濮 勛，張麗芬

(上海市水利工程設(shè)計研究有限公司，上海灘涂海岸工程技術(shù)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(huán)境極為復(fù)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(wěn)定。

為降低工程投資和實施風(fēng)險，整治堤防岸線一般在灘涂促淤工程的基礎(chǔ)上實施，由于灘地為新淤積土，承載力較低，堤防多采用適應(yīng)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(zhì)量等問題導(dǎo)致反濾結(jié)構(gòu)失效時有發(fā)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇高潮位加10級風(fēng)上限，屬于一線海塘，在原拋石促淤壩的基礎(chǔ)上進行傍寬，堤身筑堤材料為充泥管袋+堤芯吹填砂，外側(cè)護面采用石塊、柵欄板等消浪結(jié)構(gòu)。北堤自2008年建成以來，沿線陸續(xù)出現(xiàn)堤身土體流失形成空洞、塌陷的險情，且呈持續(xù)發(fā)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(zhì)層較為復(fù)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(jié)合《上海市海塘規(guī)劃(2011～2020)》[5-6]北堤防御標(biāo)準(zhǔn)提高至100年一遇的總體要求，堤防達標(biāo)方案在詳細進行空洞探查的基礎(chǔ)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(shè)置消浪潛壩削弱外海來波作用等，為類似工程的設(shè)計提供借鑒。

1 海塘現(xiàn)狀及破損原因分析

1.1 海塘現(xiàn)狀

北堤為斜坡式土石堤，堤身采用充泥管袋內(nèi)外棱體與堤芯吹填土，堤腳利用原促淤壩結(jié)構(gòu)，外棱體緊靠原拋石壩內(nèi)側(cè)構(gòu)建。堤頂設(shè)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?shù)缆穼?m。外坡為復(fù)式斷面，上下護坡均為柵欄板結(jié)構(gòu)，坡比1∶3，柵欄板下方設(shè)有干砌塊石，灌砌塊石消浪平臺高程5.5m，寬度5m。內(nèi)坡采用草皮護坡，內(nèi)青坎寬20m，高程3.5～4.0m。原促淤壩采用樁式離岸堤結(jié)構(gòu)，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(nèi)外坡比均為1∶1.5。管樁為PHC樁，頂標(biāo)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(xiàn)在大方腳破壞、外側(cè)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(jié)構(gòu)開挖情況看，平臺下空洞非常嚴(yán)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(fù)、空洞的回填、平臺的修復(fù)及局部的壓密注漿在一定時間內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)在堤身土方流失，出現(xiàn)空洞，外側(cè)護坡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，促淤壩在風(fēng)浪的作用下下沉，引起堤身土方與拋石壩之間反濾結(jié)構(gòu)拉裂失效。在潮水的反復(fù)漲落潮作用下，造成堤身吹填砂經(jīng)堤腳拋石壩空隙通道流失。

(2)北堤外側(cè)護坡結(jié)構(gòu)為干砌塊石上加?xùn)艡诎?，推測由于干砌塊石之間的三角縫較大，存在質(zhì)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(jié)構(gòu)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(fēng)浪長期作用下，堤身土方從損壞、失效的反濾結(jié)構(gòu)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(fā)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(xiàn)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(guān)鍵。

2.1 探查方法

由于北堤筑堤介質(zhì)復(fù)雜，單一的方法如地質(zhì)雷達、高密度電法等較難準(zhǔn)確探明空洞情況。本次在地質(zhì)雷達探查基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)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(zhì)雷達探測成果進一步驗證，為地質(zhì)雷達圖片解釋提供了有力的證據(jù)。技術(shù)工作路線流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)工作路線流程圖

(1)地質(zhì)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(shù)，具體工作原理：當(dāng)雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)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(fā)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(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)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(jié)合為一體，利用地下介質(zhì)導(dǎo)電性的差異性，在人工施加電場的作用下，不同介質(zhì)傳導(dǎo)電流的變化，引起電阻率值在不同的區(qū)域間變化，反演推斷地下地質(zhì)情況，二維地電斷面成像，反映地下地質(zhì)情況。

(3)靜力觸探試驗

靜力觸探技術(shù)是在靜力作用下，機械設(shè)備將探針按照一定的速度插入土壤中，探針上設(shè)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(nèi)部系統(tǒng)會通過設(shè)置的算法，對探針反饋的阻力數(shù)據(jù)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(zhì)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(cè)邊緣0.5m：Ⅰ線(0+243～0+303)、Ⅱ線(2+780～2+840)。在實施過程中結(jié)合現(xiàn)場調(diào)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(jié)果

根據(jù)地質(zhì)雷達探測資料進行解釋及推斷，并對地質(zhì)雷達成果判讀疑似問題區(qū)域，采用靜探試驗、高密度電法及現(xiàn)場開槽等方法進行驗證[4]。經(jīng)綜合驗證，探測范圍內(nèi)，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(shè)規(guī)范DGJ 08-37—2012《巖土工程勘察規(guī)范》中表10.2.7中利用靜探判別砂土密實度的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合進行相應(yīng)的濾波、放大等處理分析后的探地雷達初步成果、現(xiàn)場施工及調(diào)查情況等進行綜合確定，測區(qū)異常雷達曲線主要分為以下四種：嚴(yán)重疏松區(qū)段、一般疏松區(qū)段、淺部空隙區(qū)段、正常區(qū)段。各類型異常曲線對應(yīng)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(jù)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(jù)破損原因，一是加固出現(xiàn)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(qū)填堵

