黄河三角洲滩涂区海堤护岸结构方案优化实证研究

刘建波，翟有经

（1.山东省水产设计院 济南 250000；2.山东联创矿业设计有限公司 济南 250000）

黄河三角洲滩涂区海堤护岸结构方案优化实证研究

刘建波1，翟有经2

（1.山东省水产设计院 济南 250000；2.山东联创矿业设计有限公司 济南 250000）

海堤护岸是抵御和减轻风暴潮灾害的根本措施，是从根本上消除风暴潮对沿岸人民生命财产安全威胁的最有效措施之一。黄河三角洲沿海滩涂广阔平坦，多为沙质和淤泥质，沟壑交错，海堤护岸的建设量大面广，所以对区域内海堤护岸的建设方案进行比较优化，更显得十分必要。文章通过具体的工程案例，阐述了建于黄河三角洲滩涂区的海堤护岸结构方案的比选与优化步骤与方法，这无疑对建于滨海滩涂区的海堤护岸的方案优化具有直接的参考与借鉴意义。

海堤；护岸；黄河三角洲；滩涂区；方案优化

1 背景

2009年12月1日中华人民共和国国务院通过了《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》，黄河三角洲的开发建设正式上升为国家战略，成为国家区域协调发展战略的重要组成部分。

黄河三角洲位于渤海南部的黄河入海口沿岸地区，在环渤海地区发展中具有重要的战略地位。黄河三角洲高效生态经济区的战略定位是：建设全国重要的高效生态经济示范区、特色农业基地、后备土地资源开发区和环渤海地区的增长区域。《规划》明确了发展的近期和远期目标，到2015年，基本形成经济社会发展与资源环境承载力相适应的高效生态经济发展新模式；到2020年，率先建成经济繁荣、环境优美、生活富裕的国家级高效生态经济区。

2011年1月，国务院已正式批复《山东半岛蓝色经济区发展规划》，这标志着山东半岛蓝色经济区建设正式上升为国家战略，成为国家海洋发展战略和区域协调发展战略的重要组成部分。

山东半岛蓝色经济区发展战略定位：建设具有较强国际竞争力的现代海洋产业集聚区、具有世界先进水平的海洋科技教育核心区、国家海洋经济改革开放先行区和全国重要的海洋生态文明示范区。

山东半岛蓝色经济区发展近期和远期目标：到2015年，现代海洋产业体系基本建立，综合经济实力显著增强，海洋科技自主创新能力大幅提升，海陆生态环境质量明显改善，海洋经济对外开放格局不断完善，率先达到全面建设小康社会的总体要求；到2020年，建成海洋经济发达、产业结构优化、人与自然和谐的蓝色经济区，率先基本实现现代化。

《山东半岛蓝色经济区发展规划》是“十二五”开局之年第一个获批的国家发展战略，也是我国第一个以海洋经济为主题的区域发展战略。

国务院对《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》与《山东半岛蓝色经济区发展规划》的批复与实施，为黄河三角洲的发展提供了强大的动力，为海滨滩涂的开发建设迎来了前所未有的机遇。

黄河三角洲是黄河挟带的大量泥沙填充渤海凹陷陆地的海相沉积平原。现代黄河三角洲上地貌有河滩高地、坡地、大型洼地等。黄河三角洲地势西南高东北低，与黄河入海的方向相一致。由于受黄河尾闾摆动的影响，这里的地面形成许多沟壑交错的废弃河道及防水堤坝，虽经多年风雨剥蚀、人为填补，至今仍见岗、坡、洼相间分布的地形，以及波浪涟漪状的地貌。黄河带来的大量泥沙，使三角洲平均每年以2～3km的速度向渤海推进，形成大片的新增陆地。

我国坚持将海湾滩涂的开发同治理保护有机地结合起来，为了保护和改善海洋环境，有效利用和开发海洋资源，既提高防灾减灾能力，防治污染损害，维护生态平衡，又促进经济和社会可持续发展，着眼于既满足现实社会对海洋资源的需求又实现海洋资源的可持续利用。

黄河三角洲的开发首要任务是对滩涂陆域土地资源进行保护与改造，通过海堤护岸的建设，避免或降低风暴潮对陆域生产生活设施的危害，保护土地资源，为黄河三角洲的开发提供坚实的基础设施支撑。建设海堤护岸是抵御和减轻风暴潮灾害的根本措施，是从根本上消除风暴潮对沿海人民生命财产安全威胁的最有效措施之一。黄河三角洲沿海滩涂广阔平坦，多为沙质和淤泥质，沟壑交错，护岸的建设量大面广，所以对海堤护岸的建设方案进行比较优化，更显得十分必要。

