典型海堤結構穩定安全性分析
文章主要以本人近幾年施工的勝利油田孤東海堤為例，運用各種公式分析器結構穩定安全性，并提出海堤工程的各種應對措施，為提高油田和沿海城市居民的安全性保駕護航。
標簽： 典型海堤結構;穩定;安全;分析
一、前言
孤東海堤位于東營市河口區東部的渤海淺海區域，黃河入海口以北約15km處，始建于1987年，全長約16.7km。近年，隨著經濟的迅速發展，生態環境也隨之被逐漸破壞，再加上各種惡劣的氣候災難不斷地侵蝕，使得大堤局部嚴重損壞，為保證油區的安全與正常生產，需要對這些損壞部位進行及時分析、處理。在中國的沿海城市，也同樣面臨著類似的問題，城市的不斷發展，空間范圍便不斷地向海陸邊界發展，這些都是使得風暴等自然災害日趨嚴重。建設能夠達到抵御高標準自然災害，并在超標準情況下也不會被大規模毀壞而造成人員和財產的損失是當前和今后一段時間沿海地區的重要任務。
二、典型海堤結構穩定安全性分析
2.1塊體穩定性復核
塊體穩定性復核主要研究本工程海堤下坡翼形塊體穩定性，根據《海堤工程設計規范》（SL435—2008）J.0.6塊體、塊石單重，同《防波堤設計與施工規范》（JTJ298—98）4.2.18條人工塊體穩定重量計算：
式中：Q是指主要護面層的護面塊體、塊石個體質量（t）。當護面由兩層塊石組成，則塊石質量可在0.75Q～1.25Q范圍內，但應有50%以上的塊石質量大于Q;
rb是指人工塊體或塊石的重度（kN/m3）;
r是指水的重度（kN/m3）;
H是指設計波高（m），當平均波高與水深的比值小于0.3時，宜采用H5%，當比值大于0.3時，宜采用取H13%;
KD是指穩定系數;
t是指塊體或塊石護面層厚度（m）;
m是指斜坡坡率。
計算結果見表1，由計算結果可知，表中安全系數大于1的為安全，安全系數小于1為失穩。由計算結果可以看出，本工程在設計臺風和強臺風作用下，現狀塊體單重滿足穩定條件，在超強臺風條件下，塊體單重不滿足穩定條件。
表1 不同條件下翼形塊體穩定性
計算工況 堤前水深（m） 平均波高（m） 平均周期（s） 復核結果
現狀單重/計算單重 安全性
設防標準臺風 工況1 7.47 2.48 6.90 1.87 安全
強臺風 工況2 8.99 2.72 6.75 1.13 安全
超強臺風 工況3 11.30 3.85 7.82 0.73 失穩
2.2柵欄板穩定性復核
本工程外側護坡上坡為柵欄板，柵欄板厚度主要根據《海堤工程設計規范》（SL435—2008）J.0.5柵欄板護坡厚度計算，柵欄板的厚度（m）可按下式確定：
式中：r是指水的重度;
rb是指材料重度;
d是指堤前水深（m）;
m是指斜坡坡度;
H是指計算波高，穩定厚度計算中取H13%;
計算結果見表2，由計算結果可知，表中安全系數大于1的為安全，安全系數小于1為厚度不滿足。由計算結果可以看出，本工程在各計算工況下，現狀柵欄板厚度均滿足穩定條件，但是在超強臺風條件下，柵欄板厚度安全富余不多，接近臨界值。
表2 不同條件下柵欄板厚度復核計算
計算工況 堤前水深（m） 平均波高（m） 平均周期（s） 計算厚度（m） 復核結果
現狀厚度/計算厚度 安全性
設防標準臺風 工況1 7.47 2.48 6.90 7.47 1.38 安全
強臺風 工況2 8.99 2.72 6.75 8.99 1.19 安全
超強臺風 工況3 11.30 3.85 7.82 11.30 1.03 安全
2.3防浪墻穩定性復核
本工程防浪墻為深弧防浪墻，墻體高度在2.sm左右。防浪墻抗滑和抗傾計算根據《海堤工程設計規范》（SL435—2008）有關規定計算。防洪墻的抗滑穩定安全系數計算公式：
式中：KC是指抗滑穩定安全系數;
ΣW是指作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN;
ΣP是指作用于墻體上的全部水平力的總和，kN;
F是指底板與堤基之間的摩擦系數;
防洪墻的抗傾穩定安全系數計算公式：
式中：K0—是指抗劃穩定安全系數;
