浅谈海塘提标设计中塘顶高程的若干计算问题

2022-10-09姚怡斐和晓磊

浙江水利科技 2022年5期

张策，徐剑，姚怡斐，和晓磊

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江杭州 310016）

1 引言

为进一步提升沿海防台御潮能力，发挥海塘对高质量发展的促进引领作用，浙江省近年来率先谋划实施高标准海塘的建设，综合打造安全可靠、绿色生态、功能综合、运行高效的海塘工程体系[1]。

随着各地海塘提标建设工程的逐步推进，在改、扩建的海塘设计实施中，关于海塘高程计算的疑难问题也显现出来：一是波浪浅水变形的计算繁琐。该计算通常采用“多米诺骨牌”式计算法[2]，需多次内插来查算能耗系数曲线图，图中曲线密集且清晰度较低，应用内插法计算的工作量大，严重影响工程师的设计效率。二是部分海塘日常未开展沉降观测工作，无法根据运行期沉降观测结果推算老工程的残余沉降。三是改、扩建类的海塘沉降计算复杂且准确度不足。为保证真实性，不可将其视为与新建海塘相同的工况进行计算，该计算既需考虑老海堤与提标加固工程的工序与荷载施加关系，又需结合客观数据提高计算模型的准确性，计算难度较大。

本文以舟山市某海塘安澜工程为基础，以结构安全及计算准确为前提，提出一种简便的设计计算思路（见图1），为相关海塘安澜工程的设计工作提供参考。

图1 本文分析思路图

2 海塘结构说明

2.1 海塘原建设情况说明

现状海塘于2010年开始建设，原设计海塘防浪墙顶高程4.50 m，塘顶宽7.3 m，采用20 cm厚的C25混凝土路面。外海侧为直立式灌砌块石挡墙，挡墙内部采用干砌棱体填筑，外侧设置镇压层平台，平台与水平块石抛填护面以1:3.0的坡度衔接。内坡通过干砌块石护面以1:3.0的坡度衔接至内侧闭气土方，闭气土方顶高程为1.00 m，宽度28.0 m。子堤通过抛石填筑，顶宽8.0 m。现状海塘断面结构见图2。

图2 现状海塘断面图单位：cm

2.2 本次海塘提标设计说明

根据相关规划[3]，海塘设防标准需提高至100 a一遇，主要建筑物级别为1级，设计塘顶采用C30钢筋混凝土插筋加高，防浪墙表层采用弹性体涂料喷涂。考虑到塘身下部存在块石基础，在原有路面上铺装沥青，同时向内陆侧延伸塘顶宽度，形成“人行道3.5 m+行车道8.5 m”的塘顶多功能空间，在人行道与绿化带下部的路基采用石渣回填夯实的工程措施以减少后期沉降。塘后与子堤的高程相衔接，采用坡度为1:8.0的大缓坡结构型式，下部采用防渗土体压实，提升塘身的防渗安全度。提标后海塘断面结构见图3。

图3 提标海塘断面图单位：cm

3 防潮安全高程的计算分析

为提高计算效率，黄朝煊等[4]对波浪浅水变形计算进行研究并给出简洁计算解析式，以工程实例为基础，分别对简洁解析式与规范计算方法进行比较分析，验证公式的精度完全满足工程要求。

本小节采用上述研究的简洁解析式进行计算分析，结合波浪数模研究专题的报告成果验证，再根据波浪爬高公式计算得出防潮安全高程。

3.1 浅水变形计算方法及输出数据

结合前期已计算出的水深、海床坡度、波长以及波高等数据，按照下式进行计算：

式（1）中：H0为浅水变形后的平均波高，m；H0’为浅水变形计算起始点的平均波高，m；f为摩擦系数，淤泥质海堤取0.01，粗砂质海堤取0.02，本工程取0.01；g为重力加速度，m/s2；T为波周期，s；A0为海底地形斜坡斜率倒数的绝对值；L为平均波长，m；L0为深水波长，m；d起点为浅水变形起始点水深，m；d终点为浅水变形终点水深，m。

表1 波浪浅水变形计算表

3.2 浅水变形成果验证

数模专题采用丹麦水力研究所MIKE21（Spectral Wave）模型进行计算。为更好地模拟工程区域的波浪变化过程与塘前水深变化，外海采用低分辨率三角形网格工程区网格进行加密，堤前最小网格设置为10 m边长，见图4（图中纵、横坐标为经墨卡托投影的1984世界大地坐标系）。

图4 工程区网格示意图

采用“201509”号“灿鸿”台风过程的波浪数据进行模型验证，选取工程区的2个点位WG1与WG2进行分析，波高和周期验证结果见图5。由图5可知，模拟结果与实测数据趋势基本一致，模拟结果匹配较好，表明波浪模型参数设置较为合理。

模型经过验证之后，采用100 a一遇设计风速资料和潮位进行模拟计算，得到海塘桩号2+000 m附近的波浪要素，将模型数据与解析式计算数据进行比较分析，结果见表2。

