程 严 侯昊华

(广东省水利电力勘测设计研究院 广州 510635) (水利部海河水利委员会 天津 300170)

临海围堰结构设计分析

程 严 侯昊华

(广东省水利电力勘测设计研究院 广州 510635) (水利部海河水利委员会 天津 300170)

本文根据临海工程所在区域的水文、地质条件分析，将堰型选择、基础处理、风浪防护等作为临海围堰结构设计的重点，详细介绍其结构计算中的方法和步骤。经工程实践，临海围堰结构型式采用抛石护坡、充填膜袋结合反压平台的方式，其设计思路和方法是合理可行的，能满足施工便捷、结构安全、经济合理的要求，可供其他临海工程设计时参考。

临海围堰 充填膜袋 结构设计要点

临海围堰属于挡水建筑物，是临时工程，应用范围较广。与内陆围堰工程相比，不同点主要表现在以下方面：ⓐ临海围堰受洪水和潮水的双重影响，施工洪潮水位主要受潮水位控制;ⓑ受风浪影响较大，需考虑消浪、防护措施;ⓒ通常修建在软土地基上，基础处理难度大。鉴于此，本文结合工程实例，根据临海工程区域的水文、地质特点，对临海围堰结构设计要点进行分析。

1 工程概况

西闸站位于汕头市东部城市经济带新溪片区主河涌西端，紧临新津河出海口。根据新溪片区施工进度安排，西闸站工期为1年。工程完建后，上游内陆涝水通过主河涌从西闸站排出。该工程为100年一遇设计防潮(洪)标准，主要建筑物等级为1级。闸站临海围堰设计标准为全年5年一遇(P=20%)施工潮水。

西闸站工程由4(孔)×9m(孔宽)的水闸和泵站组成，泵站设计流量为84m3/s。该工程具有施工工序复杂、基础处理困难、工期短等特点。因此，快速填筑围堰并保证其施工期间的工程结构安全，成为本工程施工进度控制的关键点之一。

2 工程条件

2.1 水文条件

本工程区域属季风气候区，多年平均风速2.7m/s，平均每年汕头海面6级以上强风约有140天(包括台风、热带低压和冷空气共同影响形成强风的日数)。从9月～次年6月，平均每月约有14天。

新津河口属于弱潮河口，潮汐受东太平洋与南海潮波、海流及风吹流共同影响，属于不规则半日混合潮，一天内经历两次高潮和两次低潮变化。多年平均高潮位0.28m，多年平均低潮位－0.74m，多年平均潮差1.02m。因此，本工程受风浪、潮汐等自然条件影响较大，临海围堰的有效施工时间短，并且在围堰填筑、挡水过程中要求堰体具备一定的防浪能力。

2.2 地质条件

新溪片区近海海域砂土料分布广泛，拟建海堤南堤约500m之外、面积约3km2的海域作为本工程的吹填料场。从筑堰材料分布情况来看，有丰富的细砂可供围堰填筑使用。

围堰堰基属于软土基础，主要由第四系海陆交互相松散积物组成。其中粉细砂层较薄，呈松散状，分布不连续。主要持力层为淤泥、淤泥质黏土，厚度为5～12m。该层含水量大，呈流塑～软塑状，属高压缩性土，且抗剪强度低。其物理力学指标见表1。

表1 主要持力层物理力学指标

3 围堰结构设计

根据水文、地质条件分析，临海围堰应将堰型选择、基础处理、风浪防护等作为结构设计的重点。

3.1 围堰型式选择

临海围堰结构型式可分为斜坡式结构和直立式结构。由于本工程有大量细砂可就地取材，可供选择的堰型有膜袋砂围堰(斜坡式)和双排钢板桩围堰(直墙式)。方案比较结果见表2。

按照施工便捷、结构安全、经济合理的原则，本工程临海围堰结构型式宜采用模袋砂围堰结构型式。

表2 围堰堰型方案比较表

3.2 围堰基础处理

淤泥层上堰体临界堆载高度的简化计算公式如下：

式中 H——临界堆载高度，m;

Cu——十字板剪切强度，kPa;

K——安全系数，取1.1;

γ——堰体填筑容重，kN/m3;

经计算，堰体临界堆载高度为2m。本工程围堰最大堰高约6m，地基承载力不满足要求，必须对围堰地基进行处理或采取相应结构措施，确保围堰在填筑、挡水及基坑开挖过程中的整体稳定性。

本工程重点比较了真空预压结合堆载排水固结及模袋砂结合反压平台两个方案。

真空预压结合堆载排水固结方案，利用吹填砂料形成真空预压施工平台，在堆载及真空负压作用下，将淤泥中的水通过塑料排水板排出，淤泥发生排水固结后，可提高地基强度。该方案在技术和经济上都是合理的，但要使淤泥层达到设计要求的强度值，从堆载到真空预压完成需近4个月时间，无法满足施工进度要求。

模袋砂结合反压平台方案，在围堰上、下游设置多级反压平台，通过增加抗滑力矩，减少堰身坡趾的应力差，限制在堰身荷载作用下出现的塑性挤出和地面隆起，保证围堰基础稳定。同时，由于反压平台本身的荷载预压，在反压平台范围内的地基将产生部分固结，也有利于提高围堰基础的承载力。该方案工艺简单，施工速度快。

