唐 云，鄭 輝，李春陽

（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）

引 言

深圳機(jī)場三跑道擴(kuò)建工程場地陸域形成工程是深圳機(jī)場三跑道擴(kuò)建工程的先行工程，項(xiàng)目用海面積約294萬m2，陸域形成面積約278.9萬m2，包括外海堤、跑道區(qū)、滑行道、土面區(qū)、水面區(qū)、場區(qū)圍堰、穿越道及繞行滑行道共七大功能分區(qū)。其中，建設(shè)外海堤總長約7 665 m。本工程外海堤距離廣深沿江高速機(jī)場段特大橋最近處僅 60 m。為保證沿江高速橋墩的安全，經(jīng)采用三維有限元軟件進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算論證后，該段海堤（長約500 m）采用能有效阻斷海堤自重及陸域回填土導(dǎo)致的地基附加變形側(cè)向傳導(dǎo)至沿江高速橋墩的低樁承臺(tái)直立式結(jié)構(gòu)。低樁承臺(tái)直立式結(jié)構(gòu)用作海堤或護(hù)岸結(jié)構(gòu)的案例較少，相比于傳統(tǒng)的直立式護(hù)岸或碼頭前沿的護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因承臺(tái)下方存在會(huì)導(dǎo)致波能集中的空腔，其護(hù)底設(shè)計(jì)更為復(fù)雜和重要，僅按常規(guī)方法計(jì)算護(hù)底結(jié)構(gòu)重量或厚度可能存在偏危險(xiǎn)的情況。本文將結(jié)合該工程探討低樁承臺(tái)直立式結(jié)構(gòu)下方及前沿的護(hù)底設(shè)計(jì)方法，以期為今后同類結(jié)構(gòu)的護(hù)底設(shè)計(jì)提供參考。工程平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置示意

1 主要設(shè)計(jì)條件

本工程海堤所處位置海床面高程-3～-4 m，場區(qū)表層廣泛分布淤泥、淤泥質(zhì)土，層厚在1～15 m之間，含水率高，物理力學(xué)指標(biāo)極差，且表層淤泥呈流塑狀，具有不穩(wěn)定性。工程區(qū)域潮流屬不規(guī)則半日混合潮，最大落潮流速為1.3 m/s，最大漲潮流速為1.2 m/s，潮差較小。海區(qū)的波浪主要以風(fēng)浪為主，涌浪較少，大浪主要是臺(tái)風(fēng)浪。

因本工程外海堤的重要性，其工程級(jí)別為1級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年，防洪潮標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，防浪標(biāo)準(zhǔn)也為200年一遇，設(shè)計(jì)采用200年一遇高（潮）水位+200年一遇波浪組合。