表2 波高数值比对表

由表2可知，塘前累计率1%的波高H1%计算数值无偏差，塘前平均波高H有1.54%的偏差，其原因主要是本地区海图精度不足，导致计算风区的水深计算存在误差。结果表明，采用简洁解析式的计算结果符合工程需求。

3.3 防潮安全高程计算结果

根据解析式计算的相关数据，结合规范要求[5]以及海塘结构特点，进一步计算海塘波浪爬高，汇总得出海塘的防潮安全高程为5.24 m，计算过程见表3。

表3 防潮安全高程计算表

式（2）中：Zp为100 a一遇的塘顶高程（防潮安全高程），m；hp为100 a一遇设计高潮位，m；Rf为累计频率13%的波浪爬高值，m；A为安全加高值；Rf’为考虑压载系数后的波浪爬高值，m；K△为糙渗系数；Kv为与风速及塘前水深有关的系数；R0为不透水光滑墙上的相对爬高；H1%为波高累计率1%的波高值；KF为波高累计频率换算系数；Ky为压载系数。

4 海塘沉降的计算分析

4.1 计算思路及特点说明

海塘沉降差值法的计算特点主要为：一是通过地勘成果与模型计算中块石层沉降的数据比对，校准计算模型，提高成果相对准确度。二是与老海塘残余沉降的结合。浙江省部分海塘无日常观测资料，无法按照常规的双曲线法、沉降速率等方法推测其残余沉降，差值法可通过新、老计算模型的沉降差值，将残余沉降的数据纳入最终的预留沉降中。计算思路见图6。

图6 沉降计算时间轴图

4.2 沉降稳定分析

虽然本模型已通过差值法涵盖了老海塘的剩余沉降量，但出于安全富裕度的考虑，仍需要在没有日常观测资料的前提下，初步推算现状海塘是否沉降稳定，以确保本工程最终计算成果的安全富裕度。拟从建成时间、堤基固结、计算方法、现场面貌等方面进行判定分析。

建成时间：老海塘于2012年完工，新海塘于2023年开工，时间跨度为11 a。根据SL 435—2008《海塘工程设计规范》[5]中8.3.6条文说明所述，一般在筑堤竣工验收后5~10 a沉降基本完成。因此从时间上来看，本海塘沉降已达到稳定。

堤基固结：通过理正计算，在塘身下部25 m塑料排水板的范围内，固结度趋近为1.0，结合技术规定[2]，从堤基土体的固结情况来看，沉降已达到稳定。

计算方法：为规避老海塘沉降不稳定的情况，本次计算采用新、老海塘沉降差值法（见图7），即无论老海塘的沉降是否稳定，老海塘在新海塘周期内的残余沉降在新海塘模型的总体沉降中已涵盖，无漏算。

图7 沉降差值法特点说明图

现场面貌：本海塘起始及终点均为山体，地质条件较好，海塘在山体侧基本无沉降。经沿线现场踏勘后发现，塘身各结构段的伸缩缝处均无高低错缝等现象，可知本海塘中间区段的沉降较小，趋于稳定（见图8）。

4.3 计算方法及计算结果

如果将海塘安澜设计方案在本次地勘成果的基础上建立沉降模型进行计算，其结果既不符合施工工序，不能准确模拟设计方案新增的土体时间与尺寸，又无法校准其合理性。因此，本次采用理正软件的“复杂软土地基堤坝设计”模块，通过建立老海塘模型模拟至本次安澜工程的地勘时间节点，结合模型计算的块石层沉降量与实际地勘块石沉降量的校准，不仅可提高海塘模型的准确度，还可计算出现状块石已有的沉降量，为下一步计算打好基础，计算思路见图9。

图9 老海塘现状沉降以及模型校准思路图

将上述经校准后的老海塘模型参数保持不变，仅在模型海塘的塘身上部按照本次设计方案进行补充设置，并在施工工序上根据实际调整，计算思路见图10。最后，将2个沉降数据相减得出本次海塘安澜设计中需预留的沉降量，即D=S2-S1。

图10 总沉降量计算思路图

以桩号2+000 m为例，在计算过程中，首先根据原设计资料分析得出原设计块石层抛填底高程为-4.10 m，结合现状地勘结果中的块石层底高程-6.20 m，计算得到实际块石抛填沉降量S1为2.10 m。通过理正软件根据实际沉降量不断调整沉降经验系数等参数，校准模型后将模型沉降量与实际沉降量相统一（见图11），以校准后的模型为基础，考虑工后保证年份15 a的工况，得出总沉降量S2为2.43 m（见图12）。故本工程需预留的沉降量D=S2-S1=0.33 m，约为堤身高度的3.8%，符合SL 435—2008《海塘工程设计规范》[5]8.3.6条文说明所述，堤身沉降量约为堤高的3%~5%。