海堤護(hù)岸水下混凝土重力式擋墻的設(shè)計(jì)與施工

周濟(jì)華

摘要： 在自然條件復(fù)雜、海況變化大、地理環(huán)境差等情況下，我們對(duì)近岸防浪海堤擋墻，采用水下混凝土重力式結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。本文介紹其設(shè)計(jì)型式、施工計(jì)算、工藝措施及取得的效果。

Abstract： In the situation of complicated natural conditions， big sea condition change and poor geographical environment， we adopt underwater concrete gravity structure to carry on the design and construction of the nearshore wave resisting seawall. This paper introduces its design type， construction calculation， construction process and effect of these measures.

關(guān)鍵詞： 海堤護(hù)岸；重力式擋墻；水下混凝土；岸坡穩(wěn)定；設(shè)計(jì)型式；施工技術(shù)

Key words： seawall revetment；gravity retaining wall；underwater concrete；bank slope stability；design type；construction technology

中圖分類號(hào)：TV552 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0107-05

0 引言

深圳市東部海堤位于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域，現(xiàn)狀海堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，防潮能力較差，尤其是2008年受臺(tái)風(fēng)“黑格比”的影響，海堤受損破壞嚴(yán)重。為保證海堤的安全性及防浪功能、保障周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)東部旅游業(yè)發(fā)展，相關(guān)部門決定對(duì)上述海堤進(jìn)行重建。

在原址重建海堤，一般的設(shè)計(jì)思路是在海域一定范圍內(nèi)填筑止水圍堰，再行施工海堤。此方法對(duì)海域環(huán)境造成較大的破壞作用，尤其是圍堰填筑材料難以清理干凈，臺(tái)風(fēng)浪潮將余碴吹卷上岸，破壞海堤設(shè)施。為此，本工程采用水下蛙人清理海床，固定拼裝鋼模，水下混凝土澆灌，解決了海域填筑材料清理的難題，同時(shí)保證了工程質(zhì)量。

1 工程慨況

深圳東部海堤重建工程（一期）項(xiàng)目位于深圳東部大鵬南澳街區(qū)月亮灣海域岸線，緊臨濱海大道。海堤重建工程總長(zhǎng)1038.94m，由兩種不同結(jié)構(gòu)型式組成：A段水產(chǎn)加工場(chǎng)和南澳觀海廣場(chǎng)岸線長(zhǎng)378.26m，以舊堤岸加固填補(bǔ)岸坡扭王字塊體為主；B段水產(chǎn)碼頭至邊防碼頭及月亮灣海域C、D段岸線長(zhǎng)660.94m為重建段。見平面圖1所示。

該海堤岸線由于處在大鵬灣東岸海域，常年飽受風(fēng)浪襲擊，臺(tái)風(fēng)季節(jié)，海上波浪較大。該工程實(shí)施之前，護(hù)堤曾由當(dāng)?shù)亟謪^(qū)居民修建。但居民修建的海堤因結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，岸堤建后不久，全線多處被臺(tái)風(fēng)波浪沖毀，出現(xiàn)了大范圍坍塌滑移，岸坡存在安全隱患，須進(jìn)行徹底的設(shè)計(jì)與施工重建。

從設(shè)計(jì)前進(jìn)行的勘察得到的資料看，該海堤岸線的地形、地質(zhì)、海況如下：

①地形：緊靠街區(qū)濱海大道，岸線狹小，岸頂與坡腳高差6～7.5m，陡坡較大。

②地質(zhì)：上層土質(zhì)為人工回填塊石，碎石雜土，含石量70～100%不等，層厚4.2～6.0m，底標(biāo)高-3.96～-4.63m，填筑時(shí)間較長(zhǎng)；下層為淤泥，趨于流塑～軟塑，層厚9.2m～10.20m，底標(biāo)高-13.36m～14.34m；水產(chǎn)碼頭至邊防碼頭范圍塊石層下均為中細(xì)砂層直至風(fēng)化層。

③海況：近岸海域水深-0.5～-1.8m，35m開外為-2～

-3.6m。海面平時(shí)浪高0.35～0.85m，臺(tái)風(fēng)季節(jié)強(qiáng)風(fēng)浪高達(dá)1.2～1.6m以上，月亮灣港區(qū)停泊較多漁船和執(zhí)法公務(wù)船，區(qū)域水淺船多，不適合工程船機(jī)進(jìn)入。

