談海堤斷面適應性優化設計
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摘要:海堤建設事業作為社會經濟發展中的重要一環，起到了保衛人民生命財產安全的重要責任。海堤斷面的形式是海堤建設中最基礎的一個環節，如何對海堤斷面進行選擇和優化是建設過程中必須面臨的問題。文章就不同海堤斷面型式的適應性展開討論，并提出海堤斷面優化設計建議。
關鍵詞:海堤建設;海堤斷面;優化設計
引言
隨著城市化進程的推進，社會經濟水平的逐步提高，各沿海城市對于海堤建設的重視度不斷提高。海堤如今不僅僅作為防御建筑保衛人民的生命和財產安全，更兼顧土地資源利用、綠色環保美觀等多重作用。為達到這些目的，在海堤建設中，海堤斷面的設計選擇尤其重要。
1海堤建設的影響因素
地基的處理上，首先考慮的就是承載力。需要先在涂面上鋪設土工布進行隔離，再敷設一層碎石墊層作為排水通道，增加塑料排水板將內部滲水排出地基，以保證地基穩固性。地基處理完成后即可進行土石方的填筑，這時候就需要用到桁架式土方填堤機、石方平拋專用駁船等大型機械設備。加荷過程中，需要嚴格按照設計計算的加荷曲線進行，先從涂面層開始，以后逐層加荷。每層加荷的滑動力都應當小于地基土的抗滑能力，相應兩層加荷壓載的間歇時間，在每一個對應點應基本一致。加固過程中，需要時刻觀察沉降觀測點的沉降情況，避免地基失控。良好的加荷過程可以達到使土壤中水份逐漸排除的目的，從而獲得良好的結構強度。
2海堤斷面的類型選擇
在進行海堤斷面的選擇時，我們應當遵循安全可靠，經濟合理的原則。需要綜合考慮海堤所處的地形地區、當地的水文、風況、潮汐等情況，比較分析出最合適的斷面設計。海堤斷面最基本的幾何形狀大體可以分為斜坡式、陡墻式和混合式。
2.1斜坡式
斜坡式的海堤以土堤為主體，邊坡依附于主體，坡度較緩。以“廣州市珠江堤防西航道左岸鴉崗文筆水閘至石井水泥廠段達標加固工程”為例，該工程位于廣州白云區西航道左岸。當地暖熱少寒，雨水豐富，光照充足，主要洪水發生在每年的4－6月份。該地區主要為黏性土，具有抗剪強度低、壓縮性高、滲透系數小、承載力低和觸變性、流變性的特點。原堤岸填筑土壓實度較低，急需加強對地基的處理。以“廣州南沙開發區小虎一橋至建滔化工外江堤防綜合整治工程”為例。工程位于廣州市番禺區南部，經勘測，該場地類別為Ⅲ類。地基土層以淤泥為主，土質松軟，導致地基承載力、沉降等地質條件較差;同時，堤身存在不同程度的填土松軟問題;外側擋墻以干砌塊石為原材料，強度和耐久性相對較差，需要經常維護加修。上述兩個案例均有土質松軟、承載力低和地基穩定性差的問題，因此我們放緩了大堤坡度、增加了坡腳的壓重，最終選用的是斜坡式的斷面。經過設計改良后的斜坡式海堤，堤身與地基的接觸面積增大，地基的應力分布變得均勻，能很好的適應軟土層，整體穩定性得到進一步的提高。與此同時，斜坡式斷面很好的解決了維修難的問題，護面結構簡單，對技術要求不高。其中一段堤面設計如圖1所示。
2.2陡墻式
陡墻式邊坡較陡，堤身包含土堤和重力式防護墻。以“廣州南沙區萬頃沙聯圍15涌－16涌東外江堤防整治工程”為例。工程總長度1.41KM，目前由于提身經過了多次的加固，各處施工方法不一，堤身情況較復雜。部分區段存在壓實度、穩定度、抗滑系數不滿足要求的情況。為此，我們對其進行結構改造，選擇了更適合原堤情況的陡墻式的斷面。通過地基加固、堤線加高培厚等措施，最終形成的海堤斷面小、占地小、筑堤材料省。而且因為斷面結構的原因，波浪的爬高一般較同護面的斜坡堤小，堤身受風浪的影響也相應減少。其中一段堤面設計如圖2所示。
2.3混合式
