潮汐河口土石堤除险加固达标方案研究

2020-03-11张丽芬

水利规划与设计 2020年3期

濮勋，张丽芬

(上海市水利工程设计研究有限公司，上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

长江口是中等强度的潮汐河口，是一个陆海双相，潮流强，径流大，且挟沙亦多的河口，在平面上呈三级分汊、四口入海的河势格局，水动力环境极为复杂[1]。横沙岛为长江口南北港入海汊道之间的河口拦门沙浅滩，通过人工滩涂整治措施[2-3]，横沙岛周边岸线渐趋稳定。

为降低工程投资和实施风险，整治堤防岸线一般在滩涂促淤工程的基础上实施，由于滩地为新淤积土，承载力较低，堤防多采用适应地基变形能力较强、造价较低的土石斜坡堤，但由于潮波流作用、堤防沉降以及施工质量等问题导致反滤结构失效时有发生，堤身土体流失后逐渐形成空洞、塌陷，危及堤防安全。

横沙东滩促淤圈围(三期)工程位于横沙岛北沿，北堤为2级堤防，长3722.5m，原设计标准为50年一遇高潮位加10级风上限，属于一线海塘，在原抛石促淤坝的基础上进行傍宽，堤身筑堤材料为充泥管袋+堤芯吹填砂，外侧护面采用石块、栅栏板等消浪结构。北堤自2008年建成以来，沿线陆续出现堤身土体流失形成空洞、塌陷的险情，且呈持续发展的趋势。

对于堤身空洞，一般采用物探方法进行探查，但北堤介质层较为复杂，一般物探方法较难完全探明堤身空洞[4]。为消除北堤安全隐患，结合《上海市海塘规划(2011～2020)》[5-6]北堤防御标准提高至100年一遇的总体要求，堤防达标方案在详细进行空洞探查的基础上，研究封堵方案，采取加高墙顶高程、坡面加糙等方法[7-8]，以及研究设置消浪潜坝削弱外海来波作用等，为类似工程的设计提供借鉴。

1 海塘现状及破损原因分析

1.1 海塘现状

北堤为斜坡式土石堤，堤身采用充泥管袋内外棱体与堤芯吹填土，堤脚利用原促淤坝结构，外棱体紧靠原抛石坝内侧构建。堤顶设置浆砌块石防浪墙，堤顶路面高程为8.05～8.65m，墙顶高程为9.25～9.85m，堤顶道路宽6m。外坡为复式断面，上下护坡均为栅栏板结构，坡比1∶3，栅栏板下方设有干砌块石，灌砌块石消浪平台高程5.5m，宽度5m。内坡采用草皮护坡，内青坎宽20m，高程3.5～4.0m。原促淤坝采用桩式离岸堤结构，管桩与抛石坝之间间距为30m，抛石坝坝顶高程3.50m，顶宽3.30m，内外坡比均为1∶1.5。管桩为PHC桩，顶标高4.00m，桩长12.0～15.0m，桩径0.6m，透空间距0.4m。

2011—2015年北堤多次出险，堤身破损主要表现在大方脚破坏、外侧坡面及平台塌陷、空洞、栅栏板拉裂、防浪墙倾斜等，从塌陷段抢险时消浪平台结构开挖情况看，平台下空洞非常严重。堤身破坏情况如图1所示。

图1 堤身破坏情况

历次抢险工程中对大堤大方脚修复、空洞的回填、平台的修复及局部的压密注浆在一定时间内起到了局部消除险情，但由于未从根本上封堵堤身土体的流失通道，堤身破坏呈现出范围增大、程度加深的趋势。

1.2 堤身破损原因分析

堤身破损主要表现在堤身土方流失，出现空洞，外侧护坡结构及平台局部凹陷、开裂或断裂。分析堤身土方主要从堤脚抛石坝以及坡面两个通道流失。

(1)北堤外坡平台及下坡坐落在原抛石促淤坝上，由于促淤坝为抛石松散结构，促淤坝在风浪的作用下下沉，引起堤身土方与抛石坝之间反滤结构拉裂失效。在潮水的反复涨落潮作用下，造成堤身吹填砂经堤脚抛石坝空隙通道流失。

