護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)案例分析

林志堅(jiān)，連石水，何梓均

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 項(xiàng)目簡述

項(xiàng)目位于福州長樂市東面，福州市長樂國際機(jī)場(chǎng)東側(cè)的湖南鎮(zhèn)境內(nèi)，緊鄰福州市長樂國際機(jī)場(chǎng)，通過填海造地建設(shè)飛機(jī)維修基地、倉儲(chǔ)基地和萬翔快遞中心，工程水深范圍在-6.5 m以內(nèi)。項(xiàng)目建設(shè)護(hù)岸約4 540 m，填海形成陸域面積約為75.4萬m2，項(xiàng)目位置見圖1。飛機(jī)維修基地、倉儲(chǔ)基地和萬翔快遞中心位置、朝向和水深都不相同，使用要求也不一樣，僅選取快遞中心東南臨海側(cè)的典型護(hù)岸斷面進(jìn)行護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)案例分析。

2 典型護(hù)岸結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

護(hù)岸按水運(yùn)工程規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，民用機(jī)場(chǎng)根據(jù)重要程度和飛行區(qū)指標(biāo)分為3個(gè)防護(hù)等級(jí)，本工程重要程度為“重要的國內(nèi)干線機(jī)場(chǎng)及一般的國際機(jī)場(chǎng)”，防護(hù)等級(jí)為II級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)≥50 a，但需按100 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，且不應(yīng)低于所在城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)。護(hù)岸的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為I級(jí)。護(hù)岸防浪、防潮標(biāo)準(zhǔn)為：1）設(shè)計(jì)水位采用100 a一遇的高潮位；2）設(shè)計(jì)波浪為100 a一遇的波浪；3） 越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)：Q允≤0.05 m3/（s·m）；4）施工期波浪防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇的波浪。

圖1 福建某項(xiàng)目位置概況圖Fig.1 Location map of a project in Fujian

3 典型護(hù)岸主要設(shè)計(jì)條件

1）設(shè)計(jì)水位

100 a一遇極值高水位：5.37 m；極端高水位（50 a一遇）：5.13 m；設(shè)計(jì)高水位（高潮累積頻率10%）：3.69 m；設(shè)計(jì)低水位（低潮累積頻率90%）：-2.76 m；極端低水位（50 a一遇）：-3.87 m。

2）設(shè)計(jì)波浪

100 a一遇設(shè)計(jì)波浪：H1%=8.48 m、H13%=6.77 m。5 a一遇設(shè)計(jì)波浪：H13%=3.2 m。

3）設(shè)計(jì)荷載

均布荷載20 kN/m2。

4） 地震

地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，地震基本烈度值為Ⅶ度，場(chǎng)地類別屬于Ⅲ類。

5） 地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，工程區(qū)從上而下分別為①細(xì)砂、②淤泥質(zhì)土、③中砂、④黏土～粉質(zhì)黏土、⑤中粗礫砂。從揭示的地層分析，場(chǎng)地主要軟土層為淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)土含水量大、強(qiáng)度低、壓縮性高、厚度大（平均厚度6.39 m）、標(biāo)貫擊數(shù)低（平均標(biāo)貫擊數(shù)N=2.6），需對(duì)其進(jìn)行處理才能保證護(hù)岸使用期對(duì)沉降和穩(wěn)定的要求。淤泥質(zhì)土主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

6）護(hù)岸坡腳抗沖刷要求

表1 淤泥質(zhì)土主要物理力學(xué)指標(biāo)表Table 1 Main physical and mechanical indexes of muddy soil

根據(jù)《福州長樂國際機(jī)場(chǎng)二期建設(shè)陸域形成工程潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告》預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，萬翔快遞中心護(hù)岸形成后存在沖刷坡腳問題，最大沖刷深度在0.92～4.04 m之間，因此應(yīng)進(jìn)行護(hù)岸坡底防沖刷處理，護(hù)岸海側(cè)坡腳開挖基槽并回填塊石，起到抗沖刷的作用。

