利用強(qiáng)制確定法對(duì)某復(fù)雜護(hù)岸工程的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)

劉 速

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

引言

護(hù)岸是指在海岸、河岸和湖泊水庫岸邊，為了保護(hù)岸上設(shè)備、建筑物、農(nóng)田等而修建的防護(hù)工 程[1]，其建設(shè)往往是伴隨港口項(xiàng)目、水利項(xiàng)目建設(shè)而進(jìn)行。工程建設(shè)規(guī)模常不大，可對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)用安全至關(guān)重要，運(yùn)營期一般要進(jìn)行經(jīng)常性的加固修復(fù)，確保其功能發(fā)揮。由于護(hù)岸建設(shè)常因地質(zhì)、波浪等條件不同，結(jié)構(gòu)型式常多樣，給選擇加固修復(fù)方案帶來困難。

本文以某油品碼頭項(xiàng)目的護(hù)岸加固修復(fù)工程為實(shí)例，針對(duì)該工程的特點(diǎn)、難點(diǎn)，開展相關(guān)技術(shù)方案研究，提出了較好的解決方案，可為類似工程提供借鑒。

1 建設(shè)條件

某油品碼頭項(xiàng)目建設(shè)1 個(gè)10 萬t 級(jí)（兼靠12萬t 級(jí)）卸船泊位，5 千t 級(jí)和2 千t 級(jí)裝船泊位各2 個(gè)，油品儲(chǔ)罐總?cè)萘?2 萬m3，以及相應(yīng)配套設(shè)施，設(shè)計(jì)年吞吐能力為735 萬t。其中，為保護(hù)岸上成品油有關(guān)的設(shè)備、建筑物的安全，需對(duì)現(xiàn)有護(hù)岸進(jìn)行加固修復(fù)，以提高防護(hù)等級(jí)?，F(xiàn)有護(hù)岸總長為627 m，主要分為東段、中段、西段三段。

東段護(hù)岸以拋理塊石的坡式護(hù)岸，坡度較陡，見圖1。

圖1 東段護(hù)岸現(xiàn)狀照片

中段護(hù)岸為臨時(shí)板樁結(jié)構(gòu)，近岸側(cè)為一排Φ820 mm 鋼管樁，Φ820 mm 鋼管樁的外側(cè)（海側(cè)）設(shè)有一排Φ1 000 mm 間隔鋼管樁（樁尖進(jìn)入持力層），并設(shè)有錨錠梁和鋼拉帶；已使用3 年，變形較大，鋼樁腐蝕較嚴(yán)重，見圖2。

圖2 中段護(hù)岸現(xiàn)狀照片

西段護(hù)岸為簡易拋石坡式護(hù)岸，坡度較平，與東護(hù)岸相比距離建設(shè)的碼頭較遠(yuǎn)，見圖3。

圖3 西段護(hù)岸現(xiàn)狀照片

本工程具有以下的特點(diǎn)、難點(diǎn)：

1）地質(zhì)條件復(fù)雜

根據(jù)本工程地質(zhì)報(bào)告，本工程護(hù)岸內(nèi)側(cè)場(chǎng)地平均回填深度在10 m 左右，回填材料基本為塊石，護(hù)岸前沿為淤泥質(zhì)粘土，厚度不小于7 m，護(hù)岸基礎(chǔ)范圍內(nèi)各土層土質(zhì)差異大，均勻性差。

2）建設(shè)條件差

根據(jù)水文資料，本工程設(shè)計(jì)高水位面臨的波浪高達(dá)3.65 m，對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定提出較高的要求，同時(shí)，由于本護(hù)岸面臨大海，施工需要充分考慮海上施工作業(yè)條件。

3）加固修復(fù)技術(shù)難度大

從工程的東段、中段、西段三段的現(xiàn)有護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式看，結(jié)構(gòu)護(hù)岸型式多樣，損壞程度不一。東段坡度較陡，現(xiàn)有護(hù)面簡易；中段采用板樁結(jié)構(gòu)，變形大，鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重；西段基本為自然放坡型式。不同的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行加固修復(fù)，若要達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全、耐用，加固修復(fù)技術(shù)難度還是比較大的。