(2)北堤外侧护坡结构为干砌块石上加栅栏板，推测由于干砌块石之间的三角缝较大，存在质量缺陷。在长期紫外线的照射下，干砌块石缝隙下的袋装碎石袋布老化，造成反滤结构失效。另外，北堤实施时条件较为恶劣，充泥管袋坡面削坡整平以及受到寒潮波浪打击破损较为普遍，在风浪长期作用下，堤身土方从损坏、失效的反滤结构处流失，从而引起了上下坡干砌块石沉陷，进一步引起栅栏板拉裂等破坏。

2 堤身密实性探查

由于堤身土体流失的情况由来已久，堤身疏松带和坡面存在空洞的情况较为普遍，且为逐步发展，疏松或空洞无法从表观或肉眼看出，采用破坏开挖查找不现实也对大堤安全不利。因此，探明堤身的密实性是本工程的关键。

2.1 探查方法

由于北堤筑堤介质复杂，单一的方法如地质雷达、高密度电法等较难准确探明空洞情况。本次在地质雷达探查基础上，结合现场调查，在典型断面处布置高密度电阻率法、静力触探试验以及部分开槽等方法对地质雷达探测成果进一步验证，为地质雷达图片解释提供了有力的证据。技术工作路线流程如图2所示。

图2 技术工作路线流程图

(1)地质雷达法

探地雷达[9]是近年来一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损检测的新技术，具体工作原理：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。

(2)高密度电阻率法探查

高密度电阻率法[10-11]属于直流电阻率法的一种，是将电剖面和电测深结合为一体，利用地下介质导电性的差异性，在人工施加电场的作用下，不同介质传导电流的变化，引起电阻率值在不同的区域间变化，反演推断地下地质情况，二维地电断面成像，反映地下地质情况。

(3)静力触探试验

静力触探技术是在静力作用下，机械设备将探针按照一定的速度插入土壤中，探针上设置探测器，会直接对穿透进入土壤过程中阻碍力进行记录，内部系统会通过设置的算法，对探针反馈的阻力数据进行分析，进而能够确定出探测土壤的物理、机械性能[12]。

2.2 测线布置

本次地质雷达探测，分别在下坡4.0m高程处、平台5.5m高程外边处、平台5.5m高程中线处以及上坡6.5m高程处，共布置4条纵向探测线和36条横向探测线。高密度电阻率法剖面位于平台5.5m高程距离外侧边缘0.5m：Ⅰ线(0+243～0+303)、Ⅱ线(2+780～2+840)。在实施过程中结合现场调查，在典型断面处布置静力触探试验以及部分开槽等方法对探地雷达探测成果进一步验证。物探剖面布置示意图如图3所示。

图3 物探剖面布置示意图

2.3 探查结果

根据地质雷达探测资料进行解释及推断，并对地质雷达成果判读疑似问题区域，采用静探试验、高密度电法及现场开槽等方法进行验证[4]。经综合验证，探测范围内，各探查方法探明的堤身情况基本相符。

参照上海市工程建设规范DGJ 08-37—2012《岩土工程勘察规范》中表10.2.7中利用静探判别砂土密实度的有关规定，结合进行相应的滤波、放大等处理分析后的探地雷达初步成果、现场施工及调查情况等进行综合确定，测区异常雷达曲线主要分为以下四种：严重疏松区段、一般疏松区段、浅部空隙区段、正常区段。各类型异常曲线对应静探Ps值、雷达成果特征见表1。

具体分布详见表2。从表2中可见，4条测线位置堤身土体空隙情况大致相同，根据堤身疏松程度不同，提出不同的堤身的加固方案。

3 堤身加固方案

根据破损原因，一是加固出现疏松、空洞的堤身；二是封堵堤身土方从堤脚抛石坝以及坡面流失的通道。

3.1 堤身疏松空洞区填堵

堤身空洞填堵结合外坡维修，将原坡面结构拆除后采用道渣回填夯实，并对护坡反滤结构及栅栏板进行重建。同时，根据物探成果，对不同疏松程度的堤身采取不同数量和范围的压密注浆进行辅助加固。