4 護(hù)岸原設(shè)計(jì)概述

1）護(hù)岸原設(shè)計(jì)簡介

護(hù)岸原設(shè)計(jì)采用斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，護(hù)岸頂現(xiàn)澆L形鋼筋混凝土擋浪墻，鋼筋混凝土擋浪墻頂標(biāo)高10.7 m，擋浪墻陸側(cè)9.5 m標(biāo)高處設(shè)寬7.7 m路面結(jié)構(gòu)，路面陸側(cè)設(shè)寬3.5 m鋼筋混凝土排水溝。擋浪墻前消浪平臺(tái)寬38.5 m，海側(cè)護(hù)岸邊坡坡度為1∶1.5，海側(cè)護(hù)面結(jié)構(gòu)采用18 t扭王字塊，護(hù)面結(jié)構(gòu)下墊層塊石采用厚度1.6 m的0.9～1.8 t塊石，墊層塊石下堤心采用10～100 kg塊石，10～100 kg塊石與回填海砂之間過渡采用混合倒濾層和多功能土工墊。為預(yù)防護(hù)岸海側(cè)坡腳沖刷，護(hù)岸海側(cè)坡腳開挖4 m后回填塊石。護(hù)岸地基處理主要采用塑料排水板+堆載預(yù)壓法，由于部分區(qū)域軟土（淤泥質(zhì)土）厚度較大，為滿足護(hù)岸穩(wěn)定，減小護(hù)岸斷面寬度以縮減用海面積，護(hù)岸外側(cè)局部區(qū)域地基處理采用砂樁復(fù)合地基。地基處理用的砂袋圍堰采用在水運(yùn)工程中常采用的土工管袋護(hù)面。護(hù)岸原設(shè)計(jì)斷面圖見圖2。

2）護(hù)岸原設(shè)計(jì)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素

圖2 護(hù)岸原設(shè)計(jì)斷面圖Fig.2 Original design sectional diagram of revetment

護(hù)岸原設(shè)計(jì)是斜坡式護(hù)岸常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式，具有工序簡單、施工工藝成熟、施工快速簡便的特點(diǎn)，但是由于工程區(qū)域地質(zhì)條件差必須進(jìn)行軟基處理方可保證護(hù)岸整體穩(wěn)定，而軟基處理施工期長，施工期間需經(jīng)受當(dāng)?shù)睾r條件較差的考驗(yàn)，軟基處理施工期間防護(hù)是否安全可靠是護(hù)岸設(shè)計(jì)能否實(shí)施的關(guān)鍵因素。

5 護(hù)岸原設(shè)計(jì)在試驗(yàn)段施工中遇到的問題

由于工程所在地海況條件較差，為驗(yàn)證原設(shè)計(jì)地基處理用的圍堰的安全可靠性，前期施工了30 m長的圍堰試驗(yàn)段。圍堰試驗(yàn)段標(biāo)高+4.0 m，護(hù)面采用土工管袋，在圍堰試驗(yàn)段建成后存在個(gè)別土工管袋在往復(fù)涌浪攜帶建筑垃圾的沖擊下破袋漏砂現(xiàn)象，圍堰存在安全隱患。圍堰試驗(yàn)段成果表明：為保證地基處理施工期間安全可靠，水運(yùn)工程中常用的土工管袋護(hù)面在本工程中不適用，需另尋解決方案。

設(shè)計(jì)曾考慮過采用尼龍網(wǎng)兜塊石[1]替代土工管袋作為圍堰的護(hù)面，但尼龍網(wǎng)兜塊石工程造價(jià)高，圍堰施工期后需拆除，所以對(duì)于臨時(shí)結(jié)構(gòu)而言代價(jià)高，尼龍網(wǎng)兜石水下部分拆除難度很大，施工的可行性差，因此不予以采用。簡單更換圍堰護(hù)面結(jié)構(gòu)來解決地基處理時(shí)所用圍堰的安全隱患變得不切合實(shí)際，因此設(shè)計(jì)考慮優(yōu)化改進(jìn)護(hù)岸結(jié)構(gòu)以達(dá)到同時(shí)滿足使用期與施工期安全要求的目的。

6 優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

6.1 優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)簡介

1）優(yōu)化改進(jìn)后設(shè)計(jì)斷面

護(hù)岸優(yōu)化[2]改進(jìn)后設(shè)計(jì)斷面與原設(shè)計(jì)斷面主要不同之處在于護(hù)岸坡腳設(shè)置了φ1 000 mm鋼管板樁[3]@1 140 mm，砂樁[4]處理范圍原設(shè)計(jì)斷面寬度由25 m減少為20 m，鋼管板樁樁底進(jìn)入砂層不小于2 m，護(hù)岸優(yōu)化改進(jìn)后的設(shè)計(jì)斷面圖見圖3。鋼管樁之間縫隙較大，坡腳設(shè)置鋼管樁后無法解決沖刷問題，仍需在護(hù)岸海側(cè)坡腳開挖基槽并回填塊石，主要起到抗沖刷的作用。

圖3 護(hù)岸優(yōu)化改進(jìn)后的設(shè)計(jì)斷面圖Fig.3 Optimized improved design sectional diagram of revetment