④海上區(qū)域受海洋部門管控，新建海堤不得占用海域水線。

2 海堤護(hù)岸的設(shè)計(jì)型式

該項(xiàng)目近岸海域水淺工程船機(jī)無(wú)法進(jìn)入，如要進(jìn)入須進(jìn)行大面積航道疏浚，增加相當(dāng)大工程造價(jià)。附近岸線無(wú)場(chǎng)地，同時(shí)海洋區(qū)域不得占用水域，受到海洋管控約束。按現(xiàn)場(chǎng)情況，海堤無(wú)法采用直立式方塊結(jié)構(gòu)、或扶壁式板樁結(jié)構(gòu)、或斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)等常規(guī)結(jié)構(gòu)型式。

該海堤C、D段所處的地理位置工況較為特殊，本文以C、D段為例，對(duì)岸線、海況、地理、地質(zhì)自然條件的分析，特別對(duì)岸線海域水深、海上波浪，自然環(huán)境復(fù)雜情況分析論證，決定選用在舊護(hù)岸邊線，對(duì)原被臺(tái)風(fēng)波浪沖毀的坡腳，采用深挖基槽澆筑水下混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)形式，并在堤前用2噸扭王字塊和四腳空心塊進(jìn)行鎮(zhèn)腳消浪，以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與岸上游人安全，海堤擋墻結(jié)構(gòu)形式見圖2所示。

該工程海堤采用水下混凝土擋墻結(jié)構(gòu)型式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體性穩(wěn)固，耐久性優(yōu)良，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)；

②不需要預(yù)制大型構(gòu)件，不需大型預(yù)制場(chǎng)地，避免水陸運(yùn)輸和船機(jī)調(diào)遷， 僅用陸上一般機(jī)械設(shè)備即可；

③不需要耗大量鋼材；

④不需占用較大海上水域；

⑤海堤岸線為旅游景觀項(xiàng)目，建成后整體觀感優(yōu)越；

⑥施工簡(jiǎn)易、工期短，不受復(fù)雜環(huán)境限制，與其他結(jié)構(gòu)型式相比資金投入較少，認(rèn)為是最佳的方案。

3 重力式擋墻的施工

3.1 基礎(chǔ)施工及計(jì)算

為保證護(hù)岸邊坡穩(wěn)定安全，基礎(chǔ)開挖采取分層分段逐一推進(jìn)方法，并控制開挖標(biāo)高。當(dāng)挖至軟弱土層須采取邊坡穩(wěn)固措施，如底部泥層采用拋石擠壓排淤方法處理，確保施工安全?；A(chǔ)開挖按30～36m為一段，由于岸坡高差較大，垂直挖深與岸坡可能存在滑坡危險(xiǎn)。因此我們根據(jù)勘探資料，依土力學(xué)理論的太沙基計(jì)算公式，對(duì)岸坡基礎(chǔ)土體進(jìn)行深入分析，原堤岸為較均勻的塊石雜填料，可按水上、水下，兩種土層用條體劃分計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果如圖3及表1所示。（按無(wú)粘結(jié)土層計(jì)算）

3.2 水下基槽平整

該工程基礎(chǔ)開挖是在深水位以下進(jìn)行的，基槽開挖后有凹凸不平的基面，對(duì)高低不平的基床由專業(yè)潛水員在水下進(jìn)行補(bǔ)填掃平，陸上測(cè)量校對(duì)。

我們采用兩道小鋼軌0.5～2.0mm碎石極細(xì)平，每邊平出25～30㎝，厚度15～20㎝。水下整平控制不得太厚，并要有足夠密實(shí)度，保證基床堅(jiān)實(shí)，不出現(xiàn)松動(dòng)。

3.3 模板設(shè)計(jì)、計(jì)算與制作

水下混凝土擋墻主要是靠水下模板的定位澆筑成型的。因基床面至高潮位水深已達(dá)到4.5m以上，模板的安裝定位無(wú)法按陸上一般工程的方法施工。為保證擋墻水下澆筑成型符合設(shè)計(jì)要求，模板必須專門設(shè)計(jì)。我們采用整體定型鋼模板，并根據(jù)海堤工程量，共制作5套整體定型鋼模，其中一套為半弧形，用于弧度段。每套鋼模由4片定型板組成無(wú)底箱體，長(zhǎng)度分為6.5m及7.5m兩種，縱向模板各端預(yù)留25㎝長(zhǎng)度作過(guò)度段搭接之用，寬度為5.9m，高度為3.2m，保證低潮位時(shí)露出水面有20～30㎝。

