滨海护岸工程设计特点及计算研究

薛国强

(厦门市国水水务咨询有限公司 福建厦门 361015)

1 工程概况

五缘湾(旧称“钟宅湾”)位于厦门高崎国际机场和翔安海底隧道两大门户之间，是厦门岛上唯一一块集水景、温泉、植被、湿地、海湾等多种自然资源于一身的风水宝地，还有大量的畲族文化等人文景观。策划大师王志纲在看过五缘湾之后，把它比做台湾校园歌曲中的“外婆的澎湖湾”。他说，走过中国大陆许多海湾城市，还没见过这么好的海。

图1 五缘湾清淤整治及环湾旅游休闲道路工程鸟瞰效果图

五缘湾清淤整治及环湾旅游休闲道路工程地点位于厦门本岛东北部五缘湾(旧称“钟宅湾”)如图1所示。建设规模为：经开挖清淤后湾内水域面积约为1.66km2，纳潮口大桥内水域总面积为2.69km2。开挖方量615.23万m3；回填土方435.0万m3，形成陆域面积169hm2；环湾护岸长18 880m；低水位坝长690m；环湾道路长14 850m；长70m以上桥梁共3座，桥梁共长450m[1]。

工程自2004年起开始可行性研究设计，并经方案设计、初步设计和施工图设计等一系列设计过程；于2006年上半年完成施工图设计，并于2009年主体工程基本建设完成，是厦门市重点工程。笔者当年有幸参与该项目设计，特别是其中的B、C标段(该工程护岸共分A、B、C 3个标段)护岸工程设计。本文主要结合五缘湾清淤整治及环湾旅游休闲道路工程护岸设计，谈谈笔者对滨海护岸工程结构类型、衔接段的处理、设计特点及计算研究，以及对土压力计算破裂角的选择；对水压力、浮托力、渗透压力、扬压力、波浪力、上部荷载等作用力及整体建筑结构力学体系考虑提出自己的看法，以期为类似滨海景观护岸工程设计提供参考和借鉴。

2 护岸主要结构类型

该工程B、C标段护岸结构形式可以分为两大类，即直立式护岸和斜坡式护岸。其中，又因护岸顶面高程、叠层平台的设置、斜坡坡度及坡面数量不同而有多种不同的护岸结构形式。护岸整个景观布置跟护岸外观剖面尺寸系根据景观要求进行设计。局部段如岛屿、水闸附近由于受水流、地形条件的影响，设计将原有的景观方案由斜坡式改为了直立式结构，起到了良好的工程效果。

2.1 直立式和斜坡式护岸主要特点

直立式护岸，采用浆砌块石外加镶面条石砌筑而成，也叫硬式护岸，具有外观美观大方、挡浪效果好，不易形成爬坡，同时可形成较大的水域面积，但岸壁前波浪反射严重，影响水流稳定及船舶泊稳。因此，对波浪掩护不好的区域，应做适当的消浪措施。同时，直立式护岸需要较大的石方量，工作量大，采用人工砌筑、施工进度较慢，需设置沉降缝，造价高，地基承载力要求也较高。

斜坡式护岸，采用回填或自然理坡，外加干砌块石护面，或者直接草皮护坡护面，也叫软式护岸，同样具有观赏性，但挡浪效果较差，易形成爬坡，同时可形成的水域面积较小。相对直立式护岸而言，需要较少的石方量，工作量小，施工可采用土方挖掘、回填机械全线同时推进，施工简便、进度较快，无须设置沉降缝，造价低。地基承载力要求也相对较低。

