海塘安澜工程设计方案比选及整体稳定分析_齐立龙.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报 ：海塘安澜工程设计方案比选及整体稳定分析齐立龙（浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 ）摘要：海塘在防洪御潮运行过程中，塘身长期受到海水侵蚀，容易出现沉降、冲刷、位移等结构性破损等问题。以瑞安市丁山二期海塘工程建设为例，分别从堤防选线、建筑物选型、安全分析、生态提质等方面作了论证比选，最后校核塘身稳定，满足规范要求，形成了较典型的海塘加固设计方案。工程设计在满足防洪御潮安全的前提下兼顾融合提升，将使瑞安丁山二期围区生态环境和功能得到全面提升。关键词：生态海塘；提标加固；方案比选；稳定分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；收稿日期：基金项目：浙江省科技厅 年自然科学基金项目（）作者简介：齐立龙（），男，内蒙古敖汉旗人，工程师，硕士研究生，研究方向为水利水电工程，：。随着浙江省沿海大湾区、大都市区建设的不断推进，“海塘安澜工程”建设旨在海塘保护区内完善防洪御潮体系，通过“安全”对海塘防洪御潮能力和改善生态景观等 软功 能 提 出 了 新 的 需求。年 浙江省生态海岸带建设方案 指出要提升海塘防台御潮标准，升级提标打造安全海塘，逐步开展低标准海塘提标 建设，提 出 以 绿 色为辅打造生态海塘，以功能拓展打造共享海塘等建设目标。就此，安全提标、生态提质、融合提升和管护提效等为 安 澜工 程设计 的 总 体 理 念。优化海塘结构、提升海塘整体 稳定、加 强海 塘生 态建设和完善海塘智慧 监 控 管 理将 成为 四 大主要建设目标。瑞安市地处浙江东南沿海，形成了一线海塘 为 主、二 线 海 塘 为 辅 的 防 台 御 潮 工 程 体系，加强海塘提标加固，对提 升 和 完善 温瑞平 原整体防洪御潮标准，改善海塘生态环境和人居环境，促进区域经济高质量发展有重要意义。工程概况海塘安澜工程瑞安市丁山二期海塘，位于飞云江北岸口外海滨，防洪标准 年一遇，堤防断面采用直立式土石混合结构，在建成并运行多年之后，出现了不同程度的沉降以及结构问题，塘顶高程不满足规范要求。根据保护区当前的人口规模、经济与耕地体量，海塘的实际防潮能力已达不到防洪设计标准。本工程通过对海堤进行提标加固，将区域防洪御潮能力从现有的 年一遇提高到 年一遇，同时在确保安全的前提下，构建塘前岸滩塘身塘后缓冲带生态空间系统，提升海塘生态功能，促进生态和减灾协同增效。在设计阶段，为给海塘改造加固提供充足依据，需确定海塘堤线位置，对海塘断面进行最优化比选，复核海塘基 础稳定 性 等，确保工 程 满 足安 全、生态、交通、休闲、文化、产业等空间统筹、功能融合，发挥综合效益。海塘设计方案比选 海塘堤线位置确定堤线布置主要为临水面坡外移和保持原轴线不变两种布置型式，拟定种方案，并做技术经济比选。方案：轻型桩基框架结构（堤线外移）。在现状塘身前布置轻型桩基框架海堤，塘身采用钢筋混凝土透空式框架结构，基础采用钻孔灌注桩处理。同时在原镇压层上铺设一层四脚空心块，增强消浪效果。拆除原挡浪墙和塘顶并回填增高原塘身，新建挡塘顶道路，拆除原背水坡干砌块石护坡，采用黏性土回填压实，坡面采用灌砌块石护并坡面植草绿化。方案：堤前拼宽缓坡（堤线外移）。采用二级斜坡的结构型式向外海侧培厚加宽，塘身采用抛石混合料填筑，在高程 处设置平台，坡面采用削角空心块结构护面，坡脚采用抛填大块石堤坝护脚；拆除原挡浪墙和塘顶并回填增高原塘身，同时新建挡浪墙和塘顶道路；拆除原背水坡干砌块石护坡，采用黏性土回填压实坡面采用灌砌块石护坡加种植土植草绿化。方案：堤后拼宽（堤线不变）。向外海侧增宽镇压平台，塘前抛填大块石挤淤加抛石混合料填筑，削角空心块护面的方案；拆除原挡浪墙，在原挡墙的基础上采用钢筋混凝土培厚加高，内侧采用黏性土拼宽加高，同时采用 石渣 填 高 塘 身，新建塘顶道路；背水坡拼宽前拆除原干砌块石护坡，采用黏土回填压实，并灌 砌 块 石 同 时 护 坡 加种植土植草绿化。