珠海市马骝洲水道北侧海堤结构设计及稳定分析.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER361第 39 卷第 8 期0 引言在我国沿海地区，海堤是抵御台风、风暴潮等自然灾害侵袭的重要民生工程，也是提升区域防灾体系构建，加强海岸带保护的有力措施1。位于珠海市马骝洲水道北侧的海堤建成于 2012年，工程防洪（潮）标准为 100 年一遇。近 10+a 来，珠海市遭受多次风暴潮侵袭影响，原有的设计潮位成果已无法满足现行挡潮要求，导致风浪上岸引发堤防局部损毁，且堤岸沉降呈增大趋势（年平均沉降量在 0.7 4 cm 左右，堤身累积沉降量达 6 35 cm）。受外海设计潮位提高和堤身沉降双重因素的影响，为保证当地人民群众生命财产安全，进一步提升海堤的景观风貌，亟需对该段海堤实施重建改造工程。改造海堤以横琴二桥为分界，总长 9.04 km，分为东西两段，其中：东段实施范围为横琴大桥横琴二桥（约5.08 km），西段实施范围为洪湾水闸西侧洪湾渔港外西侧（约 3.96 km）。结合项目建设实际，重点阐述改造海堤的结构设计，并对其稳定性进行计算分析。珠海市马骝洲水道北侧海堤结构设计及稳定分析陈剑铭（湖北建科国际工程有限公司岭南分公司，广东 广州 510000）摘要：海堤可有效削减风浪，降低自然灾害危害程度。珠海市马骝洲水道北侧的海堤受外海设计潮位提高和堤身沉降双重因素影响，已无法满足现行运营需求。改造海堤总长 9.04km，分东西两段设计。在对建设条件进行分析的基础上，对海堤的结构设计和稳定分析进行了研究，并重点阐述了堤型选择、堤身设计等内容。实践表明，所设计的斜坡式海堤可在满足防潮达标的同时，进一步提升沿海城市景观风貌和促进城市经济发展。关键词：海堤；结构设计；稳定性；计算分析中图分类号：TV871文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0361-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.086Structural Design and Stability Analysis of NorthSeawall of Maliuzhou Waterway in Zhuhai CityCHEN Jian-ming(Hubei Jianke International Engineering Co.,Ltd.,Lingnan Branch,Guangzhou 510000,China)Abstract:Seawall can effectively reduce wind and waves,and reduce the severity of natural disasters.North seawall of Maliuzhou Waterway in Zhuhai City is no longer able to meet the current operational needs due to the dual factors of increased design tide level and embankment settlement in the open sea.The total length of the renovated seawall is 9.04km,designed in two sections:east and west.On the basis of analyzing the construction conditions,this article studies the structural design and stability analysis of sea embankments,and focuses on the selection of embankment types,embankment body design,and other contents.Practice has shown that sloping seawalls can further enhance the landscape style of coastal cities and promote urban economic development while meeting the moisture-proof standards.Key words:seawall;structure design;stability;computational analysis收稿日期：2023-03-20作者简介：陈剑铭（1987-），男，广东广州人，工程师，主要从事水利工程设计，如泵闸设计、河道整治设计、堤坝设计、水环境综合治理设计等工作。