2 加固修復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 方案比選

根據(jù)本工程護(hù)岸的特點(diǎn)、難點(diǎn)，護(hù)岸加固修復(fù)方案必須遵守的原則：一是要適應(yīng)于不同水文、地質(zhì)條件；二是盡量采用統(tǒng)一的修復(fù)方案，方便施工、節(jié)約投資；三是修復(fù)質(zhì)量要安全、可靠、耐用。為此，本修復(fù)加固方案考慮以下3 種方案。

1）方案一

盡量利用原護(hù)岸結(jié)構(gòu)，東、西段護(hù)岸仍采用拋石斜坡式護(hù)岸方案，中段仍采用板樁護(hù)岸。本加固修復(fù)方案具有利用現(xiàn)狀、因地制宜的特點(diǎn)，充分利用了現(xiàn)有東西護(hù)岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，中段現(xiàn)有板樁護(hù)岸經(jīng)探摸評(píng)估，修復(fù)后仍具可使用的價(jià)值，節(jié)約了工程投資，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較多樣，板樁結(jié)構(gòu)需要定期檢測(cè)和維護(hù)。

2）方案二

不考慮中段現(xiàn)狀護(hù)岸的利用，東、中、西三段護(hù)岸均采用拋石斜坡護(hù)岸方案。本加固修復(fù)方案結(jié)構(gòu)單一，施工便捷，經(jīng)濟(jì)性一般，缺點(diǎn)需拆除板樁結(jié)構(gòu)，造成浪費(fèi)，工期相對(duì)較長。

3）方案三

考慮到該工程面臨大海，風(fēng)浪條件較差，西段淤泥層厚度達(dá)22 m。為加快工期，西段護(hù)岸備選采用爆破擠淤方案，在現(xiàn)有護(hù)岸外實(shí)施。本加固修復(fù)方案相當(dāng)于新建西段護(hù)岸，整體穩(wěn)定性好，施工工藝較單一、便捷，缺點(diǎn)是不僅要占用新海域，造成一定的環(huán)境污染，而且工程投資也大。

從三個(gè)方案來看，每種方案均有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為確定合理、可行的方案，還需進(jìn)一步的比選。目前的工程設(shè)計(jì)中，比選方法主要是將各方案定性分析后進(jìn)行主觀判斷，當(dāng)選擇因素較多時(shí)，因個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)及偏好等的差異，可能導(dǎo)致方案的不一致或不合理。為減少專家的主觀性，有學(xué)者提出采用層次分析法[2-3]、綜合集成賦權(quán)法[4]、模糊分析法[5-6]來進(jìn)行方案的比選。張逸帆等撰文采用灰色系統(tǒng)論證來選擇航道改建工程中的護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式。[7]本工程涉及的方案類型不多，我們采用價(jià)值工程中簡便易行的強(qiáng)制確定法（也稱FD 法）來進(jìn)行方案比選。強(qiáng)制確定法是在選擇對(duì)象中，通過計(jì)算功能重要性系數(shù)和成本系數(shù)，然后求出兩個(gè)系數(shù)之比，即價(jià)值系數(shù)。根據(jù)價(jià)值系數(shù)大小判斷對(duì)象的價(jià)值，價(jià)值高的選做活動(dòng)的對(duì)象。[8]

方案一、二、三從使用年限上我們根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)估算在0.8:1:1.5，我們將其為所建工程發(fā)揮作用的時(shí)長比例作為功能性重要系數(shù)，即分別為：0.24[=0.8/(0.8+1+1.5)，下同]、0.3、0.45。三個(gè)方案工程投資比為1:1.5:2.2，所以其成本系數(shù)分別為：0.22[=1/(1+1.5+2)，下同]、0.3、0.47。