海 塘堤线 布置 方 案 如 表 所示。表海塘堤线布置方案比选方案方案方案方案优点占地 小，无需 新增海 域；砂 石 料用量 较少；采 用轻型 桩 基 框 架，施工后沉降较小缓坡 入 海，多 孔隙结 构 护面，生态型 较 好；可 放缓背 水 坡，有 利于与堤后的互联投资相对较省；地 基 承 载 力 较高，施工后沉降较小；孔隙结构护面，增强海堤生态性缺点临潮施工工艺较复杂；结构加固维修复杂；土石部分与框架部分存在不均匀沉降；投资相对较大荷载 前 移，对 临海侧整体稳定最为不 利；施 工 后沉降和不均匀沉降相 对 较大；石料用量巨大堤后空间较小；新 增 镇 压 层 与老 堤 间 存 在 不均匀沉降政策处理政策处理可行政策处理存在一定难度政策处理可行建筑投资（万元）结论不推荐不推荐推荐综合考虑加高加固技术安全可靠性、施工复杂程度、政策处理条件及投资等因素，保持原堤轴线不变内侧拼宽，在投资、技术可靠、施工、政策处理和建设用地等方面均有一定的优势，因此本阶段推荐采用方案，堤轴线保持不变，在原塘身内侧拼宽加固的方案。即在已建围堤的基础上，堤轴线基本保持不变，外侧采用厚 的钢筋混凝土面板培厚加高，内侧采用黏性土培厚加高，拼宽后坡顶宽度达到，同时对临海侧镇压平台拼宽加高以增强临水侧的安全稳定系数。海堤断面形式比选瑞安市丁山二期围堤原设计为 年一遇防洪标准，本次设计主要在原有海堤基础上提升加固。本次提升加固断面型式采用如下种方案进行比选。方案：透水性镇压层培厚加宽方案，即塘前抛填大块石挤淤，抛石混合料填筑，削角空心块护面的方案。加高原镇压层平台并铺设四脚空心块增强消浪效果；拆除原挡浪墙，在原挡墙的基础上采用钢筋混凝土培厚加高，内侧采用黏性土拼宽加高；背坡拼宽，采用灌砌块石并做绿化。方案：二级斜坡式加固方案。迎水坡采用二级斜坡的结构型式，塘身采用抛石混合料填筑，在高程 处设置宽 的平台，坡面铺设干砌块石及四脚空心块的结构型式护坡。平台以下坡面采用灌砌块石的结构护面，坡脚采用抛填大块石堤坝；拆除原挡浪墙和塘顶，内侧拼宽加高同时填高塘身，新建挡浪墙和塘顶道路，背坡采用灌砌块石护坡并做绿化。方案：多级消浪（兼亲水）平台加固方案，即塘前浙江水利水电学院学报第 卷抛填大块石挤淤、抛石混合料填筑及干砌石护面的方案。同时加高原镇压层平台，增设二级消浪平台，消浪平台兼做亲水平台；拆除原挡浪墙，在原挡墙的基础上采用钢筋混凝土培厚加高，内侧拼宽加高，并填高塘身，新建塘顶道路，采用灌砌块石护坡并做绿化。方案：灌注桩加固方案。在挡墙前打设一排钻孔灌注桩，增强临水侧的抗滑稳定，在原镇压层上铺设一层四脚空心块增强消浪效果；拆除原挡浪墙，在原挡墙的基础上采用钢筋混凝土培厚加高，内侧拼宽加高，同时填高塘身，新建塘顶道路；背坡拼宽采用灌砌块石护坡并做绿化。断面加固方案技术经济比较分析如表所示。表断面各加固方案技术经济综合比较表方案方案方案方案方案优点塘身结构有较好的 消浪效果，便于与生态带修复工程的融合；投资相对较省地基应力分布较均匀，稳定性较好，对地基土层承载力要求不高；有利于海洋生物生长二级平台消浪消弱 波浪翻越塘顶，增强海堤的人文、景观和生态性，投资相对较省塘身断面较小，占地少缺点削角空心块、六边形空心预制块需要定制填筑材料需求较多，政策处理存在较大难度；投资较高人类活动痕迹明显，存在围海嫌疑，有一定的政策处理不确定性塘身与 生态、景观 和环境协调性 较差，施工 难度大风险高，投资最大建筑投资（万元）结论推荐不推荐不推荐不推荐综合考虑海塘的的建设投资、生态性以及政策处理难度等因素，方案利用多空隙透水材料拼宽镇压层且镇压层采用大缓坡结构，既能满足塘身结构稳定和增强防冲消浪的能力，又为海洋生物营造了较好的生态环境，有利于生态海堤的建设，营造海陆过渡带生物廊道，同时该方案符合海洋审批要求，政策风险小，投资也相对较少，本阶段推荐方案。海塘生态提质设计塘身生态化是本工程生态提质的主要建设目标，为此，针对性地对丁山二期海塘的迎水坡、塘顶和背水坡进行生态化设计。