*362云南水力发电2023 年第 8 期1 基础建设条件1.1 水文气象珠海市地处南海之滨，北回归线以南，属亚热带海洋性季风气候。珠海地区降雨量丰富，介于 1700 2200 mm 之间，但降雨在年内分配不均，主要集中在雨季的 4-9 月，占年总降雨量的84%，日降雨强度平均在 11.7 20.2 mm 之间，暴雨集中在雨季；10 月到翌年 3 月为旱季，雨量只有 308.1 mm，仅占年降雨量的 16%。珠海地区风速较大，年平均风速为 3.3 m/s，累年最大风速超过 12 级，有 40 m/s 以上的记录，最大风速出现在 8-10 月。珠海位于珠江口段的中心，属台风多登陆地段，平均每年受影响 4.1 次。当地常年盛行风向为东南风和东北风，频率均在 10%，较多风向集中在 N-E-SE，最少风向为 NW-WSW。1.2 工程地质拟加固堤防段沿线地势较平坦，均为水泥道路，堤防内侧局部为洼地、鱼塘等，地面高程为-0.25 4 m。海堤沿线地表出露的地层岩性主要有人工填土层（Q4s）、第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系残积土层（Q4el）和燕山三期花岗岩（52-3）。根据勘察成果，海堤地层从上到下划分为（Q4s）1 素填土、（Q4s）2 填石，第四系海陆交互相沉积相（Q4mc）1 粉砂、（Q4mc）2 淤泥质黏土、（Q4mc）3 粉质黏土，（Q4mc）4 中粗砂，第四系残积土层（Q4el）1 砾质黏性土，燕山三期的（52-3）1 全风化花岗岩、（52-3）2 强风化花岗岩、（52-3）3 中风化花岗岩等。主要土层相关物理力学指标建议值见表 1。表 1 主要地层物理力学性质指标建议值统计表岩土名称及代号含水率Wo/%孔隙比 e 塑性指数 Ip 液性指数 IL压缩系数a1-2/MPa-1压缩模量 Es1-2/MPa快剪固结快剪黏聚力 c/kPa内摩擦角/凝聚力 c/kPa 内摩擦角/2 淤泥质黏土(20m）52.21.4317.11.341.12.418.63.2412.115.37 3 粉质黏 土300.8514.80.320.365.5227.412.3 1 砾质黏性土31.9113.70.30.44.623.715.7 1 全风化花岗岩22.60.910.90.10.420.4217.124.32 海堤结构设计2.1 堤线布置改造海堤防潮设计标准仍采用原标准 100 年一遇，主要建筑物堤防级别为 1 级，次要建筑物级别为 3 级。根据城市规划及保护区的范围，并结合地形、地质条件、洪水流向、潮汐规律、堤岸维护管理等因素2，堤线布置的原则如下：堤线选择以堤脚不超越规划治导线为控制原则，并与区域建设发展规划相协调；堤线应力求平滑顺直、平缓连接；充分利用现有防洪设施，在满足流域防洪及堤围总体规划的前提下，利用有利地形，减少工程投资；充分考虑潮汐影响，合理控制堤身高度，力求堤线布置方案技术可靠，经济合理。综合上述原则，改造堤线布置整体与原堤线一致。2.2 堤型选择常见的海堤断面型式可选择斜坡式、陡墙式和混合式等型式3。现状堤岸因频受台风等自然灾害影响，加之多年来堤后沉降累积及设计潮位抬升（约 0.8 m），导致海堤挡潮能力下降。结合工程改造任务，设计海堤断面型式与现状堤型基本保持一致，其中：东段堤岸采用两级斜坡式，斜坡间设置 6.0 m 宽消浪平台（亲水平台），堤顶宽 9.1 m；西段堤岸采用一级斜坡+直立式挡墙的混合式堤型，并在斜坡与直立挡墙间设置 6.0 m 宽消浪平台（亲水平台），堤顶宽 10.45 m。陈剑铭 珠海市马骝洲水道北侧海堤结构设计及稳定分析3632.3 堤身设计2.3.1 堤顶高程确定根据 GB/T 51015-2014海堤工程设计规范4、DB44/T182-2004广东省海堤工程设计导则5及 GB/T50805-2012城市防洪工程设计规范6等相关规定，堤顶高程计算公式为：Zp=hp+RF+A （1）式中：Zp设计频率的堤顶高程，m；hp设计频率的高潮（水）位，m，采用三灶水文站设计潮位成果，100 年一遇潮位为 3.89m；RF按设计波浪计算的累积频率为 F 的波浪爬高值，m（海堤允许部分越浪设计时取 F=13%，不允许越浪设计时取 F=2%）；A安全加高值，m。