劉建波，翟有經(jīng)

（1.山東省水產(chǎn)設(shè)計院 濟南 250000；2.山東聯(lián)創(chuàng)礦業(yè)設(shè)計有限公司 濟南 250000）

黃河三角洲灘涂區(qū)海堤護岸結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化實證研究

劉建波1，翟有經(jīng)2

（1.山東省水產(chǎn)設(shè)計院 濟南 250000；2.山東聯(lián)創(chuàng)礦業(yè)設(shè)計有限公司 濟南 250000）

海堤護岸是抵御和減輕風暴潮災(zāi)害的根本措施，是從根本上消除風暴潮對沿岸人民生命財產(chǎn)安全威脅的最有效措施之一。黃河三角洲沿海灘涂廣闊平坦，多為沙質(zhì)和淤泥質(zhì)，溝壑交錯，海堤護岸的建設(shè)量大面廣，所以對區(qū)域內(nèi)海堤護岸的建設(shè)方案進行比較優(yōu)化，更顯得十分必要。文章通過具體的工程案例，闡述了建于黃河三角洲灘涂區(qū)的海堤護岸結(jié)構(gòu)方案的比選與優(yōu)化步驟與方法，這無疑對建于濱海灘涂區(qū)的海堤護岸的方案優(yōu)化具有直接的參考與借鑒意義。

海堤；護岸；黃河三角洲；灘涂區(qū)；方案優(yōu)化

1 背景

2009年12月1日中華人民共和國國務(wù)院通過了《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，黃河三角洲的開發(fā)建設(shè)正式上升為國家戰(zhàn)略，成為國家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

黃河三角洲位于渤海南部的黃河入海口沿岸地區(qū)，在環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的戰(zhàn)略定位是：建設(shè)全國重要的高效生態(tài)經(jīng)濟示范區(qū)、特色農(nóng)業(yè)基地、后備土地資源開發(fā)區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)的增長區(qū)域?！兑?guī)劃》明確了發(fā)展的近期和遠期目標，到2015年，基本形成經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境承載力相適應(yīng)的高效生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展新模式；到2020年，率先建成經(jīng)濟繁榮、環(huán)境優(yōu)美、生活富裕的國家級高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)。

2011年1月，國務(wù)院已正式批復(fù)《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，這標志著山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)建設(shè)正式上升為國家戰(zhàn)略，成為國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略定位：建設(shè)具有較強國際競爭力的現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、具有世界先進水平的海洋科技教育核心區(qū)、國家海洋經(jīng)濟改革開放先行區(qū)和全國重要的海洋生態(tài)文明示范區(qū)。

山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展近期和遠期目標：到2015年，現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)體系基本建立，綜合經(jīng)濟實力顯著增強，海洋科技自主創(chuàng)新能力大幅提升，海陸生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善，海洋經(jīng)濟對外開放格局不斷完善，率先達到全面建設(shè)小康社會的總體要求；到2020年，建成海洋經(jīng)濟發(fā)達、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人與自然和諧的藍色經(jīng)濟區(qū)，率先基本實現(xiàn)現(xiàn)代化。

《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》是“十二五”開局之年第一個獲批的國家發(fā)展戰(zhàn)略，也是我國第一個以海洋經(jīng)濟為主題的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略。

國務(wù)院對《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》與《山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的批復(fù)與實施，為黃河三角洲的發(fā)展提供了強大的動力，為海濱灘涂的開發(fā)建設(shè)迎來了前所未有的機遇。

黃河三角洲是黃河挾帶的大量泥沙填充渤海凹陷陸地的海相沉積平原?，F(xiàn)代黃河三角洲上地貌有河灘高地、坡地、大型洼地等。黃河三角洲地勢西南高東北低，與黃河入海的方向相一致。由于受黃河尾閭擺動的影響，這里的地面形成許多溝壑交錯的廢棄河道及防水堤壩，雖經(jīng)多年風雨剝蝕、人為填補，至今仍見崗、坡、洼相間分布的地形，以及波浪漣漪狀的地貌。黃河帶來的大量泥沙，使三角洲平均每年以2～3km的速度向渤海推進，形成大片的新增陸地。