2 海堤护岸方案

2.1 海堤护岸形式

海堤护岸形式应按照因地制宜，就地取材的原则，根据海堤护岸所处地理位置、地质条件、筑堤材料等，考虑各种堤型结构特点、水流及风浪特性、施工条件、环境景观等各方面影响因素，经技术、经济比较综合确定。

（1）斜坡式。优点：护岸基础面积大，地基应力较小，在松软地基上可以保持稳定；斜坡面对浪潮的冲击适应性好，斜面能消散大部分波浪能量；护面结构及施工技术简单，维修养护容易。缺点：断面大，占地多，受地形条件影响大，土石方工程量也较大；波浪爬高较直立式大；采用干抛大块石护坡，工程造价较高。斜坡式护岸主要适用于沿海滩涂养殖区，独立的海堤护岸可以于迎海侧与背海侧均为海水，考虑施工难易及筑坝材料、坝型外观等因素，两侧均可采用斜坡式。

（2）直立式。优点：断面小，占地少，土石方工程量较小；波浪爬高较斜坡式小；可增加陆域面积。缺点：对地基承载力要求较高，不适用于松软地基；波浪对防护墙作用强烈，薄弱部位易遭破坏，结构单一；波浪在墙前反射，底层流速增大，墙脚易被淘涮；坝后需大量填土，如果就近取滩涂沙土，会破坏滩涂原貌，填土由外运解决，会增加投资。

2.2 结构材料

海堤护岸的材料主要采用混凝土、块石等主材。混凝土防护主要为素混凝土和钢筋混凝土；块石主要为干砌石和浆砌石的防护形式。

（1）混凝土防护。优点：护面整体性好，抗冲刷能力强，坚固耐久；材料可塑性好，护面造型机动灵活；结构简单，施工方便。缺点：护面糙率较砌石小，波浪爬高值大；护面损坏，修复较困难；投资较砌石护面大。对于海滨景观区，外露混凝土的质感不如天然材料，与海滨风景不太协调。

（2）砌石防护。优点：较混凝土护面糙率大，波浪爬高值小；可因地制宜，就地取材，投资较省；干砌石护面堤坝变形能力强，修复较简单；施工技术简单，易于操作。对于海滨景观区，料石有自然的质感，能与滨海风景相托辉映。缺点：护面整体性差，抗冲刷能力低，易破坏；工程量大，管理维护费用较高。

3 某海堤护岸结构方案的优化

3.1 设计基本资料

3.1.1 设计水位

设计高水位：3.09m

设计低水位：－0.23m

极端高水位：3.84m

极端低水位：－0.3m

3.1.2 工程地质

工程场区在勘察深度范围内由第四系全新世海积物、更新世陆相冲积物组成。根据野外钻探、原位测试及室内试验结果，工程场区自上而下划分为5层。

（1）层素填土（Q4ml）：灰黄色，湿，稍密。黏性土为主，夹粉细砂薄层，土质均匀，含零星贝壳碎片。场区普遍分布，厚度：2.7～5m，平均3.65m；层底标高：0～1.8m，平均1.11m；层底埋深：2.7～5m，平均3.65m，允许承载力120kPa。

（2）－1层粉质黏土（Q4m）：灰色，软～可塑。切面较光滑，干强度韧性中等，无摇震反应，夹粉土、粉砂薄层，含少量贝壳碎片。分布不均匀，厚度：1.0～8.0m，平均2.61m；层底标高：－6.24～－0.8m，平均－1.58m；层底埋深：5.5～11.0m，平均6.37m，允许承载力为110kPa。

（3）－2层粉砂（Q4m）：灰色，饱和，松散稍密，成分为长石、石英，分选磨圆好，夹粉质黏土、粉土薄层，土质均匀。场区普遍分布，厚度：3.5～8.8m，平均5.05m；层底标高：－9.95～－5.8m，平均－8.0m；层底埋深：3.5～11.5m，平均6.8m，允许承载力为110kPa。

该层做标准贯入试验17次，实测击数平均值N＝12.2击，修正击数标准值9.30击。

（4）层粉砂（Q4m）：褐黄色，饱和，中密～密实。成分为长石、石英，分选磨圆好，含少量贝壳碎片，约15%～20%，局部富集，分布不均匀。场区普遍分布，厚度：1.5～4.3m，平均2.99m；层底标高：－18.8～－14.1m，平均－16.12m；层底埋深：9.8～21.6m，平均14.71m，允许承载力为160kPa。

