低桩承台直立式结构护底设计探讨

唐 云，郑 辉，李春阳

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引 言

深圳机场三跑道扩建工程场地陆域形成工程是深圳机场三跑道扩建工程的先行工程，项目用海面积约294万m2，陆域形成面积约278.9万m2，包括外海堤、跑道区、滑行道、土面区、水面区、场区围堰、穿越道及绕行滑行道共七大功能分区。其中，建设外海堤总长约7 665 m。本工程外海堤距离广深沿江高速机场段特大桥最近处仅 60 m。为保证沿江高速桥墩的安全，经采用三维有限元软件进行大量数值计算论证后，该段海堤（长约500 m）采用能有效阻断海堤自重及陆域回填土导致的地基附加变形侧向传导至沿江高速桥墩的低桩承台直立式结构。低桩承台直立式结构用作海堤或护岸结构的案例较少，相比于传统的直立式护岸或码头前沿的护底结构设计，因承台下方存在会导致波能集中的空腔，其护底设计更为复杂和重要，仅按常规方法计算护底结构重量或厚度可能存在偏危险的情况。本文将结合该工程探讨低桩承台直立式结构下方及前沿的护底设计方法，以期为今后同类结构的护底设计提供参考。工程平面布置见图1。

图1 工程平面布置示意

1 主要设计条件

本工程海堤所处位置海床面高程-3～-4 m，场区表层广泛分布淤泥、淤泥质土，层厚在1～15 m之间，含水率高，物理力学指标极差，且表层淤泥呈流塑状，具有不稳定性。工程区域潮流属不规则半日混合潮，最大落潮流速为1.3 m/s，最大涨潮流速为1.2 m/s，潮差较小。海区的波浪主要以风浪为主，涌浪较少，大浪主要是台风浪。

因本工程外海堤的重要性，其工程级别为1级，设计使用年限为100年，防洪潮标准为200年一遇，防浪标准也为200年一遇，设计采用200年一遇高（潮）水位+200年一遇波浪组合。

1）设计水位（85高程）

设计高水位（200年一遇高水位）：3.40 m

设计低水位（200年一遇低水位）：-1.44 m

施工期高水位（10年一遇高水位）：2.79 m

平均海平面：0.58 m

施工期低水位（10年一遇高水位）：-1.32 m

2）设计波浪要素

本工程海堤设计波浪要素见表1。

表1 海堤200年一遇设计波浪要素

2 低桩承台直立堤及护底设计方案

直立堤采用低桩承台结构，桩基采用钢管桩+钢管板桩。前排（海侧）为斜撑桩，采用Φ1 600 mm钢管桩，斜率3:1，纵向间距为3.7 m，打至强风化岩层以下不小于 3 m；后排（陆侧）挡土直立墙采用Φ1 400 mm钢管桩+Z型钢板桩的组合结构，组合结构中钢管桩为主桩，纵向间距为2.86 m，打至强风化岩层以下不小于3 m；钢板桩为辅桩，仅需穿透软弱土层至残积土或风化岩层顶面（阻断陆侧软土的侧向附加变形传导）。钢管板桩墙陆侧浇筑水下混凝土包覆其背面进行防腐蚀保护。斜撑桩和钢管板桩墙通过顶部现浇钢筋混凝土承台连为一体，承台厚3 m，宽11.7 m。板桩墙后回填中10～100 kg块石棱体，坡面设置二片石+混合倒滤碎石+土工布组成的倒滤结构，后方吹填砂形成海滨大道陆域用地。承台海侧设置带挑檐的挡浪墙，顶高程为 7.86 m。挡浪墙后方回填10～100 kg块石，内坡设置500 mm厚干砌块石+植草砖护面。堤顶设置 7.5 m净宽的防洪通道，顶高程6.66 m。

基础处理：采用水上水泥搅拌桩加固地基，搅拌桩直径1.0 m，前后桩间采用满堂布置（100 %置换），其余采用格栅状布置，搅拌桩处理总宽度38.6～41.8 m（软土厚度不同，搅拌桩处理宽度略有变化）。

护底设计：基础处理后在承台下方及前沿线以外10 m范围先抛填 0.3 m厚二片石，再在上方抛填1.06 m厚300～500 kg块石作护底结构（根据《防波堤与护岸设计规范》5.3.17条计算所得堤前最大波浪底流速约3.8 m/s，按表4.3.24选取护底块石稳定重量）。

