穿堤孔口堤頂結(jié)構(gòu)設計

考慮越浪的強度要求，堤頂護面的強度要求同臨海面。堤頂一般兼作防汛公路，故護面一般采用混凝土結(jié)構(gòu)。堤頂設置防浪墻，既可節(jié)省海堤堤身工程量，減輕堤基荷載，也可防止或減少波浪越頂。當?shù)添斉R海側(cè)設有防浪墻、且防浪墻穩(wěn)定、堅固時，堤頂高程可算至防浪墻頂面。常用的防浪墻材料有漿砌石、灌砌石和鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)。從強度要求和保護對象重要性角度考慮，本工程設計采用鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程取為上節(jié)確定的9.0m高程。

防浪墻迎海側(cè)設計采用反弧形，以減小波浪反射，使沖擊水流回轉(zhuǎn)，從而消減浪壓力，減少越堤水量。規(guī)定一級海堤不包括防浪墻的堤頂寬度應大于5m。結(jié)合運用管理情況，本次設計堤頂為現(xiàn)澆混凝土路面，寬6m（不含防浪墻寬度），路面高程低于墻頂1.2m。為利于排水，路頂面設計1%坡比傾向背海側(cè)。路面中心設置縮縫，采取誘導切割方式在路面中心切割一條假縫，當面板收縮時，將沿此最薄弱斷面有規(guī)則地自行斷裂。

越浪海堤的斷面設計除了解決越浪量和堤頂高程的問題，還包括堤身、堤坡護面結(jié)構(gòu)、堤頂結(jié)構(gòu)及堤基處理等方面的問題。

穿堤孔口堤身設計

充砂袋適用于地基承載力較低的中、高灘部位，具有滲透性好，易于排水固結(jié)等優(yōu)點，目前已廣泛應用于各種圍埝和護岸結(jié)構(gòu)中，近年在天津地區(qū)得到普遍應用。為適應軟基上筑堤的特點，本工程堤身采用水力充填砂袋填筑。設計每層砂袋高0.5m，層間布置袋裝碎石平整坡面。為保護沖砂管袋以及減少袋內(nèi)充填物跑漏，在現(xiàn)狀半圓體結(jié)構(gòu)背海側(cè)設置拋石棱體，棱體后設置混合倒濾層，并在充填管袋與其接觸結(jié)構(gòu)適當加大墊層保護措施。[1]

穿堤孔口臨海側(cè)設計

臨海側(cè)直接經(jīng)受波浪作用，護面結(jié)構(gòu)主要從穩(wěn)定性、抗沖刷能力、消浪效果等角度綜合考慮。該部分結(jié)構(gòu)上部應能夠承受波浪的打擊、上吸；下部應能承受波浪的反復掏刷。因此要求護面結(jié)構(gòu)強度要高，穩(wěn)定性要滿足要求，護面底要做好反濾。同時護腳要有足夠的支承力，要能防止底腳被淘刷，或發(fā)生淘刷時，仍有足夠的能力支承護面結(jié)構(gòu)。

目前海堤常用的護面塊體有柵欄板、四腳空心方塊、四腳錐體、扭王字塊、扭工字塊等。柵欄板和四腳空心方塊常用于常潮位以上的護面，但四腳空心方塊不宜用于設計波高大于4m時，本工程所在位置堤前水深大，波浪較強，設計波高超過4m，故而消浪平臺及其上部斜坡段采用柵欄板護面，下設干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層。消浪平臺與半圓體結(jié)構(gòu)水平銜接，為滿足半圓體穩(wěn)定和防沖要求，臨海側(cè)半圓體前增設拋石棱體護腳。[1]

穿堤孔口背海側(cè)設計

越過防浪墻的波浪將直接與堤頂或后坡碰撞，流速衰減迅速，故背海側(cè)堤坡的防護原則上以能承受垂直于坡面的沖擊力為主，無波浪的回流水流的拖拽力，因此護面設置主要考慮透水、消能并保證良好的反濾墊層。背海側(cè)堤肩采用混凝土結(jié)構(gòu)以防越浪沖擊。考慮岸坡穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)施工要求，本工程背海側(cè)堤坡設計采用兩級平臺，上級平臺高程與臨海側(cè)消浪平臺齊平，其上部護坡采用柵欄板，下設干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層；上下兩級平臺之間的護坡以及上級平臺采用灌砌石護面，下級平臺采用干砌塊石護面；護坡下堤腳處設拋石棱體護腳。

