬消浪平臺(tái)方案結(jié)構(gòu)斷面圖

新建扭工塊體護(hù)面方案，需安放2層扭工塊體，厚度2.10 m，高度基本同防浪墻頂，一定程度上影響游人觀景及親水效果，與上下游相鄰大堤不協(xié)調(diào);扭工塊體安放數(shù)量多、重量大，且墻前無較大安放空間，易造成防浪墻沉降、傾斜及開裂;另外從投資角度考慮也不夠經(jīng)濟(jì)。

由于主堤原設(shè)計(jì)采用與原促淤壩分離的布置方式，消浪平臺(tái)外側(cè)有足夠?qū)挾鹊膲狠d平臺(tái)(原促淤壩后拋石范圍)，且已達(dá)到一定的淤積高程，因此方案三加寬消浪平臺(tái)并不增加斜坡堤總的底面積，增加工程量也不大，而限制波浪爬高的作用較為明顯。除平臺(tái)加寬外，該方案不改變現(xiàn)狀防浪墻，采用的柵欄板護(hù)面與相鄰海塘相協(xié)調(diào)，從而施工相對(duì)簡易。因此加寬消浪平臺(tái)的方案有多方面的優(yōu)點(diǎn)，方案相對(duì)較合理。

以上三種方案各方面的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3所列。

4 加寬消浪平臺(tái)的適用條件

通過上述比較，加寬消浪平臺(tái)方案相對(duì)而言較為合理，實(shí)則上加寬消浪平臺(tái)措施即是《防波堤設(shè)計(jì)規(guī)范與施工規(guī)范》中的寬肩臺(tái)斜坡堤型式［3］，其適用性和最終設(shè)計(jì)寬度應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件綜合分析來確定。

4.1 平臺(tái)加寬的空間及其經(jīng)濟(jì)性

消浪平臺(tái)一般宜設(shè)置在設(shè)計(jì)高潮位附近或略低于設(shè)計(jì)高潮位，規(guī)范建議寬度是設(shè)計(jì)浪高的1～2倍，且不宜小于3 m。平臺(tái)的消浪作用主要是增加堤前波浪的底摩擦，或在平臺(tái)上提前破碎以消耗其能量。理論上消浪平臺(tái)越寬，消浪效果越好，但對(duì)于斜坡堤而言，消浪平臺(tái)越寬，堤身底面積就越大，斷面的工程量也越大，尤其在堤前水深較大的情況更甚。

前已敘述，該項(xiàng)目主堤原設(shè)計(jì)采用與原促淤壩相分離的布置方式，消浪平臺(tái)外側(cè)有足夠?qū)挾鹊膲狠d空間，且已達(dá)到一定的高程范圍，因此具備平臺(tái)加寬的條件，增加工程量也不大，相對(duì)而言具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 符合現(xiàn)行規(guī)范公式的計(jì)算范圍

對(duì)照規(guī)范所建議的消浪平臺(tái)寬度，該項(xiàng)目改建后的消浪平臺(tái)寬度為設(shè)計(jì)浪高的1～2倍外，復(fù)合斜坡堤的波浪爬高計(jì)算采用折算坡度法，適用范圍為m上=1.0～4.0，m下=1.5～3.0，dw/L=-0.025～+0.025，0.05＜B/L≤0.25;另外折算坡度me也應(yīng)在單一斜坡上波浪爬高計(jì)算公式中適用的堤坡范圍內(nèi)，即me=1.5～5.0。

對(duì)照該項(xiàng)目消浪平臺(tái)加寬至8.5 m后，其寬度與2倍堤前設(shè)計(jì)波高接近，略大于2倍堤前設(shè)計(jì)波高，但加寬后的平臺(tái)寬度與設(shè)計(jì)波長的比值B/L約為0.15，dw/L約為0.007，折算坡度me＜5.0，均滿足規(guī)范公式的計(jì)算范圍。

