浅谈海堤工程设计体会

摘要：海堤工程作为沿海地区防御风暴潮侵袭的重要工程措施, 在防灾减灾中发挥了巨大的作用。本文结合新颁布的海堤设计规范，对海堤工程的设计进行了探讨。

关键词：海堤工程；设计；吹砂填筑

中图分类号：U656.31+4 文献标识码： A 文章编号：

随着我国沿海社会经济总量的不断增加，台风暴潮造成的损失却越来越大，已建海堤已越来越难以适应当前防潮、防洪形势的要求，表现在海堤标准普遍偏低，且缺乏统一的海堤设计建设标准，以致各地在进行海堤设计建设时水平参差不齐，其设计、施工和管理难以做到安全适用、经济合理，严重制约了海堤的安全和规范化建设。为保卫沿海社会经济发展成果和人民生命财产安全，规范我国海堤工程建设，不断提高海堤设计质量和水平，有着重要的意义。

1 工程概况

某海堤工程，堤防总长36.85km,其中迎海面长25km；围内总面积95.8km2,保护耕地面积10.31万亩,保护人口6.88万人；围内经济年产值近4亿元,工程关系民生，具有显著的社会效益、经济效益及环境效益。此海堤按20年一遇防洪（潮）标准设计；排涝涵闸按自排20年一遇洪水标准设计。

1区域气象、潮汐、水文地质

1.1气象特征

根据观测资料显示,平均涨潮历时10h/36min,平均落潮历时为9h/47min。涨潮历时大于落潮历时,差值49min,维持高潮位时间约4h。

1.2地质特征

(1)旧堤筑堤土:主要由原地表表层土及灰色淤泥、砂质淤泥及软流塑粉质粘土脱水固化而成,夹有团包状淤泥质砂、细～中粗砂,厚度1.8～4.5m。

(2)地层岩性

①砂质淤泥:灰～深灰色为主,厚1.3～3.2m。含多量中细砂、腐植质,多呈流塑状,主要分布在12+000至20+000地段,标准贯入试验N≤2。

②淤泥质砂:灰色,多为高含粘粒的中细砂,呈流塑状,松软饱水,厚3.1～7m,标准贯入试验N=1～3.5。

③淤泥质土层:灰色为主,砂质含量甚少,含红树林根系等腐植质,流塑状态,本层厚度1.8～4.1m,标准贯入试验N=1。

④粉质粘土:灰～浅灰黄色,中～中粗砂含量较少,底部夹薄层粉细砂,软可塑状态,厚度1～3.8m,标准贯入试验N=2～4。

⑤中粗砂夹细砂层:灰色,颗粒成份变化大,粗砂含量较高,松散,厚度0.9～1.6m,标准贯入试验N=4～13。

⑥砾砂质粗砂夹卵石层:灰黄、灰白为主,中、粗砂及粘粒含量变化大,稍密～中密状态；本层很厚,未能钻透,标准贯入试验N>12。

(3)水文地质特征:本工程地基土层基本处于地下水位之内,表层淤泥有较多的生物虫孔、起到储水导水作用,故第①层为弱富水；第②层淤泥质砂,透水性良好,属中等偏弱富水；第③层为弱富水；第④层粉质粘土层为极弱水层；第⑤层极强富水层。西沙联围地处河流与海水共同作用堆积而成平原前缘,地下水补给充沛,深部的粗砂夹卵石层为强烈富水层,具承压水特征,其水位接近地表,潜水高腐植质。对常规混凝土有腐蚀作用。

(4)工程地质评价:局部场地表层淤泥,允许承载力不大于30kPa,不能作为持力层, ①～③层允许承载力在45～70kPa之间,压缩模量也在1.8～6之间,允许承载力和压缩模量均较小,堤型结构设计要充分考虑基础附加应力和控制堤身的沉降。

2建筑材料

2.1筑堤材料

经多年脱水固化成堤，场地表层的砂质淤泥或下层的淤泥质砂需晒干碾细才可作新堤填筑土,不然则需要从十多公里外汽运红砂土填筑；沙、卵石、块石等建筑材料要从总江砂卵石场和青山石场购运。

2.2存在问题

海堤设计风暴潮标准为20年一遇,属IV级堤防工程,按《堤防工程设计规范》6GB50286-98规定:粘性土土堤填筑压实度不得小于0.9；如果采用场地附近表层淤泥晒干碾细填筑方法,一是没有场地,二是无法运输,三是开始填筑时受潮水影响而无法控制填土的含水量,因而也无法达到设计要求的压实度,四是施工期也不允许。如采取外地汽运红砂土进行筑堤方法,一是工程造价高,二是开始填筑时同样受潮水影响不能达到压实度要求。

3解决办法

由于采用粘性土填筑新堤存在很多困难,本工程以采用吹砂筑堤，但必需满足的条件,一是附近有砂可抽,不会提高工程造价；二是要解决无粘性土(砂料)的渗透问题,防止产生渗透流危及堤防安全；三要施工容易,投资节省,做到施工工期短、工程造价低；此外还要解决堤基沉降、潮水带走填堤砂的具体问题,下面对各种条件进行详细分析、论证:

