上海某岸段海塘达标建设断面的比选

邓伟峰

长江勘测规划设计研究有限责任公司 上海 200439

正文：

引言：海塘是防御风暴潮水和波浪对防护区的危害而修筑的堤防工程。本文研究的海塘岸段塘为1998年建成，位于浦东区上海长江大桥东侧，建设标准为100年一遇，随着上海市城市化程度的不断提升，防洪工程的标准也相应提高。现状海塘已不能满足新的防御标准要求，需要对其采取加固扩建等措施使其满足防御标准要求。

1 海塘达标建设设计标准及参数确定

1）设计标准

根据新的相关规划与要求，本段海塘规划防御标准为200年一遇高潮位+12级风，按不允许越浪设计，工程级别为1级。

2）设计参数的确定

根据上海市海塘规划中本段海塘附近有的潮位站潮位特征值，确定本段海塘设计潮位为200年一遇高潮位6.27m。设计风速为12级风下限32.7m/s。

波浪要素采用《海堤工程设计规范》（GB/T 51015-2014）（以下简称《海堤规范》）中相关公式计算（各参数意义可查看本规范中的附录C有关说明。）

根据规范风浪要素可按如下莆田海堤试验站风浪计算公式进行计算。

不规则波对应平均波周期的波长L可按下式计算：

2 海塘现状分析与复核

1）现状分析

目前海塘堤顶防浪墙高程为8.55m，堤顶路面高程7.35～7.50m，宽7.50m，灌砌块石消浪平台高程为4.75m，宽约5.00m。上坡坡比1：3、下坡坡比1：2.5均为栅栏板护坡。本段海塘已运行20余年，沉降已基本稳定，但下坡少量栅栏板和镇脚存在一定程度的损坏，栅栏板损坏主要是个别栅栏板施工质量不满足要求，表面混凝土长期在波浪作用下老化剥落。镇脚存在裂缝表面混凝土剥落是由于基础不均匀沉降后造成断裂，混凝土强度不够或施工质量不佳导致。但结构整体完整性与耐久性良好。

图1 海塘现状断面图

2）根据新的海塘防御标准对现状海塘进行复核。

本工程在达标设计前首先按照200年一遇防御标准对现有海塘进行复核论证。具体复核计算海塘的稳定与堤顶防汛高程和护坡厚度，针对复核情况再提出相应的达标设计方案。

（1）现状海塘稳定复核

由于本段海塘沉降基本稳定，堤基土固结充分，在此不再进行海塘断面沉降复核计算，堤防稳定计算中主要对设计海塘断面进行渗流稳定和抗滑稳定计算。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中堤防稳定计算有关内容通过计算，本段海塘渗流与抗滑稳定均满足规范要求。

（2）现状堤顶高程与护坡厚度的复核

堤顶高程及护坡复核计算所用参数如护面糙率、平台高程和宽度等均按照目前的结构型式。本工程取波要素最大值作为典型断面，根据《海堤规范》中堤顶高程与附录J相关要求计算复核堤顶高程为9.70m,所需栅栏板护坡厚度0.30m。

由计算可知，对于新标准所需防浪墙顶高程高出现状防浪墙平均顶高程1.15m，护厚度满足要求，总体来说现有海塘无法满足“200年一遇”设防标准要求。

3 海塘达标设计原则

1）尽量利用原有结构，减少废弃工程量；2）彻底消除原有堤身安全隐患，保证达标海塘安全；3）断面设计做到经济合理，施工方便;4）与周围环境及规划相适应。

4 海塘达标断面比选

根据分析计算现状堤防存在的主要问题是防浪墙顶高程不满足达标要求。

达标设计的总体思路为：

a 被动加高堤顶高程：在现状大堤基础上培高培宽堤顶与增加防浪墙顶高程。

b 主动采取工程消浪措施消减波能，减小波浪的爬高，进而降低堤顶高程，工程消浪措施可采用：消浪平台、反弧形结构、消力齿（墩）、灌砌外凸块石或阶梯差动护坡、预制混凝土异型块体等，堤前可采用潜堤或植物消浪。

由于被动加高堤顶高程存在新老堤身接触不牢固，易产生不均匀沉降等风险，且施工要求较高，需要外来土方。因此，设计方案宜从主动采取工程消浪措施入手，根据本海塘段的实际情况，考虑工程实施的可行性拟定了下面两种设计方案进行比选：

方案一：设置潜堤进行消浪，减小波浪的影响

假设堤前设置顶高5.5m，宽5.0m的潜堤，根据《海堤规范》附录E有关公式计算有效波高的折减系数为0.60，采用原结构断面进行复核计算，堤顶高程仍无法满足达标要求，仍需采取其它措施进行消浪，此方案造价势必会大大增加，因此设置潜堤的方案不可行。

方案二：斜坡加糙进行消浪，减小波浪爬高

比栅栏板护坡糙率系数更小的有扭工字块体（安放二层）0.38、四角锥体（安放两层）0.40和翼型块体0.38，本工程选用糙率系数最小的翼型块体进行加糙。翼型块体铺设于下坡。翼型块体重量采用2t重，上坡保留原完好的栅栏板护坡。加权计算后，糙率系数为0.40。经计算，堤顶高程计算值为9.39m，按照防浪墙净高1.2m计算，堤顶道路高程为8.19m，比现状堤顶高程高出0.84m，如按此方案实施势必要加宽堤身，且与周围道路与场地衔接也较困难，根据上文的分析此方案已排除。

根据分析及相关工程经验进一步减小堤顶高程的方法还有：a设置深弧防浪，b加宽消浪平台。下面继续对这两种方案进行比选，形成方案三和方案四

方案三：加宽消浪平台+2t翼型块体加糙

通过计算，消浪平台加宽至20m才可以有效减少波浪的爬高，现状防浪墙可以加以利用保留，但是加宽平台宽度过大，如按此方案实施将要拆除原外坡下坡结构护面等结构，新增充砂管袋棱体结构及护坡结构，造价将大幅增加，此方案在经济上较不合理。

方案四：深弧型防浪墙+2t翼型块体加糙

拆除原防浪墙后，新建深弧形防浪墙。根据上海市工程经验和物理模型试验成果，按不允许越浪设计的堤防，采用深弧型防浪墙堤顶高程可降低0.5m以上。因此考虑设置深弧型防浪墙后堤顶高程减少0.5m，取8.9m，堤顶道路高程为7.70m，道路基层基本位于现状堤顶道路一下0.3m，路槽开挖土方可用作路肩回填。

根据以上方案分析可以得出方案四深弧型防浪墙+2t翼型块体加糙较为合理，综上本达标建设采用方案四的结构形式。如下图2所示。

图2 海塘达标设计断面图

5 结束语

本文仅从理论计算的角度，通过方案的论证比选确定了海塘的达标建设设计断面，实际工程中还应结合模型试验验证各计算结果的准确性，随着城市化的发展，海塘达标建设还应充分考虑与周围规划以及环境的相容性，满足城市发展的多功能要求。