护岸结构优化改进案例分析

林志坚，连石水，何梓均

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 项目简述

项目位于福州长乐市东面，福州市长乐国际机场东侧的湖南镇境内，紧邻福州市长乐国际机场，通过填海造地建设飞机维修基地、仓储基地和万翔快递中心，工程水深范围在-6.5 m以内。项目建设护岸约4 540 m，填海形成陆域面积约为75.4万m2，项目位置见图1。飞机维修基地、仓储基地和万翔快递中心位置、朝向和水深都不相同，使用要求也不一样，仅选取快递中心东南临海侧的典型护岸断面进行护岸结构优化改进案例分析。

2 典型护岸结构主要设计标准

护岸按水运工程规范要求进行设计。根据GB 50201—2014《防洪标准》规定，民用机场根据重要程度和飞行区指标分为3个防护等级，本工程重要程度为“重要的国内干线机场及一般的国际机场”，防护等级为II级，防洪标准≥50 a，但需按100 a一遇的防洪标准进行校核，且不应低于所在城市的防洪标准。护岸的结构安全等级为I级。护岸防浪、防潮标准为：1）设计水位采用100 a一遇的高潮位；2）设计波浪为100 a一遇的波浪；3） 越浪量控制标准：Q允≤0.05 m3/（s·m）；4）施工期波浪防护标准为5 a一遇的波浪。

图1 福建某项目位置概况图Fig.1 Location map of a project in Fujian

3 典型护岸主要设计条件

1）设计水位

100 a一遇极值高水位：5.37 m；极端高水位（50 a一遇）：5.13 m；设计高水位（高潮累积频率10%）：3.69 m；设计低水位（低潮累积频率90%）：-2.76 m；极端低水位（50 a一遇）：-3.87 m。

2）设计波浪

100 a一遇设计波浪：H1%=8.48 m、H13%=6.77 m。5 a一遇设计波浪：H13%=3.2 m。

3）设计荷载

均布荷载20 kN/m2。

4） 地震

地震动峰值加速度值为0.10g，地震基本烈度值为Ⅶ度，场地类别属于Ⅲ类。

5） 地质

根据地质钻探资料，工程区从上而下分别为①细砂、②淤泥质土、③中砂、④黏土～粉质黏土、⑤中粗砾砂。从揭示的地层分析，场地主要软土层为淤泥质土，淤泥质土含水量大、强度低、压缩性高、厚度大（平均厚度6.39 m）、标贯击数低（平均标贯击数N=2.6），需对其进行处理才能保证护岸使用期对沉降和稳定的要求。淤泥质土主要物理力学指标见表1。

6）护岸坡脚抗冲刷要求

表1 淤泥质土主要物理力学指标表Table 1 Main physical and mechanical indexes of muddy soil

根据《福州长乐国际机场二期建设陆域形成工程潮流及泥沙数学模型研究报告》预测结果显示，万翔快递中心护岸形成后存在冲刷坡脚问题，最大冲刷深度在0.92～4.04 m之间，因此应进行护岸坡底防冲刷处理，护岸海侧坡脚开挖基槽并回填块石，起到抗冲刷的作用。

4 护岸原设计概述

1）护岸原设计简介

护岸原设计采用斜坡式护岸结构，护岸顶现浇L形钢筋混凝土挡浪墙，钢筋混凝土挡浪墙顶标高10.7 m，挡浪墙陆侧9.5 m标高处设宽7.7 m路面结构，路面陆侧设宽3.5 m钢筋混凝土排水沟。挡浪墙前消浪平台宽38.5 m，海侧护岸边坡坡度为1∶1.5，海侧护面结构采用18 t扭王字块，护面结构下垫层块石采用厚度1.6 m的0.9～1.8 t块石，垫层块石下堤心采用10～100 kg块石，10～100 kg块石与回填海砂之间过渡采用混合倒滤层和多功能土工垫。为预防护岸海侧坡脚冲刷，护岸海侧坡脚开挖4 m后回填块石。护岸地基处理主要采用塑料排水板+堆载预压法，由于部分区域软土（淤泥质土）厚度较大，为满足护岸稳定，减小护岸断面宽度以缩减用海面积，护岸外侧局部区域地基处理采用砂桩复合地基。地基处理用的砂袋围堰采用在水运工程中常采用的土工管袋护面。护岸原设计断面图见图2。

2）护岸原设计特点及实现的关键因素

图2 护岸原设计断面图Fig.2 Original design sectional diagram of revetment

护岸原设计是斜坡式护岸常规的结构形式，具有工序简单、施工工艺成熟、施工快速简便的特点，但是由于工程区域地质条件差必须进行软基处理方可保证护岸整体稳定，而软基处理施工期长，施工期间需经受当地海况条件较差的考验，软基处理施工期间防护是否安全可靠是护岸设计能否实施的关键因素。

5 护岸原设计在试验段施工中遇到的问题

由于工程所在地海况条件较差，为验证原设计地基处理用的围堰的安全可靠性，前期施工了30 m长的围堰试验段。围堰试验段标高+4.0 m，护面采用土工管袋，在围堰试验段建成后存在个别土工管袋在往复涌浪携带建筑垃圾的冲击下破袋漏砂现象，围堰存在安全隐患。围堰试验段成果表明：为保证地基处理施工期间安全可靠，水运工程中常用的土工管袋护面在本工程中不适用，需另寻解决方案。