我國堅持將海灣灘涂的開發(fā)同治理保護有機地結(jié)合起來，為了保護和改善海洋環(huán)境，有效利用和開發(fā)海洋資源，既提高防災(zāi)減災(zāi)能力，防治污染損害，維護生態(tài)平衡，又促進經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展，著眼于既滿足現(xiàn)實社會對海洋資源的需求又實現(xiàn)海洋資源的可持續(xù)利用。

黃河三角洲的開發(fā)首要任務(wù)是對灘涂陸域土地資源進行保護與改造，通過海堤護岸的建設(shè)，避免或降低風暴潮對陸域生產(chǎn)生活設(shè)施的危害，保護土地資源，為黃河三角洲的開發(fā)提供堅實的基礎(chǔ)設(shè)施支撐。建設(shè)海堤護岸是抵御和減輕風暴潮災(zāi)害的根本措施，是從根本上消除風暴潮對沿海人民生命財產(chǎn)安全威脅的最有效措施之一。黃河三角洲沿海灘涂廣闊平坦，多為沙質(zhì)和淤泥質(zhì)，溝壑交錯，護岸的建設(shè)量大面廣，所以對海堤護岸的建設(shè)方案進行比較優(yōu)化，更顯得十分必要。

2 海堤護岸方案

2.1 海堤護岸形式

海堤護岸形式應(yīng)按照因地制宜，就地取材的原則，根據(jù)海堤護岸所處地理位置、地質(zhì)條件、筑堤材料等，考慮各種堤型結(jié)構(gòu)特點、水流及風浪特性、施工條件、環(huán)境景觀等各方面影響因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比較綜合確定。

（1）斜坡式。優(yōu)點：護岸基礎(chǔ)面積大，地基應(yīng)力較小，在松軟地基上可以保持穩(wěn)定；斜坡面對浪潮的沖擊適應(yīng)性好，斜面能消散大部分波浪能量；護面結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)簡單，維修養(yǎng)護容易。缺點：斷面大，占地多，受地形條件影響大，土石方工程量也較大；波浪爬高較直立式大；采用干拋大塊石護坡，工程造價較高。斜坡式護岸主要適用于沿海灘涂養(yǎng)殖區(qū)，獨立的海堤護岸可以于迎海側(cè)與背海側(cè)均為海水，考慮施工難易及筑壩材料、壩型外觀等因素，兩側(cè)均可采用斜坡式。

（2）直立式。優(yōu)點：斷面小，占地少，土石方工程量較?。徊ɡ伺栏咻^斜坡式??；可增加陸域面積。缺點：對地基承載力要求較高，不適用于松軟地基；波浪對防護墻作用強烈，薄弱部位易遭破壞，結(jié)構(gòu)單一；波浪在墻前反射，底層流速增大，墻腳易被淘涮；壩后需大量填土，如果就近取灘涂沙土，會破壞灘涂原貌，填土由外運解決，會增加投資。

2.2 結(jié)構(gòu)材料

海堤護岸的材料主要采用混凝土、塊石等主材?；炷练雷o主要為素混凝土和鋼筋混凝土；塊石主要為干砌石和漿砌石的防護形式。

（1）混凝土防護。優(yōu)點：護面整體性好，抗沖刷能力強，堅固耐久；材料可塑性好，護面造型機動靈活；結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。缺點：護面糙率較砌石小，波浪爬高值大；護面損壞，修復(fù)較困難；投資較砌石護面大。對于海濱景觀區(qū)，外露混凝土的質(zhì)感不如天然材料，與海濱風景不太協(xié)調(diào)。

（2）砌石防護。優(yōu)點：較混凝土護面糙率大，波浪爬高值??；可因地制宜，就地取材，投資較??；干砌石護面堤壩變形能力強，修復(fù)較簡單；施工技術(shù)簡單，易于操作。對于海濱景觀區(qū)，料石有自然的質(zhì)感，能與濱海風景相托輝映。缺點：護面整體性差，抗沖刷能力低，易破壞；工程量大，管理維護費用較高。

3 某海堤護岸結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化

3.1 設(shè)計基本資料

3.1.1 設(shè)計水位

設(shè)計高水位：3.09m

設(shè)計低水位：－0.23m

極端高水位：3.84m

極端低水位：－0.3m

3.1.2 工程地質(zhì)

