强震区外海人工岛护岸位移控制标准

李存兴,王 成，莫建新，谢 勇

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060)

我国参与的国外工程设计项目很多位于强震区。以往国内已经实施的项目地震加速度主要集中在0.2g以下，国内规范主要采用拟静力分析[1]；当地震超过0.3g时，如果采用拟静力分析，大多数边坡工程的地震工况将成为控制工况；当超过0.4g时，依然采用常规的拟静力法抗震分析难以满足结构安全。为保证结构安全，须系取相应的地基处理和结构措施，这将造成工程投资大幅增加。

国际主流规范允许地震工况发生一定的破坏，一般根据不同的结构性能等级，控制震后残余变形，满足使用要求。但是既有规范的抗震设计主要针对大坝、防洪堤、码头等，没有针对人工岛护岸抗震设计允许位移的规定。以往项目控制标准主要取决于业主工程师，因此在项目标书无规定时，有必要进行研究以确定合适的标准。笔者结合马尼拉滨海新城项目的护岸结构抗震设计，探讨强震区外海人工岛护岸位移控制标准。

1 项目背景

马尼拉滨海新城项目，拟吹填造陆形成318万m2地块，分为南、北两岛，两岛间为景观水道。工程位于马尼拉市中心，受环保等因素制约，吹填之前须先形成围堰。本工程水工建筑物主要为围堰及护岸结构，包括：永久工程护岸总长度为10 198 m，其中靠岸侧及港池侧护岸3 482 m采用直立式结构(极端低水位以上为直立)，其余外围护岸4 216 m采用斜坡式结构，两岛之间景观河道护岸2 500 m。

拟建人工岛护岸区域水底泥面高程为-13.4～-4.8 m；地貌类型为海岛海岸地貌；工程区地质条件极其复杂，表层软土具有强度低且压缩性高的特性，分布不均匀，工程场地土自上而下划分为多个土层，其中②1层为含砂高液限黏土、②2层为含砂黏土、③1层为高液限黏土层，物理力学指标较差，须进行地基处理；深层土④、⑤、⑥层的多个亚土层为含砂高液限黏土、高液限黏土、含砾黏土质砂、胶结砂、砂质弹性粉土等[2]，这些地层埋深较深且力学性能指标相对较高，不进行地基处理，仅考虑沉降影响。

根据项目地震灾害专项评估报告[3],Level 1(72 a一遇)地震加速度为0.28g(地表加速度，已经考虑场地放大)，Level 2(475 a一遇)地震加速度为0.44g。

经过方案比选和优化，推荐方案的结构为：直立段采用阶梯式直立护岸，典型断面如图1a)所示，堤身主体为抛石体，上部为预制方块挡墙和现浇胸墙，内侧设倒滤措施，由于掩护条件较好，顶部设置二级台阶降低局部高程，在不影响使用功能的情况下大幅降低了地基承载力要求，提高了整体稳定性。在满足堤身安全的前提下，堤身结构和地基处理都得到优化。

斜坡段堤身采用常规的抛石堤结构，堤顶设挡浪墙和景观平台，外侧采用人工块体护面，内侧设倒滤设施，典型断面见图1b)。

对于淤泥厚度较大的区域，地基处理采取挤密砂桩，处理范围根据水深和地质条件确定，最大处理宽度为75 m，外坡脚处理范围为堤顶向外25～50 m不等，处理深度北岛平均为14 m、最大为27 m，南岛平均为8 m、最大为13 m；对于淤泥层5 m左右的区域，采取开挖换填中粗砂振冲处理；淤泥厚度小于3 m的局部区域，直接抛石挤淤。

图1 护岸典型断面

设计过程中，采用拟静力分析时的整体稳定安全系数小于1.0，无法满足要求，因此须采用位移分析，允许位移限制。但是采用位移分析时，允许的位移量限值在项目标书中无明确规定，菲律宾当地规范也无相应内容可供选择。如果位移要求过于严格，则地基处理和结构费用难以控制；如果控制过松，又难以满足国际惯例的要求。选取适当的位移控制标准至关重要，既能满足项目功能要求，又尽可能降低工程造价。

对于震后允许残余位移，国际上并无统一的标准，目前主流规范主要针对码头、海堤堤防、大坝、防洪堤等，没有专门针对人工岛护岸结构的标准，因此在确定本项目抗震标准时，须参考相关的国际和有关国家的技术标准，结合项目设计条件和使用特点，综合各种因素共同确定。

