張新嬌，張 慧

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510000)

濱海地區(qū)地勢特殊，氣候多變，臺風登陸引起的風暴潮災(zāi)害時有發(fā)生，給城市防潮安全帶來較大的挑戰(zhàn)和風險隱患。海堤工程是保障城市抵御風暴潮災(zāi)害的第一道防線，其安全可靠性和防御能力直接關(guān)系濱海城市的安全和經(jīng)濟發(fā)展[1-3]。早期建設(shè)的海堤標準低，質(zhì)量差，在臺風風暴潮災(zāi)害作用下，存在較多影響正常運行的安全隱患，亟需按照城市最新最新防(洪)潮規(guī)劃要求對現(xiàn)狀海堤進行安全評估和加高加固處理，從而進一步完善海堤防洪潮體系及達標建設(shè)工作。

目前，海堤加固設(shè)計大多數(shù)以土堤加固[4-6]為主，并在護面消浪、軟基處理、海堤防滲等方面[7-10]有了較為成熟的研究成果，也在某些工程中取得了不錯的成效，但在濱海地區(qū)拋石海堤加固設(shè)計方面研究較少。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)某拋石海堤加高加固設(shè)計實例，從現(xiàn)狀海堤安全復(fù)核、現(xiàn)狀海堤存在問題、加高加固方案擬定、穩(wěn)定驗算等方面進行分析。

1 工程概況

1.1 海堤現(xiàn)狀

深圳機場現(xiàn)狀二跑道海堤全長約7.85km，建設(shè)時間為2008—2013年，海堤防潮標準為100a一遇。南端長約1.4km海堤需按200a一遇防潮標準提升后與深圳機場三跑道擴建工程新建段海堤連接形成機場200a一遇防潮封閉圈。

需加高加固段二跑道海堤堤身填料為塊石，堤心堆石體及軟基處理采用“爆炸排淤填石法”施工，使堤心堆石體能達到甚至穿過淤泥底層落底在下層黏土上。海堤防浪墻頂高程6.65m，堤頂高程5.65m，堤頂寬9.5m。防浪墻設(shè)在堤頂臨海側(cè)，采用C25混凝土結(jié)構(gòu)L形擋墻。堤頂設(shè)寬7m巡堤路，采用C30混凝土路面，厚0.3m。

海堤迎水面在1.36m高程設(shè)置寬5m消浪平臺，平臺上下斜坡坡率均為1∶2，平臺以上護面結(jié)構(gòu)采用厚0.6m的干砌石護坡，護面結(jié)構(gòu)與堤身結(jié)構(gòu)之間設(shè)2層碎石墊層，中間鋪設(shè)一層反濾土工布。平臺及平臺下部護面厚為1.2m重500～600kg的塊石，護腳采用厚0.6m重50～100kg的塊石。

海堤背坡采用草皮護坡形式，結(jié)合防滲土體在高程3.50m處設(shè)一平臺，平臺上部坡度1∶2，下部坡度1∶3。防滲采用背坡填筑黏性土的方式，填土頂面高程為3.50m，平臺寬3m，邊坡1∶3，填土下部與填筑堤身時隆起的淤泥相接，形成閉合的相對不透水層?，F(xiàn)狀二跑道海堤典型橫斷面如圖1所示。

圖1 海堤橫斷面圖

1.2 工程水文地質(zhì)條件

工程沿線原始地貌為濱海灘涂，后經(jīng)填海形成陸域。海堤西側(cè)為珠江口水域，海堤東側(cè)由北向南依次為機場4#調(diào)蓄池水域及機場備用地。堤身塊石直徑0.4～0.8m，塊石間為碎石、黏土充填。原海堤拋石爆破擠淤已將堤身斷面淤泥擠出，堤身斷面地基以下土層依次為黏土、中砂、砂質(zhì)性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖，堤身斷面兩側(cè)仍有6～10m淤泥層。表層淤泥高壓縮、固結(jié)慢、承載力低、力學(xué)性能差；同時沿線填石孔隙大，密實度不均勻，填石內(nèi)存在孔隙水，隨著外海潮漲潮落與現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水體局部連通，現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水位波動受潮汐影響較大，有滲透破壞的風險。工程土體物理力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

2 現(xiàn)狀海堤安全復(fù)核

2.1 堤頂高程、越浪量復(fù)核

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》8.3.1條、附錄E、附錄F，按照現(xiàn)狀海堤斷面要素、允許越浪工況計算200a一遇標準下的堤頂高程及越浪量，計算結(jié)果見表2。

表2 堤頂高程計算過程表

現(xiàn)狀海堤防浪墻頂高程6.65m，規(guī)范規(guī)定背海側(cè)為草皮護面的海堤允許越浪量為0.01m3/(m·s)，均不滿足規(guī)范要求。