2.2 直立式和斜坡式护岸适用情况

该工程B、C标段而言，应景观规划及水流条件影响要求，直立式护岸多用于闸坝进出口、岛屿附近及五圆邀月等景观平台段外，其余则多采用斜坡式护岸，达到自然、和谐的统一。

2.3 直立式和斜坡式护岸主要施工步骤

(1)直立式护岸结构施工

基槽开挖→回填基槽块石并碾压→浆砌块石挡土墙(条石镶面)→回填墙后块石棱体、二片石、倒滤层及回填土→护栏施工。

(2)斜坡式护岸结构施工

基槽开挖→抛理护脚棱体块石和护底块石→坡体填土→坡面二片石垫层→混合倒滤层施工。

2.4 列举说明

该工程B标段护岸，根据高程、结构形式、斜坡坡度的不同共有12种结构形式，其护岸高程变化从5.5m～1.2m变化不等，其中直立式护岸7种，斜坡式护岸5种；C标段护岸根据高程、结构形式、斜坡坡度的不同，共有18种结构形式，护岸高程变化从5.0m～1.2m变化不等，其中直立式护岸11种，斜坡式护岸7种。为了更清楚地表达该工程B、C标段的护岸结构形式，笔者就直立式和斜坡式护岸分别列举一个典型断面——B标段的B1-B1及B2-B2断面进行介绍如下。

(1)B1-B1护岸

该段为浆砌块石直立式护岸结构，墙顶高程为5.5m，护岸前沿线与护岸定位线重合，沿护岸定位线后方依次布置3m宽的环湾木铺地步行道、5m宽的景观带和3m宽的电瓶车道，顶面高程为5.5m；再接一宽7m、坡度为5%背景绿化带。而后，预留一宽1m的预留带后，以1∶3的坡度放坡到后方陆域，回填高程7.0m。护岸挡墙墙底高程为-1.5m，墙高7.0m，面坡为1∶0.2，背坡为1∶0.2，挡墙设有前后趾，前趾宽0.26m，高1.3m；后趾宽0.65m，高1.3m。上部结构为C20现浇混凝土压顶，宽1.5m，高0.6m。墙后为10～100Kg块石棱体、二片石及混合倒滤层。平台处栏杆结构为A型花岗岩栏杆结构。墙顶宽1.5m，底宽4.25m，墙身迎水面用条石镶面至高程0.7m。由于该处位于水闸闸口附近，水流流速相对较大，墙前设抛理块石护底，宽7m，厚0.5m，护底块石的底面高程为-2.5m，与湾内底面高程一致。

该断面适用于桩号K0+900～K1+050段护岸。

(2)B2-B2护岸

该段为斜坡式护岸结构，护岸定位线处坡顶高程4.0m，护岸定位线前留50cm平台后直接以1∶2坡度放坡至高程-1.5m(其面层结构由景观公司设计)，压脚块石棱体顶宽3.5m，厚1m，以1∶1.5坡度放坡至中湾清淤底高程-2.5m。沿护岸定位线后方有一宽2.5m高程为4.0m的平台，以1∶2的坡度放坡至顶高程5.0m，在5.0m高程设一宽6.0m的平台后再接一宽7m、坡度为5%的背景绿化带。而后，预留一宽1m的预留带后，以1∶3的坡度放坡至后方陆域，回填高程7.0m。

该断面适用于桩号K1+060～K1+642段护岸。其中，K1+266～K1+274属于1号人行桥桥台范围，K1+388～K1+394属于2号涵洞范围，施工时应注意护岸与桥台或涵洞的衔接。

B1-B1断面和B2-B2断面之间采用锥坡过渡，锥坡起坡点在K1+170。K1+170～K1+160挡墙顶高程不变，底高程K1+170～K1+165为-0.5m、K1+165～K1+160为-2.5m。K1+160～K1+150之间挡墙基础高程保持不变，采用变化混凝土压顶高程的方式过渡。

3 护岸结构计算书编制要求及规范性

对于该工程B、C标段护岸工程，分别对所有斜坡式、直立式护岸按不同高程、断面形式分别依照施工期、使用期、地震期按不同的设计水位对护岸整体稳定、地基应力、斜坡块石厚度及稳定、沉降等按规范要求进行计算，并根据计算结果，对标准断面形式进行拟定。设计计算书是设计成果的重要组成部分，是工程结构设计的依据，也是整个工程设计过程中最具理论技术核心的部分，而规范设计计算书的编制，保证设计计算书能满足校审、归档的要求，确保计算采用的工况、理论的准确性则是提高设计产品质量的关键。在各工况计算过程中均按《港口及航道护岸工程设计与施工规范》(JTJ300-2000)及设计、施工规范有关要求和公式进行计算。其各计算参数取值符合工程等级标准及有关规范、设计手册的要求。