工程場區(qū)在勘察深度范圍內(nèi)由第四系全新世海積物、更新世陸相沖積物組成。根據(jù)野外鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗結(jié)果，工程場區(qū)自上而下劃分為5層。

（1）層素填土（Q4ml）：灰黃色，濕，稍密。黏性土為主，夾粉細砂薄層，土質(zhì)均勻，含零星貝殼碎片。場區(qū)普遍分布，厚度：2.7～5m，平均3.65m；層底標高：0～1.8m，平均1.11m；層底埋深：2.7～5m，平均3.65m，允許承載力120kPa。

（2）－1層粉質(zhì)黏土（Q4m）：灰色，軟～可塑。切面較光滑，干強度韌性中等，無搖震反應(yīng)，夾粉土、粉砂薄層，含少量貝殼碎片。分布不均勻，厚度：1.0～8.0m，平均2.61m；層底標高：－6.24～－0.8m，平均－1.58m；層底埋深：5.5～11.0m，平均6.37m，允許承載力為110kPa。

（3）－2層粉砂（Q4m）：灰色，飽和，松散稍密，成分為長石、石英，分選磨圓好，夾粉質(zhì)黏土、粉土薄層，土質(zhì)均勻。場區(qū)普遍分布，厚度：3.5～8.8m，平均5.05m；層底標高：－9.95～－5.8m，平均－8.0m；層底埋深：3.5～11.5m，平均6.8m，允許承載力為110kPa。

該層做標準貫入試驗17次，實測擊數(shù)平均值N＝12.2擊，修正擊數(shù)標準值9.30擊。

（4）層粉砂（Q4m）：褐黃色，飽和，中密～密實。成分為長石、石英，分選磨圓好，含少量貝殼碎片，約15%～20%，局部富集，分布不均勻。場區(qū)普遍分布，厚度：1.5～4.3m，平均2.99m；層底標高：－18.8～－14.1m，平均－16.12m；層底埋深：9.8～21.6m，平均14.71m，允許承載力為160kPa。

3.2 護岸方案形式

根據(jù)當?shù)匾?guī)劃及灘涂開發(fā)建設(shè)要求，該工程為某河道入?？诤５套o岸，在滿足抵御風暴潮的情況下，也應(yīng)滿足漁船的停泊要求，綜合考慮該河道護岸的使用功能要求，該護岸采用直立式護岸。

3.3 直立式漿砌石結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)比選

根據(jù)工程特點及當?shù)夭牧瞎?yīng)情況，設(shè)計提出漿砌塊石結(jié)構(gòu)（圖1）與鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)（圖2）兩種方案，并對兩方案進行了分析比較，結(jié)果如下。

（1）由于工程區(qū)地基承載力偏低，經(jīng)驗算，漿砌塊石結(jié)構(gòu)的地基承載力不滿足要求，需要對地基進行處理，增加了工程費用。

（2）工程建設(shè)用材砂、石需要由外地運進，運距較遠，成本增加較多。

（3）經(jīng)概算統(tǒng)計，鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)的單位造價為1.75萬元／m；漿砌塊石結(jié)構(gòu)單位造價為2.161萬元／m，二者有一定的差價。

圖1 漿砌石結(jié)構(gòu)護岸

圖2 鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)護岸

3.4 結(jié)構(gòu)驗算

3.4.1 方案一：漿砌石結(jié)構(gòu)