波浪爬高值 的确定与风速、风向等波浪要素相关。根据 DB44/T182-2004广东省海堤工程设计导则附录 E，结合广东沿海地区国家气象站资料，并以珠海气象的 10 m 高、年最大 10 min 平均风速值作为设计风速依据。波浪爬高确定后，堤顶高程按允许越浪考虑，计算成果见表 2。由表 2可知，东段海堤设计堤顶高程最大值为 5.45 m，西段最大值为 5.49 m。表 2 堤顶高程计算成果表m位置风向P=1%设计高潮位 hp计算设计堤顶标高按允许越浪考虑波浪爬高 RF安全超高 A堤顶标高 Zp东段S3.890.8840.55.27SSE3.891.0610.55.45SE3.891.0540.55.44西段S3.890.9800.55.37SSW3.891.0070.55.40SW3.891.1040.55.492.3.2 防浪墙设计防浪墙一般位于堤顶外侧，必要时也可在堤顶外侧稍后位置或在堤顶内侧设置。常见防浪墙的基本型式有重力式和悬臂式。为减少对堤岸坡面扰动，并结合景观打造，在拆除堤岸石材栏杆后通过植筋方式新建坐凳式防浪墙。防浪墙设计断面如图 1，其中方案一较为简洁，施工便利；而?图 1 防浪墙设计断面结构方案二在顶部设置了反弧面，不仅可有效削减波浪能量，且该靠背造型可增加堤岸的安全防护性。综合技术、经济比选后，推荐采用方案二作为防浪墙的设计断面。2.3.3 护面、护底结构设计海堤护面结构是对堤身外轮廓的工程保护措施，可防止波浪、降雨等对堤防的冲蚀破坏，其型式直接关系到工程安全度和总造价。对于斜坡式海堤，临海侧护面可采用混凝土、浆砌块石、混凝土灌砌石、干砌块石、预制混凝土异型块体（如扭工块体、扭王块体、四脚空心块等）、混凝土栅栏板等结构型式。其中混凝土、浆砌块石、364云南水力发电2023 年第 8 期混凝土灌砌石、干砌块石等糙率系数小，消浪效果相对较差，多用于风浪较小的海堤护面；而预制混凝土异型块体、混凝土栅栏板抗风浪能力强，护坡消浪效果较好，其普遍用于高标准的堤防结构。为增强消浪效果，该工程海堤在消浪平台至坡脚处，采用四脚空心块（单体重量为 0.7t）护坡；由于改造工程需兼顾市政景观和市民休闲，在有景观需求部位，采用混凝土栅栏板（厚度为 0.4 m）结构。工程范围内堤基表层以淤泥和淤泥质黏土为主，其抗冲刷能力较弱，为保证海堤前沿滩地和堤身边坡的稳定性，堤脚采用抛石护底（块石的稳定重量均为 50 100 kg）。2.3.4 消浪平台设计设置消浪平台可削减波浪的紊动能量，并减小波浪对防洪墙的作用力。为保证居民临海观景需求，消浪平台同时承担堤外观景通道的功能。结合水文站特征潮位统计数据，消浪平台高程确定为 1.80 m，略高于多年平均最高潮位 1.05 m。消浪平台前后端均设置现浇混凝土镇脚（宽 1 m），镇脚间采用石渣回填至标高 1.55 m，敷设 15 cm 厚混凝土垫层后铺装防滑砖，保证人行安全。低潮位时消浪平台兼作亲水平台，可作为游客、市民的休闲和娱乐场所，高潮位时亦可作为堤岸护脚来加固堤身。2.3.5 堤顶道路设计根据相关规范要求，1 级海堤堤顶宽度应满足 5 m。堤顶的宽度主要由结构稳定和管理要求确定，对于路堤结合的海堤，其堤顶道路宽度也应按公路设计要求确定，并需考虑适当裕度来满足越浪冲刷要求。由于改造段现状堤顶已有宽约7.40 m 的防汛通道，因此堤顶路面宽度与现状通道宽取为一致。堤顶道路结构采用水稳层加高后，面层铺设花岗岩石材，兼作景观游玩路面和防汛抢险通道使用。3 堤防结构稳定分析3.1 抗滑稳定分析利用理正岩土软件的“边坡稳定分析”模块，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法计算圆弧滑动的堤防坝坡稳定。计算工况包括：正常运用工况下的运营期，临海侧潮位为-0.03 m，背海侧地下水位为 2.0 m；正常运用工况下的水位骤降期，临海侧由高潮位（3.80 m）降落至多年平均潮位（0.51 m），背海侧水位为 2.0 m；非常运用工况 I（施工期），临海侧为多年平均低潮位为-0.03 m，背海侧地下水位为 1.0 m；非常运用工况 II（地震工况），临海侧潮位为 0.51 m，背海侧水位为 1.50 m。