2.2 護面、護底結(jié)構(gòu)復(fù)核

根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》附錄J，計算得出：①200a一遇防潮標準下臨海側(cè)干砌石護坡所需厚度為0.95m。而現(xiàn)狀海堤1.36m消浪平臺以上護面結(jié)構(gòu)采用厚0.6m干砌石，不滿足要求；平臺及平臺下部護面為厚1.2m重500～600kg塊石，滿足要求。②采用干砌塊石作為斜坡堤護坡面層時，單個塊體穩(wěn)定重量至少為1.42t，而單個干砌石或塊石實際重量不能達到此重量標準。③護底塊石的穩(wěn)定重量，根據(jù)堤前最大波浪底流速確定。經(jīng)計算，本工程海堤堤前最大波浪底流速為1.53m/s，護底塊石的重量應(yīng)取60kg，現(xiàn)狀二跑道海堤護腳采用厚0.6m重50～100kg塊石，基本滿足要求。

2.3 防滲效果復(fù)核

根據(jù)本工程勘察報告，主堤與子堤之間為防滲回填的黏土滲透率K為1.16×10-3cm/s，判斷為中等透水性。而參考《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》：心墻防滲涂料滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10-5cm/s。因此，原設(shè)計的黏土防滲已經(jīng)失效；且現(xiàn)狀黏土防滲體頂高程為3.5m，不滿足防滲體頂高程高于設(shè)計高潮位0.5m的要求。

2.4 現(xiàn)狀海堤存在問題

根據(jù)上述復(fù)核結(jié)果，現(xiàn)狀海堤存在問題如下：①堤頂高程及越浪量均不滿足要求；②臨海側(cè)消浪平臺以上的干砌石護坡厚度和石塊重量均不滿足防浪要求；③海堤原有黏土防滲已經(jīng)失效。但海堤臨海側(cè)護底塊石、現(xiàn)狀堤頂寬度均滿足規(guī)范要求，可保持現(xiàn)狀。

3 加高加固方案

3.1 海堤軸線與堤型選取

加固海堤軸線一般有3種方案[11-12]：海堤軸線向背水坡偏移、臨海側(cè)偏移、沿原海堤軸線不變。

本工程現(xiàn)狀海堤西側(cè)為珠江海域，海岸線位于臨海側(cè)二級護坡處，若軸線向臨海側(cè)偏移，涉及施工期臨時及永久用海，手續(xù)麻煩，審批周期長，不滿足項目建設(shè)需求，且臨海側(cè)堤身斷面以下存在淤泥層，需進行地基處理，技術(shù)難度大，投資高?，F(xiàn)狀海堤東側(cè)為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水面及機場備用土地，若軸線向背水坡偏移，則占用現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池水域面積及調(diào)蓄容積，影響機場整體防洪排澇，且該方案填筑量大，也需對背水側(cè)淤泥層地基進行處理，投資最大。鑒于現(xiàn)狀海堤堤頂寬度為9.5m滿足規(guī)范要求，同時原海堤拋石爆破擠淤已將堤身斷面淤泥擠出，堤身斷面范圍內(nèi)地基承載力好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，新增工程量小，投資最小。因此從征用地、已有工程現(xiàn)狀、對其他工程影響、地質(zhì)條件、工程投資等方面綜合考慮，加高加固后海堤軸線沿原海堤軸線不變。

現(xiàn)狀海堤為斜坡式海堤，前后需銜接的新建三跑道海堤及現(xiàn)狀南端碼頭海堤也為斜坡式海堤，考慮到海堤堤型與相鄰段堤身斷面的一致連續(xù)性、協(xié)調(diào)性及加高拆除填筑工程量，推薦仍保持原海堤斷面基本不變。

3.2 護面結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)海堤安全復(fù)核結(jié)果：臨海側(cè)現(xiàn)狀干砌石護面厚度及塊石重量均不滿足要求，因此需新建海堤護面，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》8.5條，舊海堤護面加固采用預(yù)制混凝土異形塊體護面或混凝土板式護面，但由于海域線限制，混凝土護面施工困難，且新建3條跑道海堤全段采用3t扭王字塊護坡，該護面結(jié)構(gòu)糙滲系數(shù)KΔ小，消浪效果好，也不易被海浪卷走可有效降低堤頂高程；此外，可在堤頂?shù)缆凡捎玫踯嚢卜艍K體，便于施工。因此，本次護面結(jié)構(gòu)也選用3t扭王字塊。

根據(jù)《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》[13]4.3.20條、4.3.15條及4.3.21條，分別計算出扭王字塊護坡厚度為1.42m，護面塊石墊層重量為150～300kg，塊石墊層的厚度為0.97m。

由于背海側(cè)為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池，直接臨水，背海側(cè)護面采用抗沖刷的厚50cm干砌石護坡。