设计曾考虑过采用尼龙网兜块石[1]替代土工管袋作为围堰的护面，但尼龙网兜块石工程造价高，围堰施工期后需拆除，所以对于临时结构而言代价高，尼龙网兜石水下部分拆除难度很大，施工的可行性差，因此不予以采用。简单更换围堰护面结构来解决地基处理时所用围堰的安全隐患变得不切合实际，因此设计考虑优化改进护岸结构以达到同时满足使用期与施工期安全要求的目的。

6 优化改进设计

6.1 优化改进设计简介

1）优化改进后设计断面

护岸优化[2]改进后设计断面与原设计断面主要不同之处在于护岸坡脚设置了φ1 000 mm钢管板桩[3]@1 140 mm，砂桩[4]处理范围原设计断面宽度由25 m减少为20 m，钢管板桩桩底进入砂层不小于2 m，护岸优化改进后的设计断面图见图3。钢管桩之间缝隙较大，坡脚设置钢管桩后无法解决冲刷问题，仍需在护岸海侧坡脚开挖基槽并回填块石，主要起到抗冲刷的作用。

图3 护岸优化改进后的设计断面图Fig.3 Optimized improved design sectional diagram of revetment

2）护岸坡脚设置钢管板桩作用

钢管板桩主要起到3个作用：①施工期海况条件较差，钢管板桩施工期桩顶标高4.0 m，起到地基处理（砂桩）施工期安全防护作用，护岸优化改进后的地基处理断面图见图4；②现场挖槽试验结果显示24 h回淤[5]强度1.5 m，钢管板桩的设置解决了护岸坡脚开挖回淤问题；③钢管板桩提高了护岸整体稳定性，因此可以相应减少砂桩处理的范围，降低了砂桩地基处理工程费用。

3）改善施工环境

图4 护岸优化改进后的地基处理断面图Fig.4 Optimized design sectional diagram of foundation treatment of revetment

护岸结构优化改进后施工顺序：①施打钢管板桩→②回填中粗砂至4.0 m→③砂桩施工（见图4）→④开挖坡脚基槽→⑤护岸海侧部分结构施工（护岸海侧结构施工至顶标高大于4.0 m）→⑥后方回填砂至+3.0 m→⑦插设塑料排水板→⑧分级堆载砂预压[6]（分4级加载）→⑨开挖基槽进行护岸剩余结构施工。

优化改进后改善了施工环境，提高了施工期抗风浪的安全性：砂桩施工③时有钢管板桩围堰[7]遮挡风浪；开挖坡脚基槽④时，有钢管板桩围堰遮挡回淤；护岸海侧部分结构施工⑤（护岸海侧结构施工至顶标高大于4.0 m）后形成具备抗台风能力的可靠结构，为后期的塑料排水板+堆载预压地基处理施工创造了良好的条件。

6.2 优化改进设计计算复核

1）护岸整体稳定复核

护岸边坡整体稳定计算方法采用圆弧滑动面简单条分法[8]。护岸整体稳定计算结果见表2～表3。典型断面一、典型断面二、典型断面三位置见图1。

表2 护岸典型断面整体稳定抗力分项系数计算汇总表Table 2 Summary table of integral stability resistance coefficient of typical section of revetment

表3 施工期（短暂状况）堆载边坡稳定抗力分项系数计算表Table 3 Calculation table of partial coefficient of stability resistance of surcharge slope during construction(transient situation)

综上计算结果，护岸的使用期整体稳定最小抗力系数1.122≥1.1、地震整体稳定最小抗力系数1.101≥1.0、施工期整体稳定最小抗力系数1.181≥1.0，因此护岸整体稳定满足JTS 147—2017《水运工程地基设计规范》要求。

2）钢管板桩复核

钢管板桩材料采用Q345，根据JTS 167—2018《码头结构设计规范》和JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》要求需进行踢脚稳定[9]和钢管板桩应力计算，计算结果见表4、表5。

表4 钢管板桩踢脚稳定结果Table 4 Stability results of steel sheet pile

表5 钢管板桩内力结果Table 5 Internal force results of steel sheet pile

综上计算结果，钢管板桩在使用期、施工期的抗倾力矩均大于倾覆力矩，因此踢脚稳定满足《码头结构设计规范》要求，钢管板桩最大应力280 MPa≤310 MPa满足《水运工程钢结构设计规范》要求。

7 结语

项目护岸已于2018年3月完成施工，经优化改造后的护岸结构在施工中实施顺利，护岸至今使用情况良好。需软基处理的斜坡式护岸结构形式，软基处理施工期间防护是否安全可靠是护岸设计能否实施的关键因素。在护岸坡脚增设钢管板桩的方式优化改进护岸结构可解决施工期安全防护问题，解决开挖回淤问题，提高护岸整体稳定性并减少了砂桩处理的范围，达到同时满足使用期与施工期安全要求的目的。在护岸坡脚增设钢管板桩的方式可供类似海况条件较差且需进行软基处理的护岸工程设计施工参考借鉴。