计算成果见表 3，结果表明：在各工况下，不同典型计算断面的堤坡抗滑稳定表 3 海堤抗滑稳定安全系数计算成果表桩号运用工况计算工况计算边坡规范允许值 K安全系数 K（简化毕肖普法）是否满足X0+600正常运用工况设计低潮（水）位临海坡1.501.863是水位降落临海坡1.501.991是非常运用工况 I多年平均潮位临海坡1.301.338是非常运用工况 II多年平均潮位+地震工况临海坡1.201.819是X2+200正常运用工况设计低潮（水）位临海坡1.501.814是水位降落临海坡1.501.889是非常运用工况 I多年平均潮位临海坡1.301.313是非常运用工况 II多年平均潮位+地震工况临海坡1.201.696是X3+437正常运用工况设计低潮（水）位临海坡1.501.850是水位降落临海坡1.502.037是非常运用工况 I多年平均潮位临海坡1.301.369是非常运用工况 II多年平均潮位+地 震工况临海坡1.201.714是陈剑铭 珠海市马骝洲水道北侧海堤结构设计及稳定分析365安全系数均满足规范要求7。3.2 堤岸沉降分析海堤的沉降计算采用分层总和法，计算内容包括堤顶中心线处堤身、堤基的最终沉降和竣工后沉降量。根据工程的地质条件，在堤坝沉降计算时按 20a 设计基准期考虑。堤身沉降考虑 2 个阶段：第 1 阶段为原堤基沉降，第 2 阶段为改造后的堤基沉降。由于工程范围内地质条件变化不大，岩层特性基本接近，因此选取典型断面后计算结果见表 4。结果表明：改造工程竣工后的基准期内的残余沉降量最大值为 0.437 m，小于 JTJ 017-96公路软土地基路堤设计与施工技术规范8中 表 4 沉降计算成果表 m序号计算桩号改造工程加载时，原堤基沉降改造工程竣工时，堤基沉降改造工程竣工后，基准期内的残余沉降基准期结束时，地基沉降最终地基总沉降1K1+0000.3720.3750.1510.5270.8212K3+0000.4620.5090.4330.9421.6553K5+4000.5270.5660.4210.9861.7574X0+8000.5710.6060.4151.0221.8315X2+2000.5740.6090.4151.0241.7766X3+4370.4680.5150.4370.9521.714的 0.5 m 限制要求，说明设计堤型较合理。4 结束语1）受外海设计潮位提高和堤身沉降双重因素影响，须对珠海市马骝洲水道北侧海堤进行重建改造。改造工程设计标准为 100 年一遇，总长9.04 km，分东西两段设计。2）在满足防潮达标基础上，结合用地条件，因地制宜对东段海堤采用两级斜坡式，西段海堤采用一级斜坡+直立式挡墙的混合式堤型。3）堤顶新建坐凳式防浪墙，墙顶设置反弧面，既可削减波浪能量，亦可增加堤岸的安全防护性。堤防护面结构主要采用预制四脚空心块和混凝土栅栏板。通过对新建堤防进行抗洪稳定和堤岸沉降分析，计算结果均满足规范要求，说明堤型设计较合理。4）对于沿海地区，每到台风天时海面会产生一定高度的海浪，从而对海岸周围的居民区或工业区造成严重影响。由于海堤可有效地阻挡波浪以及潮水对于内陆的影响，因此须在满足相关上位规划的前提下积极推进海堤工程建设。结合马骝洲水道北侧海堤建设实际，给出了一定的堤身设计参考，但海堤建设的课题仍有待深入研究，包括沿海防灾减灾能力建设与评估、沿海水资源保护与输送体系的规划布局等等。唯如此，方能充分发挥海堤工程的安澜保境功能效益，确保沿海开发战略升级。参考文献：1李倩.汕头市东部城市经济带新溪片区海堤设计J.广东水利水电，2012,（8）:76-79.2 徐亮，吴彩娥，陈茹.江苏条子泥工期匡围海堤设计关键技术 J.水利经济，2012，30（4）:57-60.3 胡昌顺，彭军.小林联围加固工程海堤设计研究 J.中国水运（理论版），2006，4（7）:93-95.4GB/T 51015-2014.海堤工程设计规范S.5DB44/T182-2004.广东省海堤工程设计导则（试行）S.6GB/T50805-2012.城市防洪工程设计规范S.7雍刚.基于稳定性分析的广东梅江河堤防除险加固设计研究J.云南水力发电，2022，38（8）:141-145.8JTJ 017-96.公路软土地基路堤设计与施工技术规范S.