基本驗算。驗算荷載包括土壓力、結(jié)構(gòu)自重以及各可變荷載，采用最不利情況進行組合，分最高水位和最低水位兩種工況進行計算。

（1）土壓力計算

墻背的主動土壓力計算方法，通常近似地把上下墻分開考慮，分別按庫倫理論計算各直線段上的土壓力，然后取其矢量和作為全墻的土壓力。

上墻主動土壓力：

下墻主動土壓力：

（2）全墻總法向力N和總穩(wěn)定力矩My

上墻W1＝109.3kN；力臂Z1＝1.4m；下墻W2＝292.2kN；力臂Z2＝2.43m；墻上土重W3＝65.1kN；力臂Z3＝4.93m

上墻土壓力豎向分力：

E1y＝32.8kN；Z1x＝3.23m

上墻土壓力水平分力：

E1x＝17.1kN；Z1y＝4.59m

下墻土壓力豎向分力：

E2y＝2.9kN；Z2x＝4.18m

下墻土壓力水平分力：

E2x＝48.3kN；Z2y＝1.59m

墻體受到拉力F及力臂Z：F＝50kN；Z＝6m

全墻總法向力N＝479.1kN；總穩(wěn)定力矩My＝W1Z1＋W2Z2＋W3Z3＋E1yZ1x＋E2yZ2x＝ 1 341.2kN·m；傾覆力矩M0＝E1xZ1y＋E2xZ2y＋FZ＝455.4kN·m

（3）基底應(yīng)力

偏心距驗算ZN＝（My－M0）／N＝1.79m；B／6＝0.53；e＝B／2－ZN＝－0.2＜0.967。式中，B為護岸底寬。

δ1＝206.5kPa、δ2＝94.0kPa，均小于基床抗壓強度，滿足要求。

基床底面應(yīng)力（按長度1m計算）

式中：Be地基受壓寬度，Be＝B＋2d＝7.2m；d為拋石基床的厚度。

可求得基床底面應(yīng)力分別為

P1＝121.8kPa，P2＝71.8kPa

（4）地基承載力

式中：fd為地基承載力標準值；γ1為基礎(chǔ)地面下土的重度，水下用浮重度；γ2為基礎(chǔ)地面以上土的加權(quán)重度，水下用浮重度；mB、mD分別為基礎(chǔ)寬度、深度的承載力修正系數(shù)；B′e為基礎(chǔ)有效寬度，當基礎(chǔ)有效寬度小于3m時，取3m；當基礎(chǔ)有效寬度大于8m時，取8m；D為基礎(chǔ)深度，當基礎(chǔ)埋深小于1.5m時，取1.5m。

經(jīng)計算f′d＝139kPa

同理可求得高水位時護岸參數(shù)（表1）。

表1 極端高水位時漿砌塊石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性驗算?？梢姰敻咚粫rP1／P2＝2.44＞2.0，不滿足規(guī)范［2］要求，可能產(chǎn)生不均勻沉降。若采用該種形式護岸，需對地基進行處理，以改善地基情況。

3.4.2 鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)

基本驗算。驗算荷載包括土壓力、結(jié)構(gòu)自重以及各可變荷載，采用最不利情況進行組合，分最高水位和最低水位兩種情況進行計算。

（1）土壓力計算

由朗肯土壓力公式計算土壓力

式中：β為護岸墻背傾斜角度。

全墻承受的土壓力及其對基底的彎矩

（2）全墻總法向力N和總穩(wěn)定力矩My

踵板上的覆土重W 及力臂Zw（對趾板端點，以下同）；

式中：B1、B2、B3分別為護岸趾板、墻面、踵板的長；H1為護岸踵板以上沙土的高度；γ為護岸墻后沙土的浮重度。

墻體總重G＝76 kN，力臂ZG＝3.2m；墻體受到浮力Vf＝γ水V＝65.7kN；力臂Zf＝B／2＝4.25m；墻體受到拉力F＝50kN；力臂Z＝6m；

全墻總法向力為

N＝W＋G－Vf＝744.7kN

總穩(wěn)定力矩為

Wy＝WZW＋GZG＝3 521.5kN·m

傾覆力矩

M＝Mh＋VfZf＋FZ＝839.11kN·m

（3）基底應(yīng)力

偏心距驗算

ZN＝（My－MH）／N＝3.6m

（B1＋B2＋B3）／6＝1.4

e＝B／2－ZN＝0.65＜1.4

擋墻底面應(yīng)力

δ1＝127.7kPa、δ2＝47.5kPa，均小于基床抗壓強度，滿足要求。

基床底面應(yīng)力（按長度1m計算）

式中：Be地基受壓寬度，Be＝B＋2d＝12.5m；d為拋石基床的厚度。

可求得基床底面應(yīng)力分別為

P1＝116kPa，P2＝62kPa

（4）地基承載力

地基承載力修正值

經(jīng)計算f′d＝198kPa

同理可求得最高水位設(shè)計參數(shù)（表2）。

表2 極端高水位時鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性驗算?；驳酌孀畲髴?yīng)力與最小應(yīng)力比滿足規(guī)范［2］。

