某滨海地区抛石海堤加高加固设计方案分析

2023-12-23张新娇

水利技术监督 2023年12期

张新娇，张慧

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳 518000；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 510000)

滨海地区地势特殊，气候多变，台风登陆引起的风暴潮灾害时有发生，给城市防潮安全带来较大的挑战和风险隐患。海堤工程是保障城市抵御风暴潮灾害的第一道防线，其安全可靠性和防御能力直接关系滨海城市的安全和经济发展[1-3]。早期建设的海堤标准低，质量差，在台风风暴潮灾害作用下，存在较多影响正常运行的安全隐患，亟需按照城市最新最新防(洪)潮规划要求对现状海堤进行安全评估和加高加固处理，从而进一步完善海堤防洪潮体系及达标建设工作。

目前，海堤加固设计大多数以土堤加固[4-6]为主，并在护面消浪、软基处理、海堤防渗等方面[7-10]有了较为成熟的研究成果，也在某些工程中取得了不错的成效，但在滨海地区抛石海堤加固设计方面研究较少。本文结合深圳市宝安区某抛石海堤加高加固设计实例，从现状海堤安全复核、现状海堤存在问题、加高加固方案拟定、稳定验算等方面进行分析。

1 工程概况

1.1 海堤现状

深圳机场现状二跑道海堤全长约7.85km，建设时间为2008—2013年，海堤防潮标准为100a一遇。南端长约1.4km海堤需按200a一遇防潮标准提升后与深圳机场三跑道扩建工程新建段海堤连接形成机场200a一遇防潮封闭圈。

需加高加固段二跑道海堤堤身填料为块石，堤心堆石体及软基处理采用“爆炸排淤填石法”施工，使堤心堆石体能达到甚至穿过淤泥底层落底在下层黏土上。海堤防浪墙顶高程6.65m，堤顶高程5.65m，堤顶宽9.5m。防浪墙设在堤顶临海侧，采用C25混凝土结构L形挡墙。堤顶设宽7m巡堤路，采用C30混凝土路面，厚0.3m。

海堤迎水面在1.36m高程设置宽5m消浪平台，平台上下斜坡坡率均为1∶2，平台以上护面结构采用厚0.6m的干砌石护坡，护面结构与堤身结构之间设2层碎石垫层，中间铺设一层反滤土工布。平台及平台下部护面厚为1.2m重500～600kg的块石，护脚采用厚0.6m重50～100kg的块石。

海堤背坡采用草皮护坡形式，结合防渗土体在高程3.50m处设一平台，平台上部坡度1∶2，下部坡度1∶3。防渗采用背坡填筑黏性土的方式，填土顶面高程为3.50m，平台宽3m，边坡1∶3，填土下部与填筑堤身时隆起的淤泥相接，形成闭合的相对不透水层。现状二跑道海堤典型横断面如图1所示。

图1 海堤横断面图

1.2 工程水文地质条件

工程沿线原始地貌为滨海滩涂，后经填海形成陆域。海堤西侧为珠江口水域，海堤东侧由北向南依次为机场4#调蓄池水域及机场备用地。堤身块石直径0.4～0.8m，块石间为碎石、黏土充填。原海堤抛石爆破挤淤已将堤身断面淤泥挤出，堤身断面地基以下土层依次为黏土、中砂、砂质性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩，堤身断面两侧仍有6～10m淤泥层。表层淤泥高压缩、固结慢、承载力低、力学性能差；同时沿线填石孔隙大，密实度不均匀，填石内存在孔隙水，随着外海潮涨潮落与现状4#调蓄池水体局部连通，现状4#调蓄池水位波动受潮汐影响较大，有渗透破坏的风险。工程土体物理力学参数表见表1。

表1 土体物理力学参数表

2 现状海堤安全复核

2.1 堤顶高程、越浪量复核

根据《海堤工程设计规范》8.3.1条、附录E、附录F，按照现状海堤断面要素、允许越浪工况计算200a一遇标准下的堤顶高程及越浪量，计算结果见表2。

表2 堤顶高程计算过程表

现状海堤防浪墙顶高程6.65m，规范规定背海侧为草皮护面的海堤允许越浪量为0.01m3/(m·s)，均不满足规范要求。

2.2 护面、护底结构复核

根据《海堤工程设计规范》附录J，计算得出：①200a一遇防潮标准下临海侧干砌石护坡所需厚度为0.95m。而现状海堤1.36m消浪平台以上护面结构采用厚0.6m干砌石，不满足要求；平台及平台下部护面为厚1.2m重500～600kg块石，满足要求。②采用干砌块石作为斜坡堤护坡面层时，单个块体稳定重量至少为1.42t，而单个干砌石或块石实际重量不能达到此重量标准。③护底块石的稳定重量，根据堤前最大波浪底流速确定。经计算，本工程海堤堤前最大波浪底流速为1.53m/s，护底块石的重量应取60kg，现状二跑道海堤护脚采用厚0.6m重50～100kg块石，基本满足要求。

2.3 防渗效果复核

根据本工程勘察报告，主堤与子堤之间为防渗回填的黏土渗透率K为1.16×10-3cm/s，判断为中等透水性。而参考《碾压式土石坝设计规范》：心墙防渗涂料渗透系数不应大于1.0×10-5cm/s。因此，原设计的黏土防渗已经失效；且现状黏土防渗体顶高程为3.5m，不满足防渗体顶高程高于设计高潮位0.5m的要求。