目前，海堤的設計主要分為不允許越浪和允許部分越浪兩大類。天津沿海地區(qū)軟基分布較廣泛，在軟基上新建海堤排水固結(jié)周期長，沉降量大，故海堤的填筑速度和建設高度受到限制。按不允許越浪設計，對堤頂高程和斷面尺寸的要求較高，可能造成軟土地基的承載力不足，不僅會極大的增加軟土地基的處理費用，加大工程投資，還會增加施工難度，延長建設周期，很不經(jīng)濟合理。按允許部分越浪設計在控制越浪浪滿足要求的前提下，可以有效降低堤身高度，優(yōu)勢比較明顯。

海堤位于軟土地基上，堤頂高程過高會增加潰堤的風險?？紤]本次設計堤頂及堤坡均有防護，同時背海側(cè)結(jié)合整體規(guī)劃要求可以修建景觀河道以容納越浪水量，因此本次海堤工程按照允許部分越浪進行設計。根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定及公式，按照帶平臺的復合式斜坡堤，采取按允許部分越浪的波浪要素進行計算，設計堤頂高程取值8.50m。

規(guī)范中海堤允許越浪量的計算方法是建立在簡單單坡和陡墻模型試驗的基礎(chǔ)上，計算方法和計算公式比較單一且精度有限，難于適應復雜斷面結(jié)構(gòu)型式海堤的越浪量計算。海堤結(jié)構(gòu)斷面和波浪作用條件較復雜，波浪爬高和越浪量計算與現(xiàn)有經(jīng)驗公式的適用條件不完全一致，為了驗證海堤越浪量、確定堤頂高程和對海堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，本次設計海堤斷面結(jié)構(gòu)進行了物理模型試驗。參照試驗結(jié)論，從安全和經(jīng)濟的角度考慮，最終確定本次海堤設計堤頂高程為9.0m。

根據(jù)斷面外形特點，海堤結(jié)構(gòu)型式大體上分為三種基本形式，即斜坡式、陡墻式和混合式?；旌鲜胶５绦褪綌嗝娼M合得當，可兼有前兩者的優(yōu)點，適用于地質(zhì)條件較差、水深大、受風浪影響較大的堤段。

地質(zhì)為軟土特性、風浪及水深較大，兼顧考慮已建半圓體防波堤情況，采用混合式斷面形式是比較合適的。設計采用帶平臺的復式斷面，消浪平臺的設置可減少波浪飛濺，平臺上的紊動波流能消耗大部分波浪能量，有效地減少波浪爬高，同時也有利于提高堤身斷面的穩(wěn)定性。根據(jù)南港工業(yè)區(qū)東邊界現(xiàn)已建成的半圓體結(jié)構(gòu)防波堤位置，從消浪效果、工程投資及占地等角度考慮，東邊界永久達標防潮海堤設計與半圓體防波堤整體結(jié)合布置，半圓體與設計消浪平臺相銜接。該方案堤頂高程較低，投資最小，地基處理難度低，占用可利用土地少，施工條件相對較好。

防止海水在潮汐的作用下入侵，影響人們的聲明財產(chǎn)安全。

對海堤軟土地基的常用處理措施，淺埋的薄層軟土宜挖除；當軟土厚度較大難以挖除或挖除不經(jīng)濟時，可采用墊層法、加筋土工織物鋪墊法、放緩邊坡或反壓法、排水井法、拋石擠淤法、水泥土攪拌樁法等。本工程為海底軟土上新筑堤，淤泥厚度比較大，不適合挖除。而水泥攪拌樁和拋石擠淤的投資都比較大，且水泥攪拌樁的強度上升比較緩慢，均不宜采用。