临海侧采用四角空心块护面，有利于消浪；在迎水坡 高程处设置 宽的缓坡平台，利用空隙大的六边形预制块护面，其中空结构有利于植物生长及藻类、贝类附着，且可以消浪；缓坡平台外侧采用削角空心块护坡，有利于消波，并喷洒藻类促生剂，催生藻类附着、生长，以形成一个生物栖息繁殖地，与塘前潮间带生态功能完美融合。塘顶平台内布置了彩色跑步道、骑行健身道、绿化带和车行道，满足人们休闲、健身、娱乐和观景等需求，提升海塘生态效果，兼顾功能融合与拓展。背水坡选择耐盐碱植物为主与外来植物为辅的生态修复方式，同时乔灌草结合，形成高低错落的植被景观，实现海塘安澜建设与城市建设和生态景观的融合。塘身整体稳定分析 断面抗滑稳定分析本工程分别对主堤、北堤及南堤个典型断面按 年一遇洪水标准进行塘身整体抗滑稳定计算。根据 海堤工程设计规范（简称 规范），采用瑞典圆弧滑动面总应力法（图），其抗滑稳定安全系数按 规范（）计算。图瑞典圆弧滑动法示意图 （）（）（）式（）中：为第个土条浸润线以上的土体的天然重量，；为浸润线与外坡水位线之间的土体的饱和重量，；为浸润线与外坡水位线之间的土体的浮重量，；为外坡水位线以下的土体浮重量，；为第个土条底面中点的径向与竖直方向的夹角，（）；为第个土条的宽度，；为摩擦角，（）；为凝聚力，。计算出的最小抗滑稳定安全系数 对于级海塘，正常工况下不应小于.，非常工况下不应小于.。在堤塘临水侧和背水侧选取下列三种计算工况分别计算。第期齐立龙：海塘安澜工程设计方案比选及整体稳定分析工况（正常工况）：在临水侧，临水侧水位取设计高潮位为 ，降落至滩涂面高程，背水侧水位采用护塘地内侧高水位，按此计算堤塘临水侧稳定；在背水侧，临水侧水位采用设计高潮位为 ，背水坡采用内河常水位 ，按此计算堤塘背水侧稳定。工况（正常工况）：在临水侧，临水侧取低潮位 ，背水侧取设计洪水位 。工况（非常工况）：施工期临水侧、背水侧的抗滑稳定计算（考虑预留沉降）。地质计算指标取用 瑞安市海塘安澜工程（丁山二期海塘）初步设计阶段地质勘察报告 中的成果，采用指标见表和表。表海塘地基土力学指标塘身填料容重（）快剪凝聚力 摩擦角（）固快凝聚力 摩擦角（）备注粉质黏土 淤泥质黏土夹砂 无排水板处理区 排水板处理区淤泥 无排水板处理区 排水板处理区淤泥质粉质黏土 表海塘塘身填料力学指标塘身填料容重（）凝聚力 摩擦角（）抛石 碎石垫层 闭气土方 计算结果海塘整体抗滑稳定计算结果见表，整体稳定圆弧滑动见图（以工况下主堤桩号 断面整体稳定计算结果为例）。由图、表可知，本次设计各断面整体稳定能满足规范要求。表海塘代表断面整体稳定计算结果表位置正常工况工况临水侧背水侧工况临水侧规范要求非常工况工况临水侧背水侧规范要求是否满足主堤 主堤 主堤 主堤 北堤 北堤 南堤 南堤 满足满足满足满足满足满足满足满足图工况条件下主堤桩号 断面整体稳定计算结果简图浙江水利水电学院学报第 卷 塘身渗透稳定计算塘身渗透稳定计算按 堤防工程设计规范（）中的均质土堤渗流计算公式计算渗流量和渗透坡降。本次计算按透水塘基均质土堤稳定渗流计算，首先按不透水塘基计算，再进行透水塘基均质土堤计算。不透水塘基渗流量计算公式为（）.（.）（）（）（）式（）式（）中：为堤身、提基单位宽度渗流量，（）；为堤身渗透系数，；为上游水位，；为下游水位，；为下游出逸点高度，；为上游坡坡率；为下游坡坡率；为上游水位与上游堤坡交点距下游堤脚或排水体上游端部的水平距离，；为上游水位与堤身浸润线延长线交点距上游水位与上游堤坡交点的水平距离，；为渗流总长度，。透水塘基渗流量计算公式为（）.（）式（）中：为堤身、堤基单位宽度渗流量，（）；不透水地基上求得的相同排水形式的均质土堤单位宽度渗流量，（）；为地基渗透系数，；为水位从初始位置至降落到堤脚或降落到最大降距所需的时间，。渗透坡降计算公式为（）（）（）式（）中：为水力坡降。渗出点坡降为（）.本次计算采用理正渗流分析软件，同时采用公式法和有限元法进行渗流计算，结果见表，其中土的允许渗透