低桩承台直立堤及护底结构断面见图2。

图2 低桩承台直立堤及护底结构断面

该方案直立墙前的护底结构不论在承台下方的空腔范围内还是前沿线以外均采用抛填两层块石，块石大小根据《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154-2018）中5.3.17款计算出的堤前最大波浪底流速选取。该方案是较为常规的设计施工方案，但在与施工单位沟通后发现存在很大的施工难度：承台下方空腔内的护底块石需在桩基施打完成后抛填（否则受护底抛石影响，承台钢管桩无法沉桩），但由于承台前排斜撑钢管桩间距较密（中心距3.7 m，净距2.1 m），抛石施工难度非常大，且极易碰损前排钢管桩及后排钢管板桩的防腐涂层。此外，由于本工程泥面高程在-3～-4 m之间，海堤前沿波浪易破碎，破碎波又涌入承台下方空腔形成波能集中，对护底结构冲击较大，块石重量不宜仅按波浪引起的底流速选取。

3 护底设计优化

针对上述问题，拟对护底设计进行优化：承台下方空腔采用模袋混凝土护底，水下充填，厚度0.4 m，宽度超出承台3 m（以便与承台前沿线以外的抛石搭接不小于2 m），待沉桩完成后水下充填施工；承台前沿线以外的护底施工因不受钢管桩影响（可在钢管桩沉桩完成后施工），仍采用抛填块石，但考虑到本工程泥面较高，水深较浅（200年一遇高水位水深约6.5 m），护底可能直接承受波浪作用，且波浪在直立堤前破碎后在承台下方的空腔内形成波能集中，对护底结构形成强烈冲击，为保证结构安全，护底块石的重量在按最大波浪底流速选取值的基础上进行加大，采用1.3 m厚600～800 kg块石，前沿线以外的护底宽度也由10 m加宽至15 m（大于1/4波长）。同时，考虑到模袋混凝土之间会存在施工缝隙且承台前沿线以外的部分块石直接抛填在未经搅拌桩加固的原状软土上容易塌陷，在二片石底部增加铺设一层高强土工垫，土工垫铺设宽度超出护底块石不小于5 m。

优化后设计方案不仅对护底进行了加强，也解决了承台下方无法抛石的问题，设计断面见图3。

图3 优化后的护底结构设计断面

4 波浪物理模型试验验证

由于本工程海堤极为重要，直接掩护机场陆域，海堤工程级别为1级，结构安全性要求非常高，且因本工程场地原泥面较高，护底结构在低水位时可能直接承受破碎波作用，而规范对于直接承受波浪作用尤其是波能集中的破碎波作用的护底结构设计未给出明确的计算方法（规范中护底块石的稳定重量仅根据波浪引起的底流速计算选取）。为保证结构安全，进行了本工程直立堤断面及局部整体波浪物理模型试验，对堤顶越浪量及护底结构稳定性进行了验证。

试验结果如下：原方案护底结构采用300～500 kg块石，200年一遇波浪作用下，护底块石少量晃动，个别失稳，失稳率小于 1.6 %；优化后的方案护底结构采用600～800 kg块石+0.4 m厚模袋混凝土，200年一遇波浪作用下，护底块石出现个别晃动，未出现失稳，模袋混凝土未出现晃动或失稳。

试验结果表明，优化后的护底结构相比原方案稳定性更好，满足规范要求。

5 结 语

本文结合工程实例探讨了低桩承台直立式结构墙前护底结构的设计方法，对比分析了常规设计方案存在的问题，并提出了具体的解决方案，实际应用中可参考下述研究结论：

1）对于低桩承台直立式结构，因承台下方空腔会导致波能集中，尤其是波浪破碎后在空腔内及墙前产生巨大能量，护底块石的稳定重量在根据规范计算出的最大波浪底流速选取的重量值基础上，还应适当进行加大（建议重量增加40 %以上），护底范围相比常规也应进行加宽（可参照防波堤堤头段选取护底长度，且不小于1/4波长）。

2）对于墙前水深较浅的工程，护底设计除了要考虑波浪引起的底流速外，还应考虑护底结构是否可能直接承受波浪作用。对于可能直接承受波浪作用的护底结构，由于规范未给出明确的护底块石稳定重量计算方法，而此时护面块体稳定重量计算公式已不适用（按护面块体计算也过于保守），应采用物理模型试验进行验证。

3）承台下方空腔内的护底结构由于受承台桩基影响，不宜采用抛填块石，可考虑采用模袋混凝土作为防护结构，待沉桩完成后，水下充填施工，可确保不破坏桩基的防腐涂层。