2 国内外有关抗震位移控制标准的规定

震后残余位移控制标准考虑的因素为：1)不直接造成重大人员财产损失；2)不发生重大危险物泄露事件;3)基本不影响后方人工岛使用功能;4)无次生灾害发生;5)震后即使有一定的残余变形，也可具备一定的波浪防护能力，可在一定时期内修复。

参考的主要技术标准包括ISO、PIANC、FEMA、OCDI、阿拉斯加岩土委员会等相关的规范。

2.1 国际标准组织 ISO规范

ISO 23469—2005结构设计依据岩土工程设计中的地震作用[4]给出大原则，根据ISO-TR-12930—2014 基于ISO 23469的抗震设计案例[5]，第5.1.5节中的海堤工程案例，地震允许的性能标准见表1。

表1 ISO-TR-12930—2014建议海堤允许性能标准

地震允许的沉降变形可用以下公式计算：

Sa=|HDHTL-HMHTL|+Ha10

(1)

式中：Sa为基于设计高潮位的允许沉降;HDHTL为设计高潮位;HMHTL为平均高潮位;Ha10为防御10 a一遇波浪的必要高度。即震后挡浪墙可以抵抗平均高潮位下10 a一遇波高。

对斜坡堤而言，设计顶高程为5.70～6.00 m，平均高潮位(取平均高高潮)0.50 m，10 a一遇有效波高为2.89 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤顶高程可取3.39 m。

对于直立段，设计顶高程4.00 m，亲水平台高程2.00 m，前沿挡墙2.50 m，10 a一遇有效波高为0.90 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤顶高程可取1.40 m。

对比可知，斜坡段允许沉降超过2 m，直立段允许沉降超过1 m。

经计算，根据ISO-TR-12930—2014的海堤工程案例，对于外海侧，Level 2地震下允许沉降变形即使达到2 m，也可以满足结构震后在平均高潮位下防护10 a一遇波浪的高程。

2.2 国际航运协会 PIANC规范

根据PIANC WG 34[6]的相关规定，地震破坏允许位移主要与结构性能等级、性能要求、结构高度等因素有关。表2为基于性能设计可接受的破坏等级，表3为不同结构等级S、A、B、C的性能要求，表4为根据港口工程重要性分类的结构性能等级划分，表5为重力式码头允许破坏标准建议值。

对于斜坡堤结构，规范没有明确的允许破坏标准。一般而言，防波堤破坏的主要后果是堤顶高程降低，波浪防护功能下降，对于一般情况性能等级可以按照等级C考虑；对于内侧兼做码头、堤顶兼做道路或堤顶有皮带机者，按照等级B考虑；堤顶设油管道时按照等级A考虑；堤顶设置液化天然气管道时，按照等级S考虑。

由于该规范中没有针对护岸结构的参考标准，同为水工结构，使用环境相近，对于半直立护岸，原则上参照重力式码头允许破坏标准的宽限标准执行(边坡高度取堤顶高程至泥面高程的差值)，对于斜坡式结构可参照防波堤执行。

表2 基于性能设计可接受的破坏等级*1

注：*1.除了本表所示的损坏标准外，在确定损坏标准时，应考虑保护人的生命和财产安全，作为运输的紧急基地，防止溢出危险材料(如果适用)；*2.具有有限的非弹性响应和残余变形；*3.结构在短时间到中等时间内可以维修；*4.对周围环境没有显着影响。

表3 等级S、A、B、C的性能要求

表4 根据港口工程重要性分类的性能等级

表5 重力式码头允许破坏标准建议值

注：*1.d为墙顶残余的水平位移，H为墙的高度；*2.提出替代标准，水平方向相对差异位移小于30 cm。

本项目护岸后方50 m区域主要为景观和绿化用地，没有重要建筑物，也没有主干道及次干道，堤后方没有石油天然气管线，也没有皮带机管廊，即使地震后有一定变形，也不会直接造成重大人员伤亡，不存在危险材料泄露等风险，影响不严重，可以修复。综合考虑，对于直立段，抗震防护安全等级取等级B，Level 1地震下很小或无破坏，Level 2地震不倒塌，参照的允许变形取边坡高度的10%，为90～160 cm。对于斜坡堤，结构抗震防护安全等级原则上可取为等级B或等级C，考虑一个项目防护标准的统一性，取为等级B，根据以往项目的经验，斜坡堤顶部允许沉降(竖向变形)为最大护面块体直径的一半或1 m中的小值。

2.3 美国联邦应急管理署FEMA标准

根据FEMA-65[7]，对于大坝工程，根据变形的严重程度(可用堤顶的富余高度损失和导致堤身管涌或基础失效的可能性)来判断大坝在地震荷载下的预期性能。根据建议，沿主破坏面的允许变形限值约为61 cm。