考虑到本工程的围堰布置不受场地限制，堰基处理方案选用模袋砂结合反压平台方案。

3.3 围堰防浪设计

3.3.1 波浪要素计算

围堰所在区域为开敞式海岸，波浪以外海涌浪或混合浪为主。设计波浪采用5年一遇重现期，经近岸浅水区波浪变形推算，其堰前波浪要素见表3、堰前设计波浪见表4。

表3 波浪要素成果表

表4 堰前设计波浪成果表

根据表4分析，不同累积频率下的设计波高均大于堰前的破碎波高，设计波高应采用堰前的破碎波高2.03m。

3.3.2 围堰消浪设计

围堰可利用迎海侧的反压平台进行消浪，降低波浪爬高。结合以往波浪爬高试验成果经验，将迎海侧反压平台高程设置在5年一遇设计高潮位(1.41m)附近。同时，迎海侧反压平台及护面均采用抛填块石，从而减小护面结构的糙渗系数。经消浪后的围堰波浪爬高按下式计算：

式中 KΔ——糙渗系数，抛石护坡取0.6;

Kv——与风速有关系数，取1.22;

R1——KΔ=1，H=1 时的爬高;

Kf——爬高累积频率换算系数，f为累积频率。

经计算分析，在允许越浪、不允许越浪两种情况下，围堰波浪爬高值分别为1.52m、1.97m。由于计算值差别不大，故按不允许越浪条件进行围堰设计，经消浪后的围堰防浪顶高程为4.0m。

根据单个块石稳定重量、护面厚度的安全验算，本工程抛石厚度为1.2m，单块块石重量不小于0.5t。

3.3.3 堰前滩地护底设计

堰前最大波浪底流速按下式计算：

式中 H——设计波高，m;

d——堰前水深，m;

L——堤前波长，m。

经计算，堰前最大波浪底流速为1.65m/s，大于堰前细砂、淤泥的抗冲流速。因此，需对围堰堰脚进行一定范围的防护。

由于围堰所在位置的滩地相对较低，有一定水深，本工程护底采用复合砂肋软体排(规格φ300@1500，排布采用350g/m2复合土工布，肋布采用350g/m2复合土工布)作为反滤层，抛填厚度为1.2m块石作为压重。

3.4 围堰稳定分析

模袋砂围堰由充填膜袋层叠形成，一方面围堰水平成层现象显著，需校核堰体沿层面的抗滑稳定性;另一方面，需考虑膜袋对堰体的加筋作用。这是模袋砂围堰与一般土石围堰在稳定分析时的不同之处。膜袋砂围堰稳定分析包括充填袋层间稳定计算和整体稳定计算。

3.4.1 充填袋层间稳定计算

充填袋层间抗滑稳定性按下式计算：

式中 Kgc——充填袋层间抗滑稳定安全系数，不小于1.3;

Wi——计算层以上总垂直荷载，kN/m;

f——充填袋袋间摩擦系数;

Pd——计算层上袋体受到的总水平荷载，kN/m。

采用自上而下的方式逐层验算充填袋层间稳定性。当复核各层抗滑稳定满足要求时，将该层与上一层作为整体，再对该层进行稳定验算。经计算分析，其层间抗滑稳定安全系数均大于1.3。

3.4.2 围堰整体稳定计算

通过对临海围堰的设计分析，本工程围堰结构型式确定为：围堰断面顶宽6m，内外坡均为1：3，堰顶高程取2.4m，另在堰顶靠外海侧设宽1.5m、高1.6m抛石棱体防浪墙，棱体顶高程为4.0m;迎海侧为厚1.2m抛石护坡，在1.5m高程设宽度5m的消浪平台，坡脚设长6m、厚1.2m抛石护底;背海侧设一级压重平台，压重平台长10m、高程为0.6m;围堰采用高压摆喷防渗墙进行堰体和堰基的垂直防渗，孔距1.5m。具体型式见下图。

临海围堰结构图

围堰整体稳定计算模型采用以下简化：

a.考虑膜袋对堰体的加筋作用，即充填膜袋与充填砂的内摩擦角相同。同时，将膜袋对堰体抗剪强度的提高简化为准凝聚力Cp，按下式计算：

式中 Rf——单位长度膜袋设计抗拉强度，kN/m;

Sy——单层膜袋厚度，m;

Kp——充填砂的被动土压力系数。

b.考虑抛石护坡和围堰堰顶行车对整体稳定的影响，将其转化为均布荷载。

围堰整体稳定采用总应力法进行分析，

相关土体均取饱和快剪指标。经计算，当临海侧为多年平均年最低潮位(－1.71m)时，围堰临海侧稳定安全系数为1.10;当临海侧为5年一遇设计高潮位(1.41m)、围堰背水侧坡脚距基坑开挖顶边线10m和15m时，其背水侧稳定安全系数分别为1.10、1.22。因此，围堰整体稳定均满足规范K≥1.05的要求。同时，在施工条件允许的情况下，围堰布置应尽量远离基坑开挖顶边线。

4 结语

2011年10月，西闸站临海围堰开始施工，12月底完成围堰填筑。根据围堰施工期间的沉降、位移监测资料分析，该围堰在填筑、挡水及基坑开挖过程中结构是稳定安全的。

本文通过对临海围堰结构设计要点的分析，将抛石防护、充填膜袋结合反压平台方案作为临海围堰的结构型式，其设计思路和方法是合理可行的，能满足临海围堰施工便捷、结构安全、经济合理的要求，可供其他临海工程设计时参考。

1 刘宗耀．土工合成材料工程应用手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，1994．

2 JTJ 239—2005水运工程土工合成材料应用技术规范［S］．

3 SL 435—2008海堤工程设计规范［S］．