2.4 现状海堤存在问题

根据上述复核结果，现状海堤存在问题如下：①堤顶高程及越浪量均不满足要求；②临海侧消浪平台以上的干砌石护坡厚度和石块重量均不满足防浪要求；③海堤原有黏土防渗已经失效。但海堤临海侧护底块石、现状堤顶宽度均满足规范要求，可保持现状。

3 加高加固方案

3.1 海堤轴线与堤型选取

加固海堤轴线一般有3种方案[11-12]：海堤轴线向背水坡偏移、临海侧偏移、沿原海堤轴线不变。

本工程现状海堤西侧为珠江海域，海岸线位于临海侧二级护坡处，若轴线向临海侧偏移，涉及施工期临时及永久用海，手续麻烦，审批周期长，不满足项目建设需求，且临海侧堤身断面以下存在淤泥层，需进行地基处理，技术难度大，投资高。现状海堤东侧为现状4#调蓄池水面及机场备用土地，若轴线向背水坡偏移，则占用现状4#调蓄池水域面积及调蓄容积，影响机场整体防洪排涝，且该方案填筑量大，也需对背水侧淤泥层地基进行处理，投资最大。鉴于现状海堤堤顶宽度为9.5m满足规范要求，同时原海堤抛石爆破挤淤已将堤身断面淤泥挤出，堤身断面范围内地基承载力好，结构稳定性好，新增工程量小，投资最小。因此从征用地、已有工程现状、对其他工程影响、地质条件、工程投资等方面综合考虑，加高加固后海堤轴线沿原海堤轴线不变。

现状海堤为斜坡式海堤，前后需衔接的新建三跑道海堤及现状南端码头海堤也为斜坡式海堤，考虑到海堤堤型与相邻段堤身断面的一致连续性、协调性及加高拆除填筑工程量，推荐仍保持原海堤断面基本不变。

3.2 护面结构确定

根据海堤安全复核结果：临海侧现状干砌石护面厚度及块石重量均不满足要求，因此需新建海堤护面，根据《海堤工程设计规范》8.5条，旧海堤护面加固采用预制混凝土异形块体护面或混凝土板式护面，但由于海域线限制，混凝土护面施工困难，且新建3条跑道海堤全段采用3t扭王字块护坡，该护面结构糙渗系数KΔ小，消浪效果好，也不易被海浪卷走可有效降低堤顶高程；此外，可在堤顶道路采用吊车安放块体，便于施工。因此，本次护面结构也选用3t扭王字块。

根据《防波堤与护岸设计规范》[13]4.3.20条、4.3.15条及4.3.21条，分别计算出扭王字块护坡厚度为1.42m，护面块石垫层重量为150～300kg，块石垫层的厚度为0.97m。

由于背海侧为现状4#调蓄池，直接临水，背海侧护面采用抗冲刷的厚50cm干砌石护坡。

3.3 堤顶高程确定

为保证堤顶轴线不变，且施工范围不超过现状海域线，消浪平台以上扭王字块护坡安放坡度定为1∶1.5，计算拟定断面要素下堤顶高程为8.39m。但受机场限高影响，本工程挡浪墙顶高程原则上不能高于7.86m，因此按照7.86m堤顶高程进一步验算越浪量。计算的越浪量为0.0064m3/(m·s)，小于允许越浪量0.02m3/(m·s)。同时，根据本工程波浪物理模型物模报告：本工程设计堤顶高程及护面结构方案的海堤均能满足稳定及越浪量要求，因此堤顶高程定为7.86m。

3.4 防渗处理措施

原防渗填土位于现状主堤与子堤之间，挖除重填会影响堤防稳定性，且只能处理浅层，因此防渗方案采取防渗墙方案，滨海地区海堤防渗墙一般采用旋喷桩防渗、搅拌桩防渗、地连墙防渗及咬合桩防渗这几种形式。现状海堤堤身为深厚填石层，选用旋喷桩防渗、搅拌桩防渗无法保证成孔质量，且防渗墙位置位于主堤和子堤中间，子堤本身稳定性较差，地连墙施工机械重量较重(可达上百吨)，施工场地不足以满足地连墙机械的施工。因此结合地质条件适用性及施工时海堤稳定性采用直径1.2m间距0.95m的C20混凝土咬合桩防渗墙，防渗墙顶高程为4.0m，底部穿透填石层进入不透水层不小于1.0m。

3.5 加高加固后堤身断面

迎水面：先拆除原海堤迎水面干砌石及片石面层并进行理平理砌，在消浪平台以上新建坡度为1∶1.5的3t扭王字块护面，护面块体下设厚0.97m 150～300kg垫层块石，并于护面坡脚处设置600～800kg块石棱体挡块，挡块埋深1.0m，高1.8m。

堤顶：先原位破除原海堤防浪墙及路面面层结构C35混凝土，并在堤顶外侧新建1.2m高“L”型防浪墙，防浪墙顶标高为7.86m，堤顶标高6.66m。堤顶内侧设置防洪应急抢险道路，净宽7.5m，采用混凝土道路，设1%的横坡朝背水坡排水。

背水面：①背水坡为现状4#调蓄池范围，4.0m高程以上为防止越浪冲刷，采用如下护坡结构：厚0.5m干砌块石+土工布一层+厚0.30m耕植土+三维快速植生垫，4.0m高程平台以上坡比为1∶1.5，平台下回填黏土，并在主堤和子堤间抛石深度最小位置设置咬合桩防渗墙。②背水坡为现状机场备用地，现状地面高程以上为防止越浪冲刷，采用与调蓄池侧相同的护面结构，并于坡底设置排水沟收集雨水最终汇入调蓄池内。加高加固后海堤的断面如图2—3所示。