2.4 日本港口技术标准OCDI

根据OCDI 2009[8],对于Level 1地震，重力式结构建议的允许位移为10 cm。

对于Level 2地震，允许变形标准可根据结构的现场条件、性能要求、结构类型等设定如下。

1)特别指定的应急供应运输抗强震设施允许残余变形可以设定为30～100 cm的标准，并且允许的剩余倾斜角可以设定为大约3°。例如，对于有准备紧急恢复系统、有储备应急恢复的材料，则可以判断即使在大变形的情况下，也能够确保可服务性，可以设定允许的变形约为100 cm。

2)特别指定的干线货物运输抗强震设施允许残余变形根据可以恢复预期功能的时间设定。在特别指定的干线货物运输抗强震设施中，为了确保起重机与系泊设施具有相同水平的抗震性，起重机安装了隔震/阻尼器。在这种情况下，分析系泊设施和起重机的动态相互作用的地震响应，并将起重机的结构构件的响应设定在弹性极限内。轨道跨度的相对变形极限应根据安装在轨道上的货物装卸设备的特性设定。例如，如果起重机支腿的弹性变形范围极限是70 cm，并且地震阻尼器的极限(位移行程)是30 cm，则轨道跨度的相对变形的极限可以设定为100 cm。

3)常规的应急供应运输抗强震设施允许的残余变形必须考虑到在Level 2级地震下地面运动变形后的一段时间后能够处理货物。对于残余水平变形，一般可以设定在大约100 cm或更大的数值。

2.5 阿拉斯加地质评估标准委员会

破坏分类根据场地破坏位移情况分类见表6[9-10]。

表6 不同破坏等级分类对应的位移

由表6可知，对破坏等级的定义为：小于3 cm为基本不破坏；15 cm为轻微破坏；30 cm为中等破坏；90 cm为显著破坏；300 cm为灾难性破坏。

2.6 其他国际标准有关位移限制的建议

根据加拿大哥伦比亚特区河堤抗震设计规范[11]，对于河堤工程，不同性能类别允许的堤顶位移见表7。

表7 不同性能类别允许的堤顶位移

注：性能类别A为堤身无明显损坏，地震后防洪能力不受影响；B为堤身有一些可修复的损坏，地震后防洪能力不受影响；C为堤身有重大损害，地震后防洪能力可能会受到影响。

为确保泄洪能力和防洪能力不受影响、防止次生灾害发生，对堤防工程位移限制相对较严。本工程不存在影响防洪或产生次生灾害的问题，因此允许位移可以超出上述限制。

根据长滩码头设计标准POLB WDC V4 2015版[12]，对港口码头结构使用Newmark滑块法，岸坡永久自由场允许变形值为：运营水平地震时小于75 mm；偶遇水平地震小于300 mm；规范设计水平地震小于900 mm。若岸坡自由场变形小于上述限值，则不须进行桩基的动力分析；如果超出上述限制，桩基需要进行动力分析。本工程护岸范围没有桩基，允许位移可以超出上述限制。

3 位移控制标准及分析结果

3.1 允许位移限值

根据项目规划，项目护岸后方50 m区域主要为景观和绿化用地，没有重要建筑物，也没有主干道及次干道，而护岸结构破坏，堤顶的破坏面主要在30 m之内，即使地震后有一定变形，影响也不严重，可以修复。综合以上因素，本次抗震设计的位移控制目标为：围堰及护岸结构整体稳定按照抗震设计采用位移法分析，地震波采用地震专项评估报告推荐的与本项目场地特征反应谱相匹配的地震波，控制Level 2(475 a一遇)地震下16条地震波平均位移小于90 cm，Level 1(72 a一遇)地震下16条修正地震波平均位移小于30 cm。

3.2 结构地震位移计算结果

根据工程条件，位移分析采用核心程序基于美国地质地震局的SLAMMER程序的SLIDE2018软件计算，推荐方案地震位移分析结果为：

1)对于Level 2地震(0.44g)，直立段平均位移75 cm，最大为90 cm，最小42 cm；斜坡段平均位移45 cm，最大位移75 cm，最小18 cm，满足90 cm限制的要求。

2)对于Level 1地震(0.28g)，直立段平均位移9.3 cm，最大为11.7 cm，最小3.8 cm；斜坡段平均位移3.3 cm，最大位移9.1 cm，最小0.4 cm，满足30 cm限制要求。