4.3 滿足堤前波浪力作用

平臺(tái)加寬后使波浪在前緣破碎，從而具有較為顯著的消浪效果，有效地降低越浪量，但波浪沖擊破碎時(shí)也使得平臺(tái)受到較強(qiáng)烈的作用力，因此除計(jì)算爬高作用外，斜坡面及消浪平臺(tái)還必需要有足夠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)該項(xiàng)目的堤前波要素計(jì)算結(jié)果，斜坡面新增C35柵欄板厚度為450 mm，消浪平臺(tái)采用500 mm厚C30灌砌塊石，外坡腳增設(shè)C30灌砌塊石大鎮(zhèn)腳。護(hù)面結(jié)構(gòu)厚度經(jīng)計(jì)算滿足堤前波要素要求。

如根據(jù)堤前波要素計(jì)算所需的柵欄板及灌砌塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)過大，則仍需要采用消浪人工塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)。

4.4 堤身穩(wěn)定滿足要求

設(shè)計(jì)方案在原堤身上增加結(jié)構(gòu)后，必需滿足堤身的整體穩(wěn)定及沉降要求。

表3 達(dá)標(biāo)斷面各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

加寬消浪平臺(tái)方案主堤整體穩(wěn)定復(fù)核成果見表4所列。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各工況下最不利滑動(dòng)面安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 加寬消浪平臺(tái)方案堤身整體穩(wěn)定復(fù)核成果一覽表

該方案主堤斷面各沉降期堤頂中心線和消浪平臺(tái)沉降量見表5所列。根據(jù)結(jié)果可知，拋石填筑消浪平臺(tái)對(duì)堤頂造成的沉降很小，堤頂基準(zhǔn)期沉降量為0.8 cm，目前堤頂預(yù)留沉降拋高可以滿足要求，因此保持現(xiàn)狀堤頂防浪墻是可行的;新建消浪平臺(tái)處基準(zhǔn)期沉降量為5.5 cm，因此可在消浪平臺(tái)處預(yù)留10 cm拋高以滿足消浪平臺(tái)標(biāo)高要求。

4.5 平臺(tái)分縫處理

加寬消浪平臺(tái)分別位于老平臺(tái)與新拋石體上方，故新老結(jié)構(gòu)銜接處易出現(xiàn)不均勻沉降。為避免消浪平臺(tái)不均勻沉降造成結(jié)構(gòu)破壞，在新老平臺(tái)銜接處設(shè)置20 mm沉降縫，沉降縫采用20 mm聚乙烯低發(fā)泡沫板填縫，并在外露面采用單組份聚氨酯封膏20 mm×20 mm嵌縫。

4.6 斷面物理模型試驗(yàn)

達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)斷面需通過物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證其波浪爬高、越浪量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 加寬消浪平臺(tái)方案堤頂中心線和消浪平臺(tái)沉降量一覽表(單位:m)

5 結(jié)語

本文介紹了加寬消浪平臺(tái)的達(dá)標(biāo)方案設(shè)計(jì)，通過方案對(duì)比分析，論證了案例項(xiàng)目采用加寬消浪方案的合理性，并總結(jié)了加寬消浪平臺(tái)方案的適用條件。

上海的海堤大多為此類有一定寬度的壓載平臺(tái)的結(jié)構(gòu)斷面，堤前波要素大體相近，且建造均有一定時(shí)間。因而，對(duì)于達(dá)標(biāo)工程，在滿足文中所述的客觀條件及所需考慮的因素的前提下，采用加寬消浪平臺(tái)的方案具有一定的優(yōu)勢(shì)。

［1］ 上海市水務(wù)局， 上海市發(fā)展和改革委員會(huì). 上海市海塘規(guī)劃(2011-2020年)［R］， 2013.

［2］ SL 435-2008， 海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ JTS 154-1-2011， 防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

U656.31+4

B

1009-7716(2015)04-0099-05

2014-12-15

陳建勇(1981-)，男，廣東東曉人，工程師，從事水利及水運(yùn)工程設(shè)計(jì)工作。