表1 各种异常曲线类型对应静探Ps值、雷达特征

表2 物探成果汇总表

图4 方案一：高压旋喷桩封堵方案

图5 方案二：模袋混凝土封堵方案

3.2 堤脚保土处理

综合考虑投资造价、实施难度、保土效果、后期隐患等方面，比选以下两组方案。

方案一：高压旋喷桩封堵方案

在原抛石坝内侧4.0m高程设置高压旋喷桩封堵堤身土方从抛石坝流失的通道。具体方案详如图4所示。

方案二：模袋混凝土封堵方案

拆除原抛石坝外侧扭王块体及四脚空心方块后，铺设反滤层，再对原抛石坝灌黄砂、石子。然后沿坡面铺设0.3m厚模袋混凝土，最后坡面安放扭王块体。方案详如图5所示。

方案一采用的高压旋喷桩在一些海堤加固工程也有所应用[13]，但是本工程高压旋喷桩需穿过抛石坝，并位于坡面上，施工时需搭设支架，施工难度较大，工序复杂，需赶潮作业，浆液流失量大，工期较长，费用较大。同时，由于高压旋喷桩穿越抛石层，检测难度较大。

方案二采用的模袋混凝土在堤防工程的小风区中应用广泛，施工工艺及检测方法都较为成熟。本区域风浪大，模袋混凝土在运行过程中受到风浪打击，容易产生开裂等现象，为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块体加强保护。根据物模试验成果，在外侧建有抛石顺坝的前提下，模袋混凝土护面上安放的1t扭王块体可确保稳定。同时，两种方案工程费用相差不大，故推荐采用模袋混凝土封堵。

4 达标方案

4.1 达标措施

常用的海塘达标措施主要有：加高防浪墙、设置消浪潜坝、加宽加高消浪平台以及增加坡面消浪糙率。

结合北堤原断面形式，现状堤脚为抛石坝，加高加宽消浪平台难度较大，且容易产生新老堤身带来的不均匀沉降，故不考虑改变消浪平台尺寸。

原护面结构为栅栏板，消浪效果较好，常用消浪块体中仅扭王块体和扭工块体优于栅栏板，但提升幅度有限，为保持与邻近海塘统一协调，外坡消浪结构仍采用栅栏板护坡。

现状浆砌块石防浪墙存在倾斜、开裂以及错缝的现象，在老墙基础上加高难度大，采用拆除后新建钢筋混凝土防浪墙。

对于是否设消浪潜坝，分析如下：海塘工程实施10年以来，北堤外侧滩地的演变主要与北港河槽反“S”形态的发展及上游500m长丁坝护滩工程的掩护作用有关。工程区外北港主槽仍向横沙岛紧贴，-5m线以下呈冲刷态势，最大后退约50m，-10m线离岸400～500m，最大后退约100m。堤前的管桩内外侧滩面高程变化较小，变化幅度0.2m以内。龚崇准[14-15]等研究的离岸式管桩结构可有效消减作用于滩地上的波浪，并在较大范围内改变波浪形态，使破波转变为浅水推进波，改善滩上的水流波浪等动力条件，保护滩地免受波浪的淘刷，但透空管桩相对连续结构，其消浪效果略差，北堤受强风向NE向波浪正向作用为主，主堤与管桩之间未形成淤积区，堤脚的抛石坝直接受波浪和潮流的作用。

结合前沿主槽逼岸的态势，有必要增设封闭型的消浪潜堤，减小风浪对大堤的直接作用，稳定护面块体，降低波浪爬高。同时，在外侧实施消浪潜坝后，消浪潜坝和大堤之间的滩地势必会有所淤积，可以有效切断堤身底部抛石的土体流失通道，随着时间的推移，原堤脚抛石坝外侧的防护也会得到改善，达到保土的效果。