3.1条件是否具备,经济是否合算

经过实地详细调查,外滩100m的安全范围外是含有中至中粗砂的淤泥质砂层,层厚3～7m不等,在涨潮期间可利用抽砂船吹砂填筑,每个涨潮期可工作6个小时左右,由于工作面宽,如想加快施工进度,可采用多艘船只同时进行施工作业。经调查,抽取1m3海砂成本约在5～6元之间；加上增加必要的砂包护脚、税金和部分吹砂的流失,成本也能控制在15元/m3以内,因而远比填筑粘性土经济。

3.2渗流及渗透稳定问题

按《堤防工程设计规范》6GB50286-98有关渗流计算规定,依公式插入电子表格进行计算:

(1)按不透水地基,下游无排水设备条件公式计算(见表1)。

表1 渗流计算表

表中:q一单宽渗量,m3/(s・m)；

k一堤身渗透系数,m/s；

H1一上游水位,m,分别为设计潮位和多年平均大潮潮位计算浸润线和计算渗流量,这是《堤防工程设计规范》6GB50286-9881314要求的最不利组合；

H2一下游最高水位,m；

h0一下游出逸点高度,m；

m1一上游坡坡率；

m2一下游坡坡率。

表中第一、三行为公式1,第二、四行为公式2。

（1）

（2）

选择不同的h0填入对应单元格,使两式的q/k值相同,此时h0和q的值即为方程组的解。计算结果两种情况的单宽渗透流量均趋于零,因而堤防不会产生渗透流。

(2)按有排水棱体的计算公式计算

包含有迎水面水泥砂浆砌体护坡和内坡浆砌石挡土墙护脚的粗砂堤身的海堤,还可当作棱体临水坡坡率m3为零的有排水棱体堤防来进行渗流和浸润线计算；显然,临水坡面为粗砂的浆砌石挡土墙还不完全起到排水棱体作用,但水泥砂浆浆砌C20砼预制块迎水面护坡当作均质粗砂堤身进行上述计算时,还是留有一定安全余地的。对于迎海面海堤来说,由于围内多为虾塘,为保护内坡堤脚,不管采用粘性土还是非粘性土堤结构,均需设有浆砌石挡土墙护脚,只要保证挡土墙顶以上的砂堤身不形成稳定渗透流就不会因渗透而影响堤身安全。

(3)不稳定渗透流计算条件

①堤基不透水；②浸润线锋面近似地呈直线状；③略去非饱和土的张力势。

地质勘探资料显示,本工程区第一层为弱富水层；上面计算浸润线结果也近似直线。符合不稳定流计算条件。

渗流在背水坡坡脚出现所需时间T可插入电子表格依公式进行计算:

表2 渗流时间计算表

表中:H一设计潮位,m；

b一设计潮位土堤横断面宽,m；

k一堤身渗透系数按土工试验成果填入(m/s)；

n0一堤身砂的有效孔隙率,n0=n×(1-sw)；

n一孔隙率按土工试验成果换算填入；

sw一饱和度按土工试验成果换算填入。

计算结果渗透流在坡脚出现时间T为38.76h,从北海潮位站20年一遇潮水位过程线中查得潮水位维持零高程以上最大历时为6.6h,小于T(38.76h)；浸润线锋面距迎水坡脚L为8.9145m。

(4)背水坡渗流出口比降计算

上面各种计算结果表明背水坡不会出现渗透流,不必作背水坡渗流出口比降计算。

(5)水位降落时堤身浸润线

为偏于安全,可按照水位开始降落前的浸润线位置进行堤坡稳定计算。应当指出,砂土在浸润状态下物理力学指标远没有粘性土变化大,水位降落时,相对来说粘性土堤稳定性受影响要大一些；单就这一指标来说,吹砂筑堤有更多的优越性。

3.3施工简单容易满足工程质量要求

利用吹砂船在涨潮时间向堤基吹填,只需在开始阶段利用砂包护脚,超过平均高潮位(1.66m)即可取消护脚砂包,大概吹填到4.5m高程后可停吹一段时间,既可让堤基的沉降过程进行较大一部分,减少因堤身沉降给护面砌体带来有害影响,还可利用这段间歇期进行排洪纳潮涵闸等附属工程施工,因为大多数情况下,裁弯取直堤段都有泄洪排水涵闸重建,吹填的新堤身可作涵闸工程的临时施工道路,有利施工安排,能加快总体工程施工进度；常规的粘土填筑方法运输问题很难解决,潮位以下的填土由于潮水的影响无法满足填土含水量的设计标准,不能进行碾压,压实度无法达到设计要求,实际上现有的粘性土海堤多采用淤泥堆筑并经多年排水固结而成,其密实度大都不能满足本级堤防相应标准。此外新填筑的粘性土堤身沉降量比砂堤大,对护面砌体的稳定更加不利。

4结束语

综上所述， 海堤工程设计直接关系到整个设计的准确和安全。裁弯取直的全砂堤身堤筑不光造价低、施工进度快,而且因为堤身沉降量小,堤身和护面砌体可保持稳定的外观质量；几年来,观察在高潮位运行时,在内坡脚从不出现湿润现象,证明设计是成功的,效果是良好的。

参考文献

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[2] 支向军 骆晓明;深厚软弱地基上空箱式海堤工程设计中的一些体会[J];浙江水利水电专科学校学报;2002年02期