1）設(shè)計(jì)水位（85高程）

設(shè)計(jì)高水位（200年一遇高水位）：3.40 m

設(shè)計(jì)低水位（200年一遇低水位）：-1.44 m

施工期高水位（10年一遇高水位）：2.79 m

平均海平面：0.58 m

施工期低水位（10年一遇高水位）：-1.32 m

2）設(shè)計(jì)波浪要素

本工程海堤設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

表1 海堤200年一遇設(shè)計(jì)波浪要素

2 低樁承臺(tái)直立堤及護(hù)底設(shè)計(jì)方案

直立堤采用低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，樁基采用鋼管樁+鋼管板樁。前排（海側(cè)）為斜撐樁，采用Φ1 600 mm鋼管樁，斜率3:1，縱向間距為3.7 m，打至強(qiáng)風(fēng)化巖層以下不小于 3 m；后排（陸側(cè)）擋土直立墻采用Φ1 400 mm鋼管樁+Z型鋼板樁的組合結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)中鋼管樁為主樁，縱向間距為2.86 m，打至強(qiáng)風(fēng)化巖層以下不小于3 m；鋼板樁為輔樁，僅需穿透軟弱土層至殘積土或風(fēng)化巖層頂面（阻斷陸側(cè)軟土的側(cè)向附加變形傳導(dǎo)）。鋼管板樁墻陸側(cè)澆筑水下混凝土包覆其背面進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。斜撐樁和鋼管板樁墻通過頂部現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺(tái)連為一體，承臺(tái)厚3 m，寬11.7 m。板樁墻后回填中10～100 kg塊石棱體，坡面設(shè)置二片石+混合倒濾碎石+土工布組成的倒濾結(jié)構(gòu)，后方吹填砂形成海濱大道陸域用地。承臺(tái)海側(cè)設(shè)置帶挑檐的擋浪墻，頂高程為 7.86 m。擋浪墻后方回填10～100 kg塊石，內(nèi)坡設(shè)置500 mm厚干砌塊石+植草磚護(hù)面。堤頂設(shè)置 7.5 m凈寬的防洪通道，頂高程6.66 m。

基礎(chǔ)處理：采用水上水泥攪拌樁加固地基，攪拌樁直徑1.0 m，前后樁間采用滿堂布置（100 %置換），其余采用格柵狀布置，攪拌樁處理總寬度38.6～41.8 m（軟土厚度不同，攪拌樁處理寬度略有變化）。

護(hù)底設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)處理后在承臺(tái)下方及前沿線以外10 m范圍先拋填 0.3 m厚二片石，再在上方拋填1.06 m厚300～500 kg塊石作護(hù)底結(jié)構(gòu)（根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.17條計(jì)算所得堤前最大波浪底流速約3.8 m/s，按表4.3.24選取護(hù)底塊石穩(wěn)定重量）。

低樁承臺(tái)直立堤及護(hù)底結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 低樁承臺(tái)直立堤及護(hù)底結(jié)構(gòu)斷面

該方案直立墻前的護(hù)底結(jié)構(gòu)不論在承臺(tái)下方的空腔范圍內(nèi)還是前沿線以外均采用拋填兩層塊石，塊石大小根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 154-2018）中5.3.17款計(jì)算出的堤前最大波浪底流速選取。該方案是較為常規(guī)的設(shè)計(jì)施工方案，但在與施工單位溝通后發(fā)現(xiàn)存在很大的施工難度：承臺(tái)下方空腔內(nèi)的護(hù)底塊石需在樁基施打完成后拋填（否則受護(hù)底拋石影響，承臺(tái)鋼管樁無法沉樁），但由于承臺(tái)前排斜撐鋼管樁間距較密（中心距3.7 m，凈距2.1 m），拋石施工難度非常大，且極易碰損前排鋼管樁及后排鋼管板樁的防腐涂層。此外，由于本工程泥面高程在-3～-4 m之間，海堤前沿波浪易破碎，破碎波又涌入承臺(tái)下方空腔形成波能集中，對(duì)護(hù)底結(jié)構(gòu)沖擊較大，塊石重量不宜僅按波浪引起的底流速選取。

3 護(hù)底設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)上述問題，擬對(duì)護(hù)底設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：承臺(tái)下方空腔采用模袋混凝土護(hù)底，水下充填，厚度0.4 m，寬度超出承臺(tái)3 m（以便與承臺(tái)前沿線以外的拋石搭接不小于2 m），待沉樁完成后水下充填施工；承臺(tái)前沿線以外的護(hù)底施工因不受鋼管樁影響（可在鋼管樁沉樁完成后施工），仍采用拋填塊石，但考慮到本工程泥面較高，水深較淺（200年一遇高水位水深約6.5 m），護(hù)底可能直接承受波浪作用，且波浪在直立堤前破碎后在承臺(tái)下方的空腔內(nèi)形成波能集中，對(duì)護(hù)底結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)烈沖擊，為保證結(jié)構(gòu)安全，護(hù)底塊石的重量在按最大波浪底流速選取值的基礎(chǔ)上進(jìn)行加大，采用1.3 m厚600～800 kg塊石，前沿線以外的護(hù)底寬度也由10 m加寬至15 m（大于1/4波長）。同時(shí)，考慮到模袋混凝土之間會(huì)存在施工縫隙且承臺(tái)前沿線以外的部分塊石直接拋填在未經(jīng)攪拌樁加固的原狀軟土上容易塌陷，在二片石底部增加鋪設(shè)一層高強(qiáng)土工墊，土工墊鋪設(shè)寬度超出護(hù)底塊石不小于5 m。