4 位移敏感性分析

选用项目对应Level 1和Level 2的地震波，对不同规范拟静力分析安全系数为1.0(临界加速度=峰值加速×水平地震系数)时的工况进行位移分析，得到了适用于本项目场地地震反应谱，最终位移和临界加速度与峰值加速度比值之间的关系，主要结果见表8。由表8数据可知，采用不同规范建议的拟静力分析稳定满足要求，并非结构位移为零的绝对安全，而是结构位移处于一个较小的数值。

表8 不同临界加速度与残余位移的对应关系

续表8

地震等级临界加速度与Level 1峰值加速度的比值临界加速度g∕(m·s-2)Level 1地震位移0.28g(Ia=1.8)∕cmLevel 2地震位移0.44g(Ia=5.2)∕cm对应拟静力分析0.6670.1860.210.7CIRIA C7310.6000.1680.515.0PIANC WG340.5000.1401.524.6ASCE 61-140.4000.1123.641.00.3330.0936.358.8POLB v40.3000.0848.471.10.2860.0809.477.40.2500.07012.896.6JTS 146Level10.2220.06216.4116.20.2000.05620.1136.10.1800.05123.9156.20.1670.04727.8176.40.1500.04233.1203.60.1420.04035.7217.20.1250.03543.9258.40.1110.03152.1299.70.1000.02860.4341.2

注：Ia为地震的阿里亚斯烈度(Arias intensity),单位为m/s。

如果基于Level 2地震(0.44g)，拟静力分析采用PIANC(或CIRIA C731[13]、ASCE)建议的水平地震系数，Level 2位移只有2.5 cm(或1.3、5.8 cm)，而Level 1位移几乎为0，结构破坏可以忽略；采用POLB V4时，Level 2位移为22 cm，Level 1位移仅为1.2 cm;采用JTS146时，Level 2位移为43 cm，Level 1位移仅为3.8 cm，相对安全。

如果基于Level 1地震(0.28g)，拟静力分析采用PIANC(或CIRIA C731)[或ASCE]建议的水平地震系数，Level 1位移只有0.5 cm(或0.2、1.5 cm)可以忽略，而Level 2位移为10～25 cm，结构破坏十分有限；采用POLB V4时，Level 1位移为6.3 cm，Level 2位移为59 cm；采用JTS 146时，Level 1位移为12.8 cm，Level 2位移为96.6 cm，破坏比较明显。

因此，采用拟静力分析安全系数满足要求，并不代表结构无破坏，而是位移比较小、结构损坏处于可接受的相对安全水平。基于JTS 146拟静力分析“临界安全”下的地震位移，明显大于采用其他国际规范。但地震加速度为0.28g以下时，即使采用JTS 146进行拟静力分析安全系数为1.0时，位移也在15 cm以内(不计液化和震陷)，对于一般的工程属于可接受的安全水平。

5 结论

1)国际主流规范对于护岸工程的地震残余位移虽无统一要求，但一般来讲，Level 1地震位移原则上可以忽略不计或有少量位移，但基本不影响使用，Level 2地震根据功能要求确定，对于破坏后果严重(如大坝、堤防等)容易产生次生灾害的，或破坏不易修复的(如边坡区存在桩基)，位移限制稍严格；对于破坏后不会造成重大人员伤亡和财产损失、震后一段时间内可以修复的位移略宽松。

2)参照ISO规范时，Level 2地震允许的残余位移须满足震后在平均高潮位下，可防护10 a一遇波浪。

3)参照PIANC标准时，根据护岸后方的道路管线等使用功能综合确定防护等级，对于无特殊要求的B防护等级，Level 2地震允许位移可取边坡高度的10%。

4)参照OCDI标准时，对于常规工程，Level 2地震允许的位移可取100 cm左右。

5)参照FEMA大坝防护标准时，震后变形不应导致管涌流土或基础失效等风险，允许的位移可控制为61 cm；对于普通海岛护岸工程则偏于严格。

6)参照阿拉斯加地质委员会标准时，尚未达到灾难性破坏的较大位移为90 cm。

7)当边坡区域存在桩基或结构作为大堤防洪功能时，Level 2下的位移不宜超过30 cm。

8)结合规划和使用特点，马尼拉滨海新城项目位移控制标准为:Level 2地震(0.44g)不超过 90 cm,Level 1地震(0.28g)不超过 30 cm(实际位移不超过12 cm)。

9)边坡抗震采用拟静力分析且安全系数大于1.0不代表没有位移。如采用JTS规范进行拟静力分析，当地震加速度小于0.28g时(Ia=1.8)，安全系数1.0对应的地震残余位移一般在15 cm以内，当地震加速度更高时，即使安全系数大于1.0，地震残余位移仍有可能超出使用要求。