ΣMV是指抗傾覆力矩，kN·m;
ΣMH是指傾覆力矩，kN·m。
抗滑、抗傾計算結果及抗滑、抗傾允許計算結果見表3：
表3 防浪墻抗滑、抗傾穩定復核計算
計算工況 抗滑復核 抗傾復核
計算結果 允許系數 復核結果 計算結果 允許系數 復核結果
設防標準
臺風 1.77 1.35 安全 1.93 1.60 安全
強臺風 1.33 1.05 安全 1.62 1.40 安全
超強臺風 1.21 1.05 安全 1.09 1.40 安全
2.4越浪量計算綜合分析
由于越浪量不僅與坡面糙率，波陡，靜水超高有關，還與來波性質，外坡坡度，平臺寬度和高程，防浪墻位置和形式等有關，國內外公式在經過不斷修正過程中，對各因素的考慮必然存在一些差異。而物理模型的模擬也因難以克服比尺效應的影響而存在一定的誤差。國內各類越浪量公式的計算只要適用于單坡海堤，故本節主要引用了最新的歐洲公式，來對各工況進行綜合評價。表4 各類方法計算結果綜合表
方案 歐洲公式
設計標準臺風 工況1 0.001
強臺風 工況2-A 0.03
超強臺風 工況3-A 0.202
由于海堤內側為生長良好的草皮護坡和砌石護面，根據國內外海堤規范之相關規定，確保
海堤安全的允許越浪量可控制在0.02～0.05m3/s.m之間。由上述計算可以看出，只有在設計標準臺風下，海堤越浪量滿足條件。在強臺風條件下，和超強臺風條件下，均不滿足。
三、工程應對措施
某地區目前海堤情況基本符合設防標準，可以抵抗兩百年一遇的高潮位以及12級風浪。就現在全球氣候的變化情況以及本地區所處的地理位置，該地區發生超強臺風都是可能的。在設計標準下，該地區新海堤的防御能力符合標準，但如果遭遇強臺風或超強臺風，該地區海堤安全應對能力依然不充分，主要表現在堤頂越浪量過大，有決堤可能，且堤頂防浪墻穩定性不夠，有失穩可能。另外該地區相鄰的周邊沿海地區有許多產業開發區，巨大的經濟規模和社會影響，決定了該地區防風暴潮安全具有極其重大的意義，有必要采取適當的應對措施進行防災減災，把風險控制在合理的范圍內。控制措施如下：
3.1加強監測，保證海堤始終處于完好工況
加強行政管理，落實監測制度，及時掌握灘勢和沉降位移等變化，同時通過人工巡查和勘探等措施，及時發現堤身空洞等不安全隱患，針對發現的問題及時修繕加固，使海堤處于完好的擋潮工況。特別要注意灘勢沖刷岸段，穿堤建筑物等容易忽略點。
3.2完善制度，保證出現的問題能夠得到及時合理的處理
管理手段科學，才能有效發揮作用，才能使得現有設施發揮基本功能，防潮減災功能才能顯示出來。這些制度有日常的臺風期巡查、水下地形測量分析、海堤及保護帶使用與維護、各種危險工況的應急預案。
3.3根據要求，發揮碼頭抵擋風浪功能
結合防汛保護要求規劃布置岸線碼頭，發揮碼頭擋風消浪的保護作用，同時減小航道泊位浚深對大堤的不利之害。從本文研究來看，超標準臺風作用下，控制好堤頂防浪墻的穩定和越浪量，便可以大大地提高臨港地區風暴潮防御能力。
3.4加強護坡結構的保護
根據保灘和年修，加強護坡結構的保護，逐步提高海堤防潮能力，并且大堤草皮內坡越浪易損，所以適當強化越浪防沖能力，實現小越浪、越浪不跨堤的安全目標。
3.5設置區域性包圍和分隔
根據市政道路布局、地形地貌條件和土地利用情況，有意識設置區域性包圍和分隔，發生極端災害情況下，越堤和決口水流能被限制或阻滯在有限的范圍內，以控制災損。一旦大堤決口，淹沒范圍高達兩百多平方公里，因此，利用老海塘、高等級主干道等，有意識地設置一定范圍的阻擋和分隔，可以很好地控制災害帶來的危害。
3.6該地區海堤的相關改進
（1）通過保灘養灘，增加堤前灘地高程，減小風浪作用，整體上提高穩定。
（2）結合歲修逐步加拋更重的塊體，對連接部位和上部塊體增加限位結構措施等;
（3）采用增加墻體厚度或外側上坡增加消浪結構以減輕波浪浮托力的方式增加其抗傾能力;
（4）采用在內側護坡增加砌石護面的比重，適當減小草皮護面;在護坡增加導流渠道;以及在堤頂道路內側增設擋水矮墻等措施，減輕越浪水流對內坡的淘刷。