2）護(hù)岸坡腳設(shè)置鋼管板樁作用

鋼管板樁主要起到3個(gè)作用：①施工期海況條件較差，鋼管板樁施工期樁頂標(biāo)高4.0 m，起到地基處理（砂樁）施工期安全防護(hù)作用，護(hù)岸優(yōu)化改進(jìn)后的地基處理斷面圖見圖4；②現(xiàn)場(chǎng)挖槽試驗(yàn)結(jié)果顯示24 h回淤[5]強(qiáng)度1.5 m，鋼管板樁的設(shè)置解決了護(hù)岸坡腳開挖回淤問題；③鋼管板樁提高了護(hù)岸整體穩(wěn)定性，因此可以相應(yīng)減少砂樁處理的范圍，降低了砂樁地基處理工程費(fèi)用。

3）改善施工環(huán)境

圖4 護(hù)岸優(yōu)化改進(jìn)后的地基處理斷面圖Fig.4 Optimized design sectional diagram of foundation treatment of revetment

護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后施工順序：①施打鋼管板樁→②回填中粗砂至4.0 m→③砂樁施工（見圖4）→④開挖坡腳基槽→⑤護(hù)岸海側(cè)部分結(jié)構(gòu)施工（護(hù)岸海側(cè)結(jié)構(gòu)施工至頂標(biāo)高大于4.0 m）→⑥后方回填砂至+3.0 m→⑦插設(shè)塑料排水板→⑧分級(jí)堆載砂預(yù)壓[6]（分4級(jí)加載）→⑨開挖基槽進(jìn)行護(hù)岸剩余結(jié)構(gòu)施工。

優(yōu)化改進(jìn)后改善了施工環(huán)境，提高了施工期抗風(fēng)浪的安全性：砂樁施工③時(shí)有鋼管板樁圍堰[7]遮擋風(fēng)浪；開挖坡腳基槽④時(shí)，有鋼管板樁圍堰遮擋回淤；護(hù)岸海側(cè)部分結(jié)構(gòu)施工⑤（護(hù)岸海側(cè)結(jié)構(gòu)施工至頂標(biāo)高大于4.0 m）后形成具備抗臺(tái)風(fēng)能力的可靠結(jié)構(gòu)，為后期的塑料排水板+堆載預(yù)壓地基處理施工創(chuàng)造了良好的條件。

6.2 優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核

1）護(hù)岸整體穩(wěn)定復(fù)核

護(hù)岸邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算方法采用圓弧滑動(dòng)面簡單條分法[8]。護(hù)岸整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2～表3。典型斷面一、典型斷面二、典型斷面三位置見圖1。

表2 護(hù)岸典型斷面整體穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算匯總表Table 2 Summary table of integral stability resistance coefficient of typical section of revetment

表3 施工期（短暫狀況）堆載邊坡穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算表Table 3 Calculation table of partial coefficient of stability resistance of surcharge slope during construction(transient situation)

綜上計(jì)算結(jié)果，護(hù)岸的使用期整體穩(wěn)定最小抗力系數(shù)1.122≥1.1、地震整體穩(wěn)定最小抗力系數(shù)1.101≥1.0、施工期整體穩(wěn)定最小抗力系數(shù)1.181≥1.0，因此護(hù)岸整體穩(wěn)定滿足JTS 147—2017《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2）鋼管板樁復(fù)核

鋼管板樁材料采用Q345，根據(jù)JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTS 152—2012《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求需進(jìn)行踢腳穩(wěn)定[9]和鋼管板樁應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 鋼管板樁踢腳穩(wěn)定結(jié)果Table 4 Stability results of steel sheet pile

表5 鋼管板樁內(nèi)力結(jié)果Table 5 Internal force results of steel sheet pile

綜上計(jì)算結(jié)果，鋼管板樁在使用期、施工期的抗傾力矩均大于傾覆力矩，因此踢腳穩(wěn)定滿足《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，鋼管板樁最大應(yīng)力280 MPa≤310 MPa滿足《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

7 結(jié)語

項(xiàng)目護(hù)岸已于2018年3月完成施工，經(jīng)優(yōu)化改造后的護(hù)岸結(jié)構(gòu)在施工中實(shí)施順利，護(hù)岸至今使用情況良好。需軟基處理的斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式，軟基處理施工期間防護(hù)是否安全可靠是護(hù)岸設(shè)計(jì)能否實(shí)施的關(guān)鍵因素。在護(hù)岸坡腳增設(shè)鋼管板樁的方式優(yōu)化改進(jìn)護(hù)岸結(jié)構(gòu)可解決施工期安全防護(hù)問題，解決開挖回淤問題，提高護(hù)岸整體穩(wěn)定性并減少了砂樁處理的范圍，達(dá)到同時(shí)滿足使用期與施工期安全要求的目的。在護(hù)岸坡腳增設(shè)鋼管板樁的方式可供類似海況條件較差且需進(jìn)行軟基處理的護(hù)岸工程設(shè)計(jì)施工參考借鑒。