表1 工程方案比選一覽表

據(jù)此，方案一價(jià)值系數(shù)最高，且工期最短，推薦采用此方案，即護(hù)岸東、西兩段均采用拋石斜坡式護(hù)岸，中段利用現(xiàn)有板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

2.2 加固修復(fù)方案

1）東、西段護(hù)岸

拋石斜坡式護(hù)岸護(hù)面采用扭王字塊體，安放一層，單體重量4 t。坡度為1:2；壓載坡底設(shè)拋石棱體，棱體采用600～800 kg 塊石。西段淤泥層比東段更厚，泥面更高，因此西段護(hù)岸肩臺(tái)、拋石棱體、護(hù)底整體抬高1 m，且西段拋石擠淤所需的石方量比東段將更多。

圖4 東段護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面

圖5 西段護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面

2）中段護(hù)岸

利用現(xiàn)有直立式板樁作為擋浪結(jié)構(gòu)，為提高現(xiàn)有板樁安全度，在護(hù)岸前設(shè)壓腳平臺(tái)，平臺(tái)高程為5.0 m。護(hù)面采用扭王字塊體，安放一層，單體重量4 t。頂面坡度為1:2；壓載坡底采用600～800 kg 塊石設(shè)拋石棱體。

圖6 中段護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面

同時(shí)，對(duì)板樁結(jié)構(gòu)的鋼管樁、鋼拉帶等進(jìn)行修復(fù)。其中，對(duì)高程0.53 m（設(shè)計(jì)低水位）以上至蓋梁以下范圍內(nèi)的Φ1 000 mm 鋼管樁進(jìn)行St3 級(jí)除銹，并涂刷ZINGA（鋅加）防腐涂料，涂層厚度300 μm。

將鋼拉帶分為四類：A 鋼拉帶完好；B 鋼拉帶損壞；C 鋼筋代替鋼拉帶；D 無鋼拉帶的。總體原則是除鋼拉帶完好的外，損壞的均進(jìn)行修復(fù)，沒有的需增設(shè)，具體的措施如下：

①對(duì)B 類鋼拉帶損壞的（每側(cè)銹蝕厚度大于 2 mm 的），按原樣進(jìn)行修復(fù)。

②對(duì)C、D 類鋼筋代替鋼拉帶和無鋼拉帶的，按原有鋼拉帶型式增設(shè)，新增鋼拉帶可穿在兩鋼管樁之間，外側(cè)用型鋼焊在鋼管樁上，錨錠梁根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況另定。

③對(duì)鋼管樁的錨固構(gòu)件如有損壞，需按原樣修復(fù)?，F(xiàn)狀未埋設(shè)好的鋼拉帶暴露在空氣中，銹蝕嚴(yán)重的鋼拉帶除本身修復(fù)外，還要將鋼拉帶埋于回填料中，使其不受氣候影響；凡是埋設(shè)不好的鋼拉帶，在鋼管樁岸側(cè)挖至鋼拉帶無明顯銹蝕處，挖深至鋼拉帶下1 m，底部鋪袋裝混凝土，鋼管樁岸側(cè)也采用袋裝混凝土封閉，再回填山泥或砂，使得鋼拉帶周圍的空氣和大氣隔斷，頂部再干砌塊石厚0.6 m。鋼拉帶防腐措施同板樁護(hù)岸鋼管樁的處理。

3 加固修復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于工程所在地為浙江海域，因此根據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》，確定護(hù)岸的工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)，潮位和波浪的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50 年一遇，堤頂不允許越浪。[9]高程以小洋山理論最低潮面為零點(diǎn)。

3.1 防浪墻頂高程

式中：Hp=5.71 m；RF%按不允許越浪F＝2；ΔH=0.7 m。

式中：K△＝0.45；KV＝1.235；Ro＝1.7；H1%= 3.87 m；KF＝0.94。

經(jīng)計(jì)算，防浪墻頂高程Zp取9.85 m。

3.2 坡頂高程

當(dāng)胸墻前的護(hù)面為塊石、規(guī)則擺放單層四角空心方塊或柵欄板時(shí)，其坡頂高程宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于0.6 倍設(shè)計(jì)波高值處[10]，即：