考慮到水下混凝土采用較大坍落度，澆筑速度快，流動(dòng)性強(qiáng)，大體積水下混凝土模板所承受的側(cè)壓力較大，我們對(duì)模板的設(shè)計(jì)面板選用4㎜厚鋼板；龍骨用L53×53×5角鋼，橫豎向間格52×52㎝；外圍加強(qiáng)桿件選用[12.6槽鋼，橫向水平間距104.9㎝，縱向外層每間格127.5㎝拼排設(shè)2根，兩根之間預(yù)留6～8cm空間作對(duì)拉螺桿穿套管之用。外圍加強(qiáng)桿件與龍骨桿件電焊成牢固整體。如圖4、5所示。

箱體拼裝后應(yīng)設(shè)置3層水平對(duì)拉螺桿，橫向間距104.9cm，底層拉桿離箱底高25cm設(shè)一排，中間設(shè)一排，預(yù)留Φ50螺孔，并計(jì)算選用螺桿直徑，采用Φ50PVC塑料套管，箱體拼裝完成后擰緊，以防鋼模受力變形。頂層拉桿采用[16.5槽鋼兩端焊Φ32螺絲，架于模板頂上與豎向槽鋼相扣連接。由于基槽岸側(cè)與施工道路間相距狹小，螺桿無(wú)法按整根安拆，為便于拆模，水下部分螺桿采用分套式連接桿，分4段，每段按1.2～1.8m的不等形式特制加工，現(xiàn)場(chǎng)拼模時(shí)接成一根，穿于塑套管內(nèi)，拆模時(shí)逐段分離拆除。

由于水下混凝土采用較大坍落度，澆筑速度快，流動(dòng)性強(qiáng)，大體積水下混凝土對(duì)大型模板產(chǎn)生的側(cè)壓力較大。根據(jù)模板受力狀況和鋼結(jié)構(gòu)體系要求，模板各受力桿件須進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，本文僅對(duì)鋼模板的主要受力桿件驗(yàn)算如下：

①混凝土對(duì)鋼模側(cè)壓力計(jì)算（依水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范要求，采用導(dǎo)管法澆水下混凝土?xí)r，不允許插入振搗，其最大側(cè)壓力按港口工程混凝土施工規(guī)范公式P=14fv（kN/m2）計(jì)算，并增加用導(dǎo)管法傾倒混凝土所產(chǎn)生水平動(dòng)力荷載2kN/m2計(jì)入為總側(cè)壓力，計(jì)算如下：

P=14fv=14×3×1.5=63kN/m2

最大側(cè)壓力為：

Pmax=63.00+2=65kN/m2

式中：

Pmax——混凝土對(duì)模板側(cè)壓力（kN/m2）；f——混凝土坍落度18～22cm的時(shí)間； v——混凝土的澆筑速度（kN/m2）

②混凝土側(cè)壓力對(duì)橫向槽鋼[12.6水平受力強(qiáng)度驗(yàn)算（計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6）

q=Pb=65×1.049=68.185kN/m

按四等跨連續(xù)梁計(jì)算最大彎矩，查得

“結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算表”系數(shù)KB==-0.107

查鋼結(jié)構(gòu)普通槽鋼[12.6截面抵抗矩Wx=6210cm，計(jì)算槽鋼抗彎強(qiáng)度：

式中：y為截面塑性發(fā)展系數(shù)

③撓度驗(yàn)算。

④螺桿受拉力計(jì)算與選用：

根據(jù)鋼模側(cè)壓力的分布狀況計(jì)得：

即：

從有關(guān)資料中查得螺桿有效直徑需dc=25mm才能滿足，但考慮到螺桿周轉(zhuǎn)次數(shù)較多，長(zhǎng)時(shí)間受海水侵蝕，實(shí)際施工中采用了？準(zhǔn)30的螺桿。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果加工制作的箱型鋼模分片運(yùn)至施工道路平臺(tái)拼裝，箱體總重量約6.5～7噸左右，由35～50噸起重機(jī)吊起，測(cè)量放線定位吊入基槽，就位校核無(wú)誤，再吊導(dǎo)管操作架。操作架為井型鋼架，架體采用Φ50鋼管制成，在一定高度設(shè)操作平臺(tái)。