3.3 堤頂高程確定

為保證堤頂軸線不變，且施工范圍不超過現(xiàn)狀海域線，消浪平臺以上扭王字塊護坡安放坡度定為1∶1.5，計算擬定斷面要素下堤頂高程為8.39m。但受機場限高影響，本工程擋浪墻頂高程原則上不能高于7.86m，因此按照7.86m堤頂高程進一步驗算越浪量。計算的越浪量為0.0064m3/(m·s)，小于允許越浪量0.02m3/(m·s)。同時，根據(jù)本工程波浪物理模型物模報告：本工程設(shè)計堤頂高程及護面結(jié)構(gòu)方案的海堤均能滿足穩(wěn)定及越浪量要求，因此堤頂高程定為7.86m。

3.4 防滲處理措施

原防滲填土位于現(xiàn)狀主堤與子堤之間，挖除重填會影響堤防穩(wěn)定性，且只能處理淺層，因此防滲方案采取防滲墻方案，濱海地區(qū)海堤防滲墻一般采用旋噴樁防滲、攪拌樁防滲、地連墻防滲及咬合樁防滲這幾種形式?，F(xiàn)狀海堤堤身為深厚填石層，選用旋噴樁防滲、攪拌樁防滲無法保證成孔質(zhì)量，且防滲墻位置位于主堤和子堤中間，子堤本身穩(wěn)定性較差，地連墻施工機械重量較重(可達上百噸)，施工場地不足以滿足地連墻機械的施工。因此結(jié)合地質(zhì)條件適用性及施工時海堤穩(wěn)定性采用直徑1.2m間距0.95m的C20混凝土咬合樁防滲墻，防滲墻頂高程為4.0m，底部穿透填石層進入不透水層不小于1.0m。

3.5 加高加固后堤身斷面

迎水面：先拆除原海堤迎水面干砌石及片石面層并進行理平理砌，在消浪平臺以上新建坡度為1∶1.5的3t扭王字塊護面，護面塊體下設(shè)厚0.97m 150～300kg墊層塊石，并于護面坡腳處設(shè)置600～800kg塊石棱體擋塊，擋塊埋深1.0m，高1.8m。

堤頂：先原位破除原海堤防浪墻及路面面層結(jié)構(gòu)C35混凝土，并在堤頂外側(cè)新建1.2m高“L”型防浪墻，防浪墻頂標高為7.86m，堤頂標高6.66m。堤頂內(nèi)側(cè)設(shè)置防洪應(yīng)急搶險道路，凈寬7.5m，采用混凝土道路，設(shè)1%的橫坡朝背水坡排水。

背水面：①背水坡為現(xiàn)狀4#調(diào)蓄池范圍，4.0m高程以上為防止越浪沖刷，采用如下護坡結(jié)構(gòu)：厚0.5m干砌塊石+土工布一層+厚0.30m耕植土+三維快速植生墊，4.0m高程平臺以上坡比為1∶1.5，平臺下回填黏土，并在主堤和子堤間拋石深度最小位置設(shè)置咬合樁防滲墻。②背水坡為現(xiàn)狀機場備用地，現(xiàn)狀地面高程以上為防止越浪沖刷，采用與調(diào)蓄池側(cè)相同的護面結(jié)構(gòu)，并于坡底設(shè)置排水溝收集雨水最終匯入調(diào)蓄池內(nèi)。加高加固后海堤的斷面如圖2—3所示。

圖2 調(diào)蓄池側(cè)海堤橫斷面圖

圖3 機場備用地測海堤典型橫斷面圖

4 海堤穩(wěn)定計算

根據(jù)規(guī)范需計算3種工況下海堤臨水坡和背水坡抗滑穩(wěn)定。本次針對2種不同型式的海堤斷面分別選取地質(zhì)條件較差的的不利斷面進行穩(wěn)定計算，模型示意圖如圖4—5所示。為更好模擬海堤加高加固后不同結(jié)構(gòu)材質(zhì)分區(qū)情況，采用Midas GTS分析軟件進行穩(wěn)定分析計算，計算結(jié)果見表3，加高加固后海堤穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表3 抗滑穩(wěn)定計算成果表

圖4 調(diào)蓄池側(cè)斷面模型示意圖

圖5 機場備用地側(cè)斷面模型示意圖

5 結(jié)語

濱海地區(qū)海堤加高加固改造在提升抵御臺風、風暴潮等海洋災(zāi)害能力，應(yīng)對極端氣候、海平面上升等環(huán)境變化，完善海堤防洪潮體系及達標建設(shè)工作等方面具有重要意義。本文通過對深圳市某拋石海堤加高加固設(shè)計過程進行分析，總結(jié)了一套較為全面的海堤加高加固改造設(shè)計方法，可考慮用于類似工程。

本工程重點是堤頂加高及堤身堤基加固設(shè)計，而未在設(shè)計中考慮生態(tài)景觀及濱海碧道設(shè)計因素，建議盡快實施配套該海堤的景觀提升設(shè)計及建設(shè)，在解決防潮安全的同時，提升海堤生態(tài)環(huán)境，打造水綠共融的濱海海岸帶。