式中：h設(shè)高=4.51 m；H設(shè)高=3.65 m。

經(jīng)計(jì)算，Z坡＝6.7 m。

如果按計(jì)算取值，該高程由1:2 的坡度到高程5.0 m，斜坡段長度為3.8 m，能擺放高度為1.84 m的4 t 扭王字塊2 排，消浪效果有限。

為提高消浪效果，將坡頂高程提高取整至8 m時(shí)，斜坡段長度為6.7 m，可以擺放3 排4 t 扭王字塊。此時(shí)，塊石墊層底高程為：坡頂高程8 m-扭王字塊厚度1.64 m-塊石墊層厚度1.3 m=5.06 m＜防浪墻底高程6 m，這樣塊石墊層位于防浪墻底面之下，會(huì)因?yàn)閴|層塊石縫隙大導(dǎo)致波浪掏空防浪墻基腳，引起防浪墻失穩(wěn)。

故將坡頂高程提高取整至9 m，此時(shí)斜坡段長度為8.9 m，能擺放4 t 扭王字塊4 排。該高程相應(yīng)提高了扭王字塊下部具有較大空隙的塊石墊層高程，使該墊層頂高程達(dá)6.06 m 高于防浪墻底高程 6 m，以保護(hù)防浪墻的前基角基礎(chǔ)不被波浪淘空而導(dǎo)致防浪墻失穩(wěn)。最終取Z坡＝9 m。

3.3 拋石棱體頂高程

棱體的頂面高程不宜高于設(shè)計(jì)低水位以下1.0倍設(shè)計(jì)波高值[10]，即：

泥面高程2.0m 左右，如果按這個(gè)高程，挖泥方量太大。故按泥面以上拋石2.5 m 取值為4.5 m，保證有一定的棱體厚度。護(hù)底塊石處泥面高程0.5 m左右，護(hù)底塊石頂高程按泥面以上1.5 m 取值為 2.0 m。

3.4 護(hù)面塊體重量

單個(gè)護(hù)面塊體重量：

式中：γb=23 kN/m3；H=3.31 m；KD=18；Sb=2.24；ctgα=2。經(jīng)計(jì)算：W=1.6 t。

采用扭工字塊扭王字塊的最小重量不宜小于2 t[6]?？紤]工程所在地為凹岸，波能易集中，且外側(cè)缺乏有效掩護(hù)條件，波高較大，當(dāng)?shù)卦霈F(xiàn)過波浪損壞原有護(hù)岸的情況，設(shè)計(jì)取了4 t。

3.5 護(hù)面層厚度

護(hù)面層厚度可按下式計(jì)算：

式中：n'=1；c=1.36。經(jīng)計(jì)算，h'=1.64 m。

3.6 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

對(duì)護(hù)岸東段、中部護(hù)岸段和西段分別采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行了整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，使用期的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為：1.67，1.99（圓弧在板樁尖之下）和1.81，均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目建成以后，經(jīng)受了多次臺(tái)風(fēng)和波浪等惡劣自然條件的檢驗(yàn)，截至目前使用情況良好。原護(hù)岸結(jié)構(gòu)雖類型不一，較為復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)時(shí)若能統(tǒng)籌考慮，盡量采用統(tǒng)一修復(fù)加固結(jié)構(gòu)型式，不僅能降低工程造價(jià)，而且能降低施工難度。文中運(yùn)用強(qiáng)制確定法比選確定了在繼續(xù)利用中段原有板樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)錨碇系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)及板樁前加固的方案，既節(jié)約成本又確保了安全，加快了施工進(jìn)度，效果較好。

在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出數(shù)值后同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)個(gè)別數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。