地基整體穩(wěn)定性驗算。從以上計算結(jié)果可知，漿砌石結(jié)構(gòu)方案在低水位時地基承載力無法滿足規(guī)范要求，所以只對扶壁結(jié)構(gòu)方案進行地基整體性穩(wěn)定計算。

計算采用圓弧滑動面法驗算［3］，護岸圓弧滑動面穩(wěn)定分析見圖3。

作用在滑動面上的力圍繞圓心產(chǎn)生的滑動力矩MC和抗滑力矩MY為：

圖3 圓弧滑動面穩(wěn)定性分析

式中：α為滑動圓弧中心角的一半（°）；β為將F力的作用線和圓弧的交點與圓心O作連線，改線和豎直線的夾角（°）；φ為地基土的內(nèi)摩擦角（°）；R為滑動圓弧的半徑（m）；γ為滑動土體的容重（kN／m3）。

整體抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)

假定一系列滑動面，按式（14）計算出每一滑動面相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)K，經(jīng)計算，K≥1.3，地基整體性穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計算比較，最終選擇鋼筋混凝土扶壁結(jié)構(gòu)方案護岸。

4 方案討論

（1）通常情況下，在濱海灘涂區(qū)建設(shè)海堤護岸，以斜坡式為主。本案中，由于護岸要滿足停泊漁船的需要，所以采用直立式護岸。

（2）海堤護岸材料以石材為主，特別是斜坡式護岸，多采用塊石護砌。直立式護岸通常也以漿砌塊石為宜，但由于地域和交通等限制，特別是地材價格的差異，會引起工程造價的差異，導致最終方案的選擇不同。本案中，受施工區(qū)交通限制，地材只能通過陸地汽車運輸，產(chǎn)地到施工區(qū)運距400km余，施工區(qū)石材價格偏高。一般的塊石能達到200元／m3，而相距數(shù)十千米的工地，由于河道通航，石材只有120元／m3左右。

（3）濱海灘涂區(qū)地基處理方案應(yīng)慎重選擇與采用，綜合分析確定。本案中，采用漿砌石方案時，由于基底應(yīng)力比超地基要求，就必須對地基進行處理，才能滿足工程要求。設(shè)計采取了通常的粉噴樁地基處理方案，這會明顯地導致工程施工的復(fù)雜性和造價的增加，對方案的取舍也產(chǎn)生了相當大的影響。即使不考慮工程造價增加的影響，或造價增加的影響不大，僅僅增加地基處理這一復(fù)雜施工項，也會對方案的選擇起到?jīng)Q定性的影響。

［1］ 中交天津港工程研究院有限公司.港口工程地基規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 中華人民共和國水利部.堤防工程設(shè)計規(guī)范［M］.北京：中國計劃出版社，2013.

［3］ 顧慰慈.堤防工程設(shè)計計算簡明手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

Empirical Research on Structural Optimization of Wetland Soil Seawall Revetment in Yellow River Delta

LIU Jianbo1，ZHAI Youjing2

（1.The Fishery Project Designing Institute of Shandong Province，Jinan 250000，China；2.Shandong Lian Chuang Mining Design Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

Seawall revetment is one of the best basic measures that withstand and reduce the damage of the storm－tide disaster and eliminate the danger of storm surge that threatens human life and property.Yellow River Delta，which is close to the sea and has complex geologic structure，is composed by sludge and chiltern.There are too much work of seawall revetment，so that it is necessary to compare and optimize the regional development scheme of the seawall revetment.In this paper，the procedure and methods of comparing and optimizing the regional development scheme of the seawall revetment were stated by engineering projects near the Yellow River delta，which could enlighten the development scheme of seawall revetment over coastal tidal flats areas.

Seawall，Revetment，Scheme，Optimization，Yellow River Delta，Tidal flat

P751

A

1005－9857（2017）03－0092－07

2016－07－30；

2016－12－12

劉建波，高級工程師，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)工程，電子信箱：ljb－sj＠163.com