3.2 护岸方案形式

根据当地规划及滩涂开发建设要求，该工程为某河道入海口海堤护岸，在满足抵御风暴潮的情况下，也应满足渔船的停泊要求，综合考虑该河道护岸的使用功能要求，该护岸采用直立式护岸。

3.3 直立式浆砌石结构与钢筋混凝土扶壁结构比选

根据工程特点及当地材料供应情况，设计提出浆砌块石结构（图1）与钢筋混凝土扶壁结构（图2）两种方案，并对两方案进行了分析比较，结果如下。

（1）由于工程区地基承载力偏低，经验算，浆砌块石结构的地基承载力不满足要求，需要对地基进行处理，增加了工程费用。

（2）工程建设用材砂、石需要由外地运进，运距较远，成本增加较多。

（3）经概算统计，钢筋混凝土扶壁结构的单位造价为1.75万元／m；浆砌块石结构单位造价为2.161万元／m，二者有一定的差价。

图1 浆砌石结构护岸

图2 钢筋混凝土扶壁结构护岸

3.4 结构验算

3.4.1 方案一：浆砌石结构

基本验算。验算荷载包括土压力、结构自重以及各可变荷载，采用最不利情况进行组合，分最高水位和最低水位两种工况进行计算。

（1）土压力计算

墙背的主动土压力计算方法，通常近似地把上下墙分开考虑，分别按库伦理论计算各直线段上的土压力，然后取其矢量和作为全墙的土压力。

上墙主动土压力：

下墙主动土压力：

（2）全墙总法向力N和总稳定力矩My

上墙W1＝109.3kN；力臂Z1＝1.4m；下墙W2＝292.2kN；力臂Z2＝2.43m；墙上土重W3＝65.1kN；力臂Z3＝4.93m

上墙土压力竖向分力：

E1y＝32.8kN；Z1x＝3.23m

上墙土压力水平分力：

E1x＝17.1kN；Z1y＝4.59m

下墙土压力竖向分力：

E2y＝2.9kN；Z2x＝4.18m

下墙土压力水平分力：

E2x＝48.3kN；Z2y＝1.59m

墙体受到拉力F及力臂Z：F＝50kN；Z＝6m

全墙总法向力N＝479.1kN；总稳定力矩My＝W1Z1＋W2Z2＋W3Z3＋E1yZ1x＋E2yZ2x＝ 1 341.2kN·m；倾覆力矩M0＝E1xZ1y＋E2xZ2y＋FZ＝455.4kN·m

（3）基底应力

偏心距验算ZN＝（My－M0）／N＝1.79m；B／6＝0.53；e＝B／2－ZN＝－0.2＜0.967。式中，B为护岸底宽。

δ1＝206.5kPa、δ2＝94.0kPa，均小于基床抗压强度，满足要求。

基床底面应力（按长度1m计算）

式中：Be地基受压宽度，Be＝B＋2d＝7.2m；d为抛石基床的厚度。

可求得基床底面应力分别为

P1＝121.8kPa，P2＝71.8kPa

（4）地基承载力

式中：fd为地基承载力标准值；γ1为基础地面下土的重度，水下用浮重度；γ2为基础地面以上土的加权重度，水下用浮重度；mB、mD分别为基础宽度、深度的承载力修正系数；B′e为基础有效宽度，当基础有效宽度小于3m时，取3m；当基础有效宽度大于8m时，取8m；D为基础深度，当基础埋深小于1.5m时，取1.5m。