3.4 水下混凝土墻施工

該工程水下混凝土擋墻澆筑采用導(dǎo)管法。使用C35普通混凝土，塌落度采用180～220mm，根據(jù)水下箱體面積，導(dǎo)管作用半徑為3m，選用Φ250mm導(dǎo)管一根即可，上管口設(shè)杯型漏斗一個(gè)，形狀為倒杯型，直徑為1.0m、高度為1.2m，漏斗容量須保證導(dǎo)管下口初始澆筑時(shí)水不向管內(nèi)倒灌及澆筑過(guò)程中管內(nèi)混凝土易從管內(nèi)流出為目的進(jìn)行制作。依經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一般澆筑水深在4.5m左右的箱體水下混凝土?xí)r，管口初始埋入混凝土深約為80～120cm，混凝土向下管口外擴(kuò)展范圍達(dá)到0.8m～1.2m，漏斗與管內(nèi)剩余混凝土量和連續(xù)澆灌的施工方法是能阻止下管口海水倒灌現(xiàn)象。但在準(zhǔn)備工作和操作過(guò)程必須滿足連續(xù)澆灌的要求。對(duì)于泵送混凝土在本工程施工實(shí)踐中還未碰到意外情況，按上述做法澆筑較為順利。

導(dǎo)管長(zhǎng)度及導(dǎo)向架制定：

高潮位時(shí)水面至基槽底水深4.5m，導(dǎo)管分節(jié)采用法蘭盤膠墊接法。根據(jù)導(dǎo)管至水底最小超壓力P可從有關(guān)資料查得，P=0.1，導(dǎo)管需要出水面高度按下式計(jì)算：

hi=40P-0.6h

H2=40P-0.6h2=40×0.1-0.6×4.5（水深）=2.7m

即導(dǎo)管總長(zhǎng)度為H=h1+h2=7.2m。按法蘭盤接法加工成5節(jié)，水下節(jié)為2.8m，其余按0.8～1.2m長(zhǎng)度加工。

導(dǎo)管操作架高3.8m，澆混凝土前導(dǎo)管可與操作架一起吊入箱體鋼模頂于中心處，置于槽鋼對(duì)拉螺桿上。

混凝土澆筑采用泵送，泵車位于岸上，從岸頂直接泵入導(dǎo)管杯口，導(dǎo)管提升或下插，采用3.5～5噸手拉葫蘆，隨混凝土澆筑高度逐步提高拆除管節(jié)，不間歇的澆筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

根據(jù)設(shè)計(jì)與施工工藝要求，水下混凝土擋墻應(yīng)以結(jié)構(gòu)縫的型式進(jìn)行劃分，結(jié)構(gòu)變形縫6m一段，采用間隔施工法。

按基槽延長(zhǎng)線，每澆兩段間隔一段，兩間隔段澆筑完成，拆模后補(bǔ)夾模澆中間空隔段，如圖7所示。

水下混凝土擋墻澆筑完成后，當(dāng)施工上部擋墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先填筑墻后塊石混凝土。上部擋墻混凝土澆筑，仍采用整體組合鋼模，但模板安裝完畢，最好在低潮時(shí)澆筑，確保上部混凝土與水下混凝土形成整體。

4 施工技術(shù)措施

本工程由于處在大鵬灣海域，屬跨年度的施工項(xiàng)目，該區(qū)域季節(jié)性氣候變化較大，臺(tái)風(fēng)、波浪、海潮的影響是海堤施工的不利因素，特別是水下混凝土擋墻基礎(chǔ)開挖、平整、鋼模板吊運(yùn)安裝，水下混凝土澆筑是本工程主要環(huán)節(jié)。為避免上述情況對(duì)工程較大的影響和破壞，在施工過(guò)程采取了以下技術(shù)措施：

