利用强制确定法对某复杂护岸工程的统筹设计
时间：2023-02-17 21:15:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘 速
（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）
护岸是指在海岸、河岸和湖泊水库岸边，为了保护岸上设备、建筑物、农田等而修建的防护工 程[1]，其建设往往是伴随港口项目、水利项目建设而进行。工程建设规模常不大，可对整个项目的运用安全至关重要，运营期一般要进行经常性的加固修复，确保其功能发挥。由于护岸建设常因地质、波浪等条件不同，结构型式常多样，给选择加固修复方案带来困难。
本文以某油品码头项目的护岸加固修复工程为实例，针对该工程的特点、难点，开展相关技术方案研究，提出了较好的解决方案，可为类似工程提供借鉴。
某油品码头项目建设1 个10 万t 级（兼靠12万t 级）卸船泊位，5 千t 级和2 千t 级装船泊位各2 个，油品储罐总容量42 万m3，以及相应配套设施，设计年吞吐能力为735 万t。其中，为保护岸上成品油有关的设备、建筑物的安全，需对现有护岸进行加固修复，以提高防护等级。现有护岸总长为627 m，主要分为东段、中段、西段三段。
东段护岸以抛理块石的坡式护岸，坡度较陡，见图1。
图1 东段护岸现状照片
中段护岸为临时板桩结构，近岸侧为一排Φ820 mm 钢管桩，Φ820 mm 钢管桩的外侧（海侧）设有一排Φ1 000 mm 间隔钢管桩（桩尖进入持力层），并设有锚锭梁和钢拉带；
已使用3 年，变形较大，钢桩腐蚀较严重，见图2。
图2 中段护岸现状照片
西段护岸为简易抛石坡式护岸，坡度较平，与东护岸相比距离建设的码头较远，见图3。
图3 西段护岸现状照片
本工程具有以下的特点、难点：
1）地质条件复杂
根据本工程地质报告，本工程护岸内侧场地平均回填深度在10 m 左右，回填材料基本为块石，护岸前沿为淤泥质粘土，厚度不小于7 m，护岸基础范围内各土层土质差异大，均匀性差。
2）建设条件差
根据水文资料，本工程设计高水位面临的波浪高达3.65 m，对护岸结构的安全稳定提出较高的要求，同时，由于本护岸面临大海，施工需要充分考虑海上施工作业条件。
3）加固修复技术难度大
从工程的东段、中段、西段三段的现有护岸结构型式看，结构护岸型式多样，损坏程度不一。东段坡度较陡，现有护面简易；
中段采用板桩结构，变形大，钢结构锈蚀严重；
西段基本为自然放坡型式。不同的结构型式进行加固修复，若要达到既经济又安全、耐用，加固修复技术难度还是比较大的。
2.1 方案比选
根据本工程护岸的特点、难点，护岸加固修复方案必须遵守的原则：一是要适应于不同水文、地质条件；
二是尽量采用统一的修复方案，方便施工、节约投资；
三是修复质量要安全、可靠、耐用。为此，本修复加固方案考虑以下3 种方案。
1）方案一
尽量利用原护岸结构，东、西段护岸仍采用抛石斜坡式护岸方案，中段仍采用板桩护岸。本加固修复方案具有利用现状、因地制宜的特点，充分利用了现有东西护岸结构基础，中段现有板桩护岸经探摸评估，修复后仍具可使用的价值，节约了工程投资，缺点是结构较多样，板桩结构需要定期检测和维护。
2）方案二
不考虑中段现状护岸的利用，东、中、西三段护岸均采用抛石斜坡护岸方案。本加固修复方案结构单一，施工便捷，经济性一般，缺点需拆除板桩结构，造成浪费，工期相对较长。
3）方案三
考虑到该工程面临大海，风浪条件较差，西段淤泥层厚度达22 m。为加快工期，西段护岸备选采用爆破挤淤方案，在现有护岸外实施。本加固修复方案相当于新建西段护岸，整体稳定性好，施工工艺较单一、便捷，缺点是不仅要占用新海域，造成一定的环境污染，而且工程投资也大。
