结合实际工程分析海堤防护工程设计

2020-11-09常根朋

工程建设与设计 2020年21期

关键词：海堤管桩护坡

常根朋

（南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000）

1 引言

近年来，随着海港导堤建设以及临近区域海堤防护及保滩工程实施，导致了射阳县沿海潮流发生较大变化，原侵蚀较轻的堤段在加剧，特别是双洋闸北侧段海堤外侧滩面蚀退速度在不断加快，堤防直接受潮水威胁。

射阳县境内一线主海堤总长102.42km，海岸类型以射阳河入海口为界分侵蚀型海岸和淤涨型海岸，工程位于射阳河入海口以北，为侵蚀型海岸区。近年来，滩面年平均后退50～100m，年刷深1.2m。为保证海堤安全，保护人民生命财产，实施本次工程。

2 设计原则

根据现状海堤的冲刷情况及波浪情况，发现海堤侵蚀严重处，一般滩面高程较低且距离堤脚约150m 处水深已达到2～3m 深，分析其原因，主要是因为滩面较低，在高潮位时，水深较大，波浪冲击能量未得到消散、波高较高，从而对滩面侵蚀较快，进而威胁堤身安全。

根据河海大学对滨海翻身河北海堤段波浪的研究（参见河海大学《滨海翻身河北海堤达标工程及保滩工程波浪模型试验》资料，2001 年），海堤有保滩工程时波高较无保滩工程时小37%～52%，并且波浪在保滩工程后均发生破碎，波浪作用减小，保滩工程可以保护两堤之间的滩地免受波浪的淘刷并减缓对主海堤的侵蚀作用。

根据以上的观察及试验结论，提出海堤“保堤先保滩”的设计原则【1】。

3 海堤防护设计

3.1 海堤防护形式选择

海堤临水侧的防护主要可采用陡墙式、斜坡式等，并应根据堤身、堤基、堤前水深、风浪大小以及材料、施工等因素经技术经济比较确定【2】。

目前，在海堤防护工程中比较常用的坡面防护结构形式有浆（灌）砌块石、现浇混凝土槽型块、现浇混凝土栅栏板等。其中，浆（灌）砌块石护面结构形式是1998 年海堤达标工程建设中常用的形式，现浇混凝土槽型块、现浇混凝土栅栏板则是2006 年之后海堤达标工程建设中出现的新型结构形式。根据沿海海堤防护实践，现浇混凝土栅栏板中的栅条内钢筋易受海水腐蚀而产生胀裂破损，影响栅条的使用寿命，现浇混凝土槽形块能充分发挥素混凝土耐腐蚀性能良好的优势。

经上述比较，本次工程海堤防护结构选择防护效果较好的现浇混凝土槽型块。

3.2 海堤防护设计计算

根据GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》，混凝土护坡厚度按下式计算确定。

式中，t 为混凝土护面板厚度，m；η 为系数，对整体式大块护面板取1.0，对装配式护面板取 1.1；H 为计算波高，m；ρc为板的密度，t/m3；ρw为水的密度，t/m3；L 为波长，m；B 为沿坡方向（垂直于水面线）的护面板长度，m；m 为斜坡坡率，m=cotα，α 为斜坡的坡角，（°）。

经计算，t=0.280 7m，本工程正常高潮位以下（3.3m 平台以下）设计使用C 型槽型块，折算后混凝土厚度为0.283 3m＞0.280 7m，满足规范要求。

正常高潮位以上（3.3m 平台以上）防护，本次设计参照滨海县、灌东盐场等已建海堤防护工程，采用A 型槽型块。

3.3 海堤防护具体设计

高程 6.5～3.3m 之间为 A 型 25cm 厚 C30 现浇混凝土槽型块护坡，护坡坡度1∶3.5；高程3.3m 为3.0m 宽平台护面（含0.5m×0.7m 纵向 C30 混凝土埂 2 道），平台为 30cm 厚 C30 混凝土；高程3.3～1.7m 为C 型35cm 厚C30 现浇混凝土槽型块护坡，护坡坡度 1∶4.5；高程 1.7～0.5m 为 30cm 厚 C30 现浇混凝土护坡，护坡坡比1∶4.5。坡脚防护采用0.7m×1.0m（宽×深）深底埂，坡脚前抛填厚70cm，宽8m 块石护脚（块石单体质量不小于 60kg），如图 1 所示【3】。

图1 海堤防护结构图（单位：cm）

4 保滩设计

4.1 保滩形式选择

目前，国内主要采用的保滩工程结构形式主要有：管桩顺坝结合丁坝、抛石顺坝结合丁坝、抛石加预制异型块体压护顺坝结合丁坝、混凝土铰链沉排、抛石丁坝、半圆形结构离岸堤、合金钢网柔性块体。我市海堤达标工程建设以来保滩工程常用的有3 种结构形式，即抛石丁坝、抛石顺坝及新型保滩工程形式——管桩顺坝。

管桩顺坝作为一种新型的海堤防护结构可分为连续板桩式和透空桩式2 类。连续板桩式结构具有较好的消浪效果，但承受的波浪水平压力明显较大、造价较高。透空桩式根据模型试验报告，波浪穿过管桩后能量消减一半以上，并且根据波浪的绕流作用，单桩承受的水平力较连续板桩式小。

经过以上对比，本次采用透空式管桩顺坝结构。

4.2 保滩设计计算

本次设计采用无锚板桩计算方法计算管桩在设计水平力作用下桩的最小入土深度，然后用M 法计算桩顶位移和桩身最大弯矩。

本次管桩顺坝保护滩面高程0.0m，管桩桩顶高程为3.0m，桩体悬臂长3.0m，本次设计管桩采用C60 预应力混凝土管桩，桩径50cm，桩透空间距为35cm（透空率41%）。

4.2.1 桩体稳定计算

根据地质资料，土层物理力学指标为：土体浮容重γ=10kN/m3，内聚力C=10kPa，内摩擦角ψ=18.0°。桩体按悬臂式桩计算，计算公式：

式（2）、（3）中，t 为桩入土深度，m；K 为安全系数，一般取 1.1～1.2；h 为合力作用点与滩面的距离，m；P 为波浪压力的合力；D为桩径，m；Kp为被动土压力系数；Ka为主动土压力系数。

经计算，t0=5.03m，计算t=Kt0=5.78m。本次桩体悬臂高3m，桩体总长8.78m，本次设计采用9.0m 管桩，桩体最大弯矩为59.82kN·m；经采用M 法计算，桩顶最大位移为1.66cm，滩面处位移1.0cm。

4.2.2 管桩前后滩面防护

管桩建成后，波浪往复于管桩之间时，会造成经过管桩之间的水流流速瞬间增大，对管桩之间的滩面造成相对严重的蚀降。为保护管桩之间及其前后的滩面，在管桩后设置5m 宽的2层不小于60kg/块的抛石护底，厚70cm。管桩前设置10m 宽底层35cm 厚不小于60kg/块抛石，面层铺设35cm×35cm×35cm（长×宽×高）C30 预制混凝土块1 层；保滩工程具体结构如图2 所示。