由于消浪潜坝的位置、坝顶高程及宽度对消浪效果均有较大影响，以下采用公式计算和物模试验[16]两种方法对新建抛石顺坝设置的位置、坝顶高程以及坝顶宽度进行了研究，以确定最优方案。

4.2 潜坝位置及坝顶高程比选

4.2.1物模试验成果分析

考虑现有管桩及砼联锁排体护底结构对施工和投资的影响，重点比较了抛石顺坝紧靠管桩坝外侧和设置在管桩坝外1/2倍波长的位置，同步比较坝顶高程3.7m(略高于多年平均高潮位3.32m)和4.5m(略高于现有管桩顶高程)。

物模试验采集了不同方案在不同工况时的波高值，以验算主堤堤顶波浪爬高、越浪量及上、下坡及堤脚护面结构的稳定性。

100年一遇高潮位及以下设计标准时设计波要素见表3，不同方案实测堤前波高值见表4。

根据物模试验结果，不同潜坝设置方案均能起到一定的消浪作用，潜坝越高和坝顶越接近潮位时消浪效果越好。同一位置时不同坝顶高程、或不同位置时相同坝顶高程，对主堤前的波高值影响差别不明显。上述不同方案时的波浪爬高、越浪量及护面块体稳定均能满足要求。

由于抛石潜坝紧靠管桩坝外侧设置时，滩地相对较高，且可利用现有砼排体，工程投资较省，推荐抛石顺坝紧靠管桩坝外侧设置。

4.2.2公式计算分析

根据GB/T51015—2014《海堤工程设计规范》，新建顺坝消浪作用可按照下式考虑。

表3 设计波要素表

注：*表示破碎波高。

表4 不同顺坝在不同工况时堤前波高值

海塘前沿滩地上设有潜堤时，潜堤后的波要素可按下式计算，由潜堤后的波要素作为堤前波要素，并计算其波浪爬高。

当da/H≤0，H1/H=th[0.8(|da/H|+0.038(L/H)KB]

(1)

当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─静水位到潜堤堤顶的垂直高度，当潜堤出水时取正值，淹没时取负值；H—堤前波浪爬高；H1—潜堤后的波浪爬高；B─潜堤堤顶宽度；KB—系数；L—波长。

根据式(1)、(2)，在消浪潜坝顶宽固定为3.0m的情况下，比较不同消浪潜坝高程情况下(2.5～5.5m)堤顶高程计算值的变化，堤顶高程计算值与消浪潜坝顶高程的关系曲线如图6所示。由图6可见，对于固定的消浪潜坝顶宽，消浪潜坝顶高程越大，坝后堤顶高程计算值越小，且两者呈现二次曲线的关系，消浪潜坝高程2.5m情况下，计算顶高程为10.28m，消浪潜坝高程5.5m时，计算顶高程为9.81m，即消浪潜坝顶高程每加高0.1m，堤顶计算高程平均可下降约0.016m，消浪潜坝顶高程越高，堤顶高程相对可下降越多。

图6 顺坝顶高程与堤顶高程关系图

新建潜坝顶高程的抬高引起工程量以及工程投资的增加，坝顶高程3.7m与4.5m相比，主堤顶高程增加约0.13m，顺坝与主堤的投资增减基本相当，新建顺坝坝顶高程拟定为3.70m。

4.3 新建顺坝坝顶宽度比选

根据GB/T51015—2014，新建顺坝坝顶宽度对消浪效果也有一定影响，在固定新建顺坝顶高程为3.70m的情况下，比较不同消浪潜坝宽度情况下(2～4.5m)堤顶高程计算值的变化，堤顶高程计算值与消浪潜坝顶宽的关系曲线如图7所示。由图7可见，对于固定的消浪潜坝顶高程，消浪潜坝顶宽越大，坝后堤顶高程计算值越小，两者基本为线性关系，消浪潜坝顶宽2m时，堤顶高程计算值为10.23m，消浪潜坝顶宽4.5m时，堤顶高程计算值为10.12m，即消浪潜坝顶宽度每加宽0.1m，堤顶计算高程可下降0.004m。