合理地借助设计软件进行辅助设计，将达到事半功倍的效果，但对于工程经验较为缺乏、整体感性认识不足的设计人员，建议慎重使用设计软件。因为软件使用虽具方便快捷的特点，但其具普遍适用性的同时却相对缺乏针对性和灵活性，很多时候在对结构进行合理的简化、建立合理的力学体系的同时，容易疏忽出错、且不易察觉。而且，对于不同的工程情况，其所采用的理论也是有所区别。比如，在进行土压力计算时，应首先判断产生的是主动土压力还是被动土压力，是否形成第二破裂面[2]；针对不同的墙背情况和不同的墙后回填料，其所采用的理论也有郎肯理论和库仑理论之分[3]；在整体稳定计算中，也不是一味地采用圆弧滑动面进行计算，而是应根据地质、地貌，软弱土层的厚度、埋藏深度及夹层情况区别对待[4]。可能产生圆弧滑动、也可能产生浅层或深层剪切滑动破坏，对于不同等级的建筑物，其设计参数又有所区别。而对水压力、浮托力、渗透压力、扬压力、波浪力、上部荷载等作用力及整体建筑结构力学体系考虑的不周或疏忽，甚至细节设计(如回填材料、排水设施、渗透压力、扬压力的消除等)处理不当，也都将可能导致工程设计的失败。

4 护岸结构衔接处理主要类型

该工程B、C标段护岸结构间的衔接，主要有不同高程结构形式直立式与直立式护岸间的衔接，不同高程结构形式直立式与斜坡式护岸间的衔接，及不同高程结构形式斜坡式与斜坡式护岸间的衔接。其衔接处理方式多样灵活，可以是直接放坡顺接、也可以采取锥坡的形式，还可以是采取圆弧渐变甚至是空间扭曲面(此类相对设计、施工复杂，多用于水闸进出口翼墙等对水流流态，防气蚀要求高的构筑物，护岸一般较少采用)等多种过渡段连接的形式，不一而足，但总的原则是在保证护岸结构稳定安全和符合设计、施工规范，满足工程功能、景观要求的前提下，力求结合现场地形、地貌，做到施工方便、简洁、大方，与整体护岸协调统一、衔接顺畅。笔者认为，水运工程复杂多变，每个工程所处的环境条件、地质地貌、功能要求及实际情况也不尽相同，任何生搬硬套的做法都是不可取的，更多的主要还是应该在今后的工程实践中结合具体工程实际情况多加体会、灵活运用。

5 干地施工护岸结构的设计特点

该工程B、C标段护岸利用原有钟宅老海堤进行湾外挡水，具备了干地施工的条件，应该说对于护岸的施工是创造了一个很好的施工条件，省去了为满足干地施工条件常规护岸设计施工所必须的临时围堰工程；对于护岸施工质量的控制也能够起到更好的保障，应该是该工程的一大有利因素。但也正因为干地施工，导致施工期间护岸产生的地基应力相对较大，是其不利因素。该工程中由于多处地段地质情况较好(多为残积粘性土)，承载力较高，虽局部区域存在少量淤泥软弱地段，但相对厚度不大，埋深较浅，经设计对地基进行常规技术处理后，均能满足护岸对地基承载力的要求。

6 结语

滨海护岸工程结构类型、衔接段的处理、设计特点及计算，在设计中应充分结合规划、区域现状、周边衔接、水文、地质等相关自然条件和周边环境，结合水压力、浮托力、渗透压力、扬压力、波浪力、上部荷载等作用力，以及整体建筑结构力学体系，充分应用土力学、水力学、结构力学、岩土力学、理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学等力学理论，理论与经验相结合，达到安全、景美、经济、合理的效果。