从三个方案来看，每种方案均有自身的优点和缺点，为确定合理、可行的方案，还需进一步的比选。目前的工程设计中，比选方法主要是将各方案定性分析后进行主观判断，当选择因素较多时，因个人的经验、知识及偏好等的差异，可能导致方案的不一致或不合理。为减少专家的主观性，有学者提出采用层次分析法[2-3]、综合集成赋权法[4]、模糊分析法[5-6]来进行方案的比选。张逸帆等撰文采用灰色系统论证来选择航道改建工程中的护岸结构型式。[7]本工程涉及的方案类型不多，我们采用价值工程中简便易行的强制确定法（也称FD 法）来进行方案比选。强制确定法是在选择对象中，通过计算功能重要性系数和成本系数，然后求出两个系数之比，即价值系数。根据价值系数大小判断对象的价值，价值高的选做活动的对象。[8]
方案一、二、三从使用年限上我们根据以往经验估算在0.8:1:1.5，我们将其为所建工程发挥作用的时长比例作为功能性重要系数，即分别为：0.24[=0.8/(0.8+1+1.5)，下同]、0.3、0.45。三个方案工程投资比为1:1.5:2.2，所以其成本系数分别为：0.22[=1/(1+1.5+2)，下同]、0.3、0.47。
表1 工程方案比选一览表
据此，方案一价值系数最高，且工期最短，推荐采用此方案，即护岸东、西两段均采用抛石斜坡式护岸，中段利用现有板桩结构进行加固。
2.2 加固修复方案
1）东、西段护岸
抛石斜坡式护岸护面采用扭王字块体，安放一层，单体重量4 t。坡度为1:2；
压载坡底设抛石棱体，棱体采用600～800 kg 块石。西段淤泥层比东段更厚，泥面更高，因此西段护岸肩台、抛石棱体、护底整体抬高1 m，且西段抛石挤淤所需的石方量比东段将更多。
图4 东段护岸设计断面
图5 西段护岸设计断面
2）中段护岸
利用现有直立式板桩作为挡浪结构，为提高现有板桩安全度，在护岸前设压脚平台，平台高程为5.0 m。护面采用扭王字块体，安放一层，单体重量4 t。顶面坡度为1:2；
压载坡底采用600～800 kg 块石设抛石棱体。
图6 中段护岸设计断面
同时，对板桩结构的钢管桩、钢拉带等进行修复。其中，对高程0.53 m（设计低水位）以上至盖梁以下范围内的Φ1 000 mm 钢管桩进行St3 级除锈，并涂刷ZINGA（锌加）防腐涂料，涂层厚度300 μm。
将钢拉带分为四类：A 钢拉带完好；
B 钢拉带损坏；
C 钢筋代替钢拉带；
D 无钢拉带的。总体原则是除钢拉带完好的外，损坏的均进行修复，没有的需增设，具体的措施如下：
①对B 类钢拉带损坏的（每侧锈蚀厚度大于 2 mm 的），按原样进行修复。
②对C、D 类钢筋代替钢拉带和无钢拉带的，按原有钢拉带型式增设，新增钢拉带可穿在两钢管桩之间，外侧用型钢焊在钢管桩上，锚锭梁根据现场情况另定。
③对钢管桩的锚固构件如有损坏，需按原样修复。现状未埋设好的钢拉带暴露在空气中，锈蚀严重的钢拉带除本身修复外，还要将钢拉带埋于回填料中，使其不受气候影响；
凡是埋设不好的钢拉带，在钢管桩岸侧挖至钢拉带无明显锈蚀处，挖深至钢拉带下1 m，底部铺袋装混凝土，钢管桩岸侧也采用袋装混凝土封闭，再回填山泥或砂，使得钢拉带周围的空气和大气隔断，顶部再干砌块石厚0.6 m。钢拉带防腐措施同板桩护岸钢管桩的处理。
由于工程所在地为浙江海域，因此根据《浙江省海塘工程技术规定》，确定护岸的工程等级为Ⅲ级，潮位和波浪的设计重现期为50 年一遇，堤顶不允许越浪。[9]高程以小洋山理论最低潮面为零点。
3.1 防浪墙顶高程
式中：Hp=5.71 m；
RF%按不允许越浪F＝2；
ΔH=0.7 m。
式中：K△＝0.45；
KV＝1.235；
Ro＝1.7；
H1%= 3.87 m；
KF＝0.94。
经计算，防浪墙顶高程Zp取9.85 m。
3.2 坡顶高程
当胸墙前的护面为块石、规则摆放单层四角空心方块或栅栏板时，其坡顶高程宜定在设计高水位以上不