①基礎(chǔ)開挖、平整，按分層分段方法施工，以完成一段施工一段的方法逐步推進(jìn)，臺(tái)風(fēng)季節(jié)期間應(yīng)避免大面積的長(zhǎng)線開挖的施工做法。對(duì)已完成的基礎(chǔ)應(yīng)在臺(tái)風(fēng)到來(lái)之前將水下混凝土澆筑成型。

②模板鋼箱和吊運(yùn)安裝選在低潮時(shí)進(jìn)行，高潮時(shí)澆筑混凝土，盡量推算至最低潮位時(shí)混凝土能露出水面20～30cm，并進(jìn)行修整。

③當(dāng)遇海面較大風(fēng)浪或有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)到來(lái)之前，應(yīng)盡快組織力量對(duì)已施工的段落設(shè)法施工成整體。并在周圍用現(xiàn)成塊石進(jìn)行壓坡保護(hù)。

④為保證水下混凝土澆筑不被一般浪潮沖擊，混凝土澆筑之前可在施工道路面上加堆塊石高度，塊石從完成段的路基上取用，這樣能起到阻擋一般風(fēng)浪和海潮沖刷。

⑤對(duì)于海上工程水下混凝土，一般澆筑完成可在24～30h拆模，但在本時(shí)間內(nèi)為避免混凝土表面不被浪潮沖刷，導(dǎo)管架吊離后箱頂可用其他周轉(zhuǎn)鋼模進(jìn)行臨時(shí)覆蓋，既能起到鎮(zhèn)壓箱體穩(wěn)定又能阻擋潮流沖擊作用。

5 有關(guān)問(wèn)題的處理

①該工程水下混凝土擋墻澆筑是采用無(wú)底箱型鋼模，施工過(guò)程隨著混凝土澆筑高度上升，基床與模板周邊壓力隨之增大，流動(dòng)性較強(qiáng)的混凝土因模板周邊碎石松動(dòng)或存有縫隙而跑漿。我們對(duì)出現(xiàn)這種情況，一般在混凝土澆筑前應(yīng)對(duì)模板周邊進(jìn)行檢查，最好辦法由潛水員對(duì)邊腳內(nèi)側(cè)鋪筑一層厚5～10cm瓜米石將縫隙填平，使周邊模板腳有12～15cm埋于碎石以下，可阻止混凝土漿外流。

②在水下混凝土澆筑過(guò)程，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)因模板內(nèi)側(cè)力和混凝土澆筑上升的側(cè)反力致鋼模整體上浮走動(dòng)。在解決此問(wèn)題時(shí)，我們采取了兩種辦法：一種在鋼模頂進(jìn)行均勻的加載施壓；另一種即在模板外圍采用填一定量塊石鎮(zhèn)壓模板邊腳的方法處理，拆除模前清理為護(hù)腳塊石。

③為了降低水下混凝土擋墻造價(jià)，我們建議較大體積的無(wú)筋水下混凝土構(gòu)筑物，當(dāng)混凝土澆筑達(dá)到1.2m高度時(shí)，可采用導(dǎo)向溜槽方法，適當(dāng)摻入15～20%塊石。由于水下混凝土流動(dòng)性較強(qiáng)，塊石比重大于水下混凝土比重，這樣隨著混凝土的澆筑高度，所摻入塊石會(huì)被混凝土覆蓋，不但不會(huì)破壞水下混凝土澆筑質(zhì)量，還能增加水下混凝土的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于重力式海堤護(hù)岸擋墻，采用水下混凝土澆筑結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，這種結(jié)構(gòu)形式的案例較為少見，但我們?cè)谠摴こ讨?，進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。

該重力式海堤工程建成后防風(fēng)浪結(jié)構(gòu)穩(wěn)固堅(jiān)實(shí)，岸線景觀優(yōu)美，具有施工快，工期短，造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。該工程竣工后于2014年12月被評(píng)為優(yōu)質(zhì)工程。

從該工程的設(shè)計(jì)與施工結(jié)果看：對(duì)于一般近岸海況較復(fù)雜，岸坡狹小，海域施工條件受限制情況下，采用岸坡挖基槽澆水下混凝土擋墻結(jié)構(gòu)的方法設(shè)計(jì)施工較為合理。

通過(guò)圍堰填海方式與本工程方案對(duì)比，工程造價(jià)節(jié)約18%，施工時(shí)間縮短12%，重要是避免了對(duì)施工海堤海域的填筑破壞，保持原有海上景觀。

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