堤身空洞填堵結(jié)合外坡維修，將原坡面結(jié)構(gòu)拆除后采用道渣回填夯實，并對護坡反濾結(jié)構(gòu)及柵欄板進行重建。同時，根據(jù)物探成果，對不同疏松程度的堤身采取不同數(shù)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(yīng)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(nèi)側(cè)4.0m高程設(shè)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(cè)扭王塊體及四腳空心方塊后，鋪設(shè)反濾層，再對原拋石壩灌黃砂、石子。然后沿坡面鋪設(shè)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(yīng)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(shè)支架，施工難度較大，工序復(fù)雜，需趕潮作業(yè)，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(fēng)區(qū)中應(yīng)用廣泛，施工工藝及檢測方法都較為成熟。本區(qū)域風(fēng)浪大，模袋混凝土在運行過程中受到風(fēng)浪打擊，容易產(chǎn)生開裂等現(xiàn)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(jù)物模試驗成果，在外側(cè)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(wěn)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(biāo)方案

4.1 達標(biāo)措施

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

結(jié)合北堤原斷面形式，現(xiàn)狀堤腳為拋石壩，加高加寬消浪平臺難度較大，且容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(yōu)于柵欄板，但提升幅度有限，為保持與鄰近海塘統(tǒng)一協(xié)調(diào)，外坡消浪結(jié)構(gòu)仍采用柵欄板護坡。

現(xiàn)狀漿砌塊石防浪墻存在傾斜、開裂以及錯縫的現(xiàn)象，在老墻基礎(chǔ)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(shè)消浪潛壩，分析如下：海塘工程實施10年以來，北堤外側(cè)灘地的演變主要與北港河槽反“S”形態(tài)的發(fā)展及上游500m長丁壩護灘工程的掩護作用有關(guān)。工程區(qū)外北港主槽仍向橫沙島緊貼，-5m線以下呈沖刷態(tài)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(nèi)外側(cè)灘面高程變化較小，變化幅度0.2m以內(nèi)。龔崇準(zhǔn)[14-15]等研究的離岸式管樁結(jié)構(gòu)可有效消減作用于灘地上的波浪，并在較大范圍內(nèi)改變波浪形態(tài)，使破波轉(zhuǎn)變?yōu)闇\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(xù)結(jié)構(gòu)，其消浪效果略差，北堤受強風(fēng)向NE向波浪正向作用為主，主堤與管樁之間未形成淤積區(qū)，堤腳的拋石壩直接受波浪和潮流的作用。

結(jié)合前沿主槽逼岸的態(tài)勢，有必要增設(shè)封閉型的消浪潛堤，減小風(fēng)浪對大堤的直接作用，穩(wěn)定護面塊體，降低波浪爬高。同時，在外側(cè)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(cè)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(shè)置的位置、壩頂高程以及壩頂寬度進行了研究，以確定最優(yōu)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(xiàn)有管樁及砼聯(lián)鎖排體護底結(jié)構(gòu)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(cè)和設(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

100年一遇高潮位及以下設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時設(shè)計波要素見表3，不同方案實測堤前波高值見表4。

根據(jù)物模試驗結(jié)果，不同潛壩設(shè)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(wěn)定均能滿足要求。

由于拋石潛壩緊靠管樁壩外側(cè)設(shè)置時，灘地相對較高，且可利用現(xiàn)有砼排體，工程投資較省，推薦拋石順壩緊靠管樁壩外側(cè)設(shè)置。

4.2.2公式計算分析

根據(jù)GB/T51015—2014《海堤工程設(shè)計規(guī)范》，新建順壩消浪作用可按照下式考慮。

表3 設(shè)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(shè)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(dāng)da/H≤0，H1/H=th[0.8(|da/H|+0.038(L/H)KB]

(1)

當(dāng)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?shù)拇怪备叨?，?dāng)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(shù)；L—波長。

根據(jù)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(guān)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(xiàn)二次曲線的關(guān)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(guān)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(dāng)，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(jù)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(guān)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(guān)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(guān)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(cè)增設(shè)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(jié)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(diào)查堤身空洞，結(jié)合波浪物理模型試驗等，研究了除險加固達標(biāo)方案。

(1)堤身以土體為主的土石堤發(fā)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(jié)構(gòu)的不完整。

(2)北堤筑堤材料較為復(fù)雜，提出地質(zhì)雷達、高密度電法以及靜力觸探等多種探查方法相結(jié)合并互為驗證的方式較準(zhǔn)確地反應(yīng)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(zhǔn)確性。

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

目前達標(biāo)建設(shè)后的堤防運行安全，已經(jīng)受住了多次臺風(fēng)考驗。