混合式的斷面對上述兩種方法進行整合，根據實際情況靈活的調整，以發揮更突出的整體優勢。以“南沙明珠灣區慧谷片區(工業區涌至大角山)超級堤工程”為例，舊堤岸結構老化且形式單一，景觀性差，與所在城市的整體定位有偏差。為促進堤壩整體結構強度及美觀度，對其進行改造。整個堤壩采用混合式的方式，共設計了復式斷面、直立+長緩坡式斷面和2級直立式斷面三種斷面形式。復式斷面利用原堤岸擋墻修建景觀平臺，保留了原擋墻在穩定性上的優勢的同時，能兼顧美觀性的要求;直立+長緩坡式斷面采用了前板樁高樁承臺結構，為將來加高堤防留有了一定的余地;2級直立式斷面在原有堤岸內側新建護岸，護岸內側設計成弧形，有效的減少了越浪量。其中二級直立式斷面的設計如圖3所示。通過上述案例，我們可以發現，不同的斷面類型各有優缺，總結歸納如表1:3海堤斷面結構型式適應性分析1)結構安全適用性。海堤的“幾何尺寸”直接影響了其結構安全性，斜坡式的斷面由于擁有更大的接觸面，地基的穩定性高于陡墻式斷面。而且由于陡墻式防護墻與堤身間容易產生不均勻沉降，對其整體結構穩定性有很大的負面影響。2)經濟適用性。更大的地基接觸面積意味著更大的土地占比，因此，斜坡式的土地和材料投資成本都遠高于陡墻式。3)地質條件限定。海灘一般都是多年的淤泥沉積而形成的，所以土質松軟，沉降較大。對于地基的承載力和海堤的穩定性上需要多下功夫。在工作范圍允許的條件下一般設計為斜坡式或者混合式，地質條件較好的地方可以設置為陡墻式。4)施工工藝的適應性。不同形式的斷面在施工工藝上的要求也不同。如采取斜坡式的土石堤，在低灘深水區就會有土方固結速度慢的問題，影響工程進度的問題。如若采取拋石主體的堤身，施工方法變得簡單，但是成本會相應提高。5)工程管理的需要。海堤的堤頂作為應急搶險的通達，在防風防潮時，需要保證救援隊伍和救援設施的順利通行。此外，在海堤斷面的選擇上，還應該考慮日常巡檢和維修養護的便利。因此，在堤身寬度≤4.5m時，可在背面設置錯車平臺。6)生態及人文需求。生態綠色的發展理念如今深入人心，在海堤斷面的設計過程中，需要綜合考慮海堤與周圍的環境是否相融洽，是否適合植物的生長和動物的生存繁衍。為提高其適應性，目前采取的形式有海底公園、生態城和臨港經濟區海堤等［1］。綜上，在海堤建設過程中，應當根據勘察結果，選擇地質較好，沉降較小的區域確定海堤走向。選擇對防浪有利的方向，避開主風向，避免與強風和強浪的正面沖擊。
4海堤斷面結構型式優化設計建議
從前文的分析可知，對于地基要求較高且工程區域較大的工程，可以選擇斜坡式的斷面，若部分段不滿足斜坡式對土地的要求，也可以結合陡墻式斷面進行混合處理;堤坡防護時，可采用現澆混凝土、混凝土灌砌石或者混凝土柵欄板等形式，對于允許越浪的海堤，應根據不同的允許越浪量在堤頂面及背海面設置防護措施;堤頂材料的選擇上應考慮其抗沖刷性，不能選擇碎石或者瀝青混凝土作為護面;考慮到海浪的沖刷性和腐蝕性，可以在海堤面上種植部分適合海邊生長的植物，如紅樹林和大米草等，不僅有效提高了海堤的壽命，更滿足了海堤的生態需求［2］。“生態海堤”的建設已不單單作為海堤建設的一部分而存在，未來可以對生態海堤單獨劃區作為獨立項目規劃，將其與城市建設相結合，慢慢建立標準體系，構建產業化發展模式。如通過擴展融資渠道，發展生態養殖和海洋牧場等，變政府公益性投入為企業和社會生產性投入，不僅能夠有效的解決了海堤生態建設的問題，更能促進當地產業發展，居民增收。
5結語
海堤斷面設計作為海堤建設的基礎和前提，目前比較普遍的形式有斜坡式、陡墻式和混合式。設計時應當充分考慮地質地形、風浪特點等情況，結合施工工藝、維修管理和生態人文需求，確定斷面形式。當然，斷面形式的的設計上不應拘泥于上述三種主要形式，應當在保證結構可靠，經濟可行的基礎上，大膽創新，推陳出新。
參考文獻:
［1］邵繼彭，姜睿濤，楊志超，等.海堤斷面類型及適應性設計［J］.水利水電工程設計，2017，36(02):15－17.
［2］麥宇雄.堤頂高程受限的海堤斷面優化設計［J］.河北工業科技，2019，36(04):287－292.
作者：陳戰利 單位：中洲工程設計有限公司