经计算f′d＝139kPa

同理可求得高水位时护岸参数（表1）。

表1 极端高水位时浆砌块石结构稳定性

稳定性验算。可见当高水位时P1／P2＝2.44＞2.0，不满足规范［2］要求，可能产生不均匀沉降。若采用该种形式护岸，需对地基进行处理，以改善地基情况。

3.4.2 钢筋混凝土扶壁结构

基本验算。验算荷载包括土压力、结构自重以及各可变荷载，采用最不利情况进行组合，分最高水位和最低水位两种情况进行计算。

（1）土压力计算

由朗肯土压力公式计算土压力

式中：β为护岸墙背倾斜角度。

全墙承受的土压力及其对基底的弯矩

（2）全墙总法向力N和总稳定力矩My

踵板上的覆土重W 及力臂Zw（对趾板端点，以下同）；

式中：B1、B2、B3分别为护岸趾板、墙面、踵板的长；H1为护岸踵板以上沙土的高度；γ为护岸墙后沙土的浮重度。

墙体总重G＝76 kN，力臂ZG＝3.2m；墙体受到浮力Vf＝γ水V＝65.7kN；力臂Zf＝B／2＝4.25m；墙体受到拉力F＝50kN；力臂Z＝6m；

全墙总法向力为

N＝W＋G－Vf＝744.7kN

总稳定力矩为

Wy＝WZW＋GZG＝3 521.5kN·m

倾覆力矩

M＝Mh＋VfZf＋FZ＝839.11kN·m

（3）基底应力

偏心距验算

ZN＝（My－MH）／N＝3.6m

（B1＋B2＋B3）／6＝1.4

e＝B／2－ZN＝0.65＜1.4

挡墙底面应力

δ1＝127.7kPa、δ2＝47.5kPa，均小于基床抗压强度，满足要求。

基床底面应力（按长度1m计算）

式中：Be地基受压宽度，Be＝B＋2d＝12.5m；d为抛石基床的厚度。

可求得基床底面应力分别为

P1＝116kPa，P2＝62kPa

（4）地基承载力

地基承载力修正值

经计算f′d＝198kPa

同理可求得最高水位设计参数（表2）。

表2 极端高水位时钢筋混凝土扶壁结构稳定性

稳定性验算。基床底面最大应力与最小应力比满足规范［2］。

地基整体稳定性验算。从以上计算结果可知，浆砌石结构方案在低水位时地基承载力无法满足规范要求，所以只对扶壁结构方案进行地基整体性稳定计算。

计算采用圆弧滑动面法验算［3］，护岸圆弧滑动面稳定分析见图3。

作用在滑动面上的力围绕圆心产生的滑动力矩MC和抗滑力矩MY为：

图3 圆弧滑动面稳定性分析

式中：α为滑动圆弧中心角的一半（°）；β为将F力的作用线和圆弧的交点与圆心O作连线，改线和竖直线的夹角（°）；φ为地基土的内摩擦角（°）；R为滑动圆弧的半径（m）；γ为滑动土体的容重（kN／m3）。

整体抗滑稳定性安全系数

假定一系列滑动面，按式（14）计算出每一滑动面相应的抗滑稳定性系数K，经计算，K≥1.3，地基整体性稳定性满足规范要求。

经计算比较，最终选择钢筋混凝土扶壁结构方案护岸。

4 方案讨论

（1）通常情况下，在滨海滩涂区建设海堤护岸，以斜坡式为主。本案中，由于护岸要满足停泊渔船的需要，所以采用直立式护岸。

（2）海堤护岸材料以石材为主，特别是斜坡式护岸，多采用块石护砌。直立式护岸通常也以浆砌块石为宜，但由于地域和交通等限制，特别是地材价格的差异，会引起工程造价的差异，导致最终方案的选择不同。本案中，受施工区交通限制，地材只能通过陆地汽车运输，产地到施工区运距400km余，施工区石材价格偏高。一般的块石能达到200元／m3，而相距数十千米的工地，由于河道通航，石材只有120元／m3左右。

（3）滨海滩涂区地基处理方案应慎重选择与采用，综合分析确定。本案中，采用浆砌石方案时，由于基底应力比超地基要求，就必须对地基进行处理，才能满足工程要求。设计采取了通常的粉喷桩地基处理方案，这会明显地导致工程施工的复杂性和造价的增加，对方案的取舍也产生了相当大的影响。即使不考虑工程造价增加的影响，或造价增加的影响不大，仅仅增加地基处理这一复杂施工项，也会对方案的选择起到决定性的影响。

［1］ 中交天津港工程研究院有限公司.港口工程地基规范［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 中华人民共和国水利部.堤防工程设计规范［M］.北京：中国计划出版社，2013.

［3］ 顾慰慈.堤防工程设计计算简明手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

Empirical Research on Structural Optimization of Wetland Soil Seawall Revetment in Yellow River Delta

LIU Jianbo1，ZHAI Youjing2

（1.The Fishery Project Designing Institute of Shandong Province，Jinan 250000，China；2.Shandong Lian Chuang Mining Design Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

Seawall revetment is one of the best basic measures that withstand and reduce the damage of the storm－tide disaster and eliminate the danger of storm surge that threatens human life and property.Yellow River Delta，which is close to the sea and has complex geologic structure，is composed by sludge and chiltern.There are too much work of seawall revetment，so that it is necessary to compare and optimize the regional development scheme of the seawall revetment.In this paper，the procedure and methods of comparing and optimizing the regional development scheme of the seawall revetment were stated by engineering projects near the Yellow River delta，which could enlighten the development scheme of seawall revetment over coastal tidal flats areas.

Seawall，Revetment，Scheme，Optimization，Yellow River Delta，Tidal flat

P751

A

1005－9857（2017）03－0092－07

2016－07－30；

2016－12－12

刘建波，高级工程师，硕士，研究方向为结构工程，电子信箱：ljb－sj＠163.com