優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案不僅對(duì)護(hù)底進(jìn)行了加強(qiáng)，也解決了承臺(tái)下方無法拋石的問題，設(shè)計(jì)斷面見圖3。

圖3 優(yōu)化后的護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面

4 波浪物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證

由于本工程海堤極為重要，直接掩護(hù)機(jī)場陸域，海堤工程級(jí)別為1級(jí)，結(jié)構(gòu)安全性要求非常高，且因本工程場地原泥面較高，護(hù)底結(jié)構(gòu)在低水位時(shí)可能直接承受破碎波作用，而規(guī)范對(duì)于直接承受波浪作用尤其是波能集中的破碎波作用的護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未給出明確的計(jì)算方法（規(guī)范中護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量僅根據(jù)波浪引起的底流速計(jì)算選?。?。為保證結(jié)構(gòu)安全，進(jìn)行了本工程直立堤斷面及局部整體波浪物理模型試驗(yàn)，對(duì)堤頂越浪量及護(hù)底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果如下：原方案護(hù)底結(jié)構(gòu)采用300～500 kg塊石，200年一遇波浪作用下，護(hù)底塊石少量晃動(dòng)，個(gè)別失穩(wěn)，失穩(wěn)率小于 1.6 %；優(yōu)化后的方案護(hù)底結(jié)構(gòu)采用600～800 kg塊石+0.4 m厚模袋混凝土，200年一遇波浪作用下，護(hù)底塊石出現(xiàn)個(gè)別晃動(dòng)，未出現(xiàn)失穩(wěn)，模袋混凝土未出現(xiàn)晃動(dòng)或失穩(wěn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的護(hù)底結(jié)構(gòu)相比原方案穩(wěn)定性更好，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合工程實(shí)例探討了低樁承臺(tái)直立式結(jié)構(gòu)墻前護(hù)底結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)比分析了常規(guī)設(shè)計(jì)方案存在的問題，并提出了具體的解決方案，實(shí)際應(yīng)用中可參考下述研究結(jié)論：

1）對(duì)于低樁承臺(tái)直立式結(jié)構(gòu)，因承臺(tái)下方空腔會(huì)導(dǎo)致波能集中，尤其是波浪破碎后在空腔內(nèi)及墻前產(chǎn)生巨大能量，護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量在根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的最大波浪底流速選取的重量值基礎(chǔ)上，還應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行加大（建議重量增加40 %以上），護(hù)底范圍相比常規(guī)也應(yīng)進(jìn)行加寬（可參照防波堤堤頭段選取護(hù)底長度，且不小于1/4波長）。

2）對(duì)于墻前水深較淺的工程，護(hù)底設(shè)計(jì)除了要考慮波浪引起的底流速外，還應(yīng)考慮護(hù)底結(jié)構(gòu)是否可能直接承受波浪作用。對(duì)于可能直接承受波浪作用的護(hù)底結(jié)構(gòu)，由于規(guī)范未給出明確的護(hù)底塊石穩(wěn)定重量計(jì)算方法，而此時(shí)護(hù)面塊體穩(wěn)定重量計(jì)算公式已不適用（按護(hù)面塊體計(jì)算也過于保守），應(yīng)采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3）承臺(tái)下方空腔內(nèi)的護(hù)底結(jié)構(gòu)由于受承臺(tái)樁基影響，不宜采用拋填塊石，可考慮采用模袋混凝土作為防護(hù)結(jié)構(gòu)，待沉樁完成后，水下充填施工，可確保不破壞樁基的防腐涂層。