塑料排水板結(jié)合砂墊層排水，堆載預壓的方法，是由豎向排水與水平排水相結(jié)合形成完整的排水系統(tǒng)對地基進行固結(jié)加固。該方法工程造價低，排水效果明顯，地基強度增長明顯，是一種成熟、可靠的方法，在水上和陸上施工都非常方便，已在天津地區(qū)廣泛使用。采用塑料排水板地基礎(chǔ)處理后，主體部分的堤基沉降量可完成80%左右，可保證竣工后的安全運用，減少維修。根據(jù)防潮海堤工程級別、堤高、地質(zhì)條件、施工條件、工程使用和滲流控制等要求，本次工程堤基處理設計采用插塑料排水板加砂墊層后堆載預壓的方法。

設計排水板正方形布置，橫縱排間距為1.0m?？紤]到半圓體防波堤的整體穩(wěn)定性，不宜在其背海側(cè)地基處采用挖泥換砂措施，故在原泥面上鋪設1m厚粗砂墊層，砂墊層不僅做為水平排水系統(tǒng)，同時能提高地基承載力。上部堤身分級填筑，對地基進行堆載預壓處理。 2100433B

根據(jù)d/H（d為孔口直徑，H為孔口形心以上的水頭高）的比值大小將薄壁孔口分為大孔口與小孔口。

若d<=H/10,稱為小孔口，可認為孔口斷面上各點的水頭相等；

若d>=H/10,稱為大孔口，孔口斷面上不同高度點的水頭不相等。

當孔口高度e與孔口水頭H（上游水面至孔口中心的高度）之比時為小孔口；當時為大孔口（圖1）。當孔壁厚度不影響孔口出流時為薄壁孔口；反之為厚壁孔口。水利工程中常見的閘門下泄流稱為閘孔出流（圖2）。

為保證閘孔出流，e/H必須小于或等于0.65,否則閘門下緣脫離水面而成為堰流。當下游水位不影響泄流量時為自由出流(圖1a、圖2a);反之為淹沒出流（圖1b、圖2b）。胸墻擋水時的堰頂溢流和壩體短孔泄流等亦屬孔流。孔口自由出流的流量為：

式中A為孔口面積；g為重力加速度;為孔口總水頭，其中H為孔口水頭，v0為孔口上游行近流速，α為動能校正系數(shù)(見水流能量方程);┢=εφ為孔口流量系數(shù),其中ε=Ao/A為孔口收縮系數(shù)(Ao為孔口收縮斷面C-C的面積)，φ為孔口流速系數(shù),與孔口對水流的阻力有關(guān)。對于薄壁圓形小孔口，ε=0.63～0.64，φ=0.97～0.98，μ=0.60～0.62。

當下游水位觸及孔口底緣時，流態(tài)即有改變，下游水位高于孔口上緣時為孔口淹沒出流(圖1b)?？卓谘蜎]出流的流量為：

式中z為孔口上下游水位差；μs為孔口淹沒出流流量系數(shù)。 　閘孔自由出流的流量為：

式中B為閘孔寬度；e為閘孔高度；為閘孔總水頭,H為閘孔水頭(上游水面至閘底板的高度);μ=ε′φ為閘孔流量系數(shù)；h0=ε′e為閘孔收縮斷面C-C的水深。其中為閘孔垂向收縮系數(shù),與有關(guān)；φ為閘孔流速系數(shù)，與閘孔形式有關(guān)。對于寬頂堰（見堰流）上平面閘門下的閘孔：當=0～0.65時，ε′=0.611～0.673，φ=0.85～1.0。

當閘孔下游水深 t大于收縮斷面水深ho的躍后水深hc2（見水躍）時為閘孔淹沒出流。其流量為：

Qs=σQ

式中Q為H及e值相同時的閘孔自由出流流量；σ為考下游水位影響的閘孔淹沒系數(shù)，與(t-hc2)/(H-hc2)有關(guān)。

孔口捕塵（dustal laying at hole collar）在原鑿巖機設備基礎(chǔ)上，利用密封罩或塞將鉆孔口密封，再用壓氣引射器、導塵管及凈化設備將鉆孔內(nèi)礦塵吸出并凈化。

這種方式不需專用干式捕塵鑿巖機，但孔口密閉不易嚴密而影響效果。只在缺水礦井、嚴寒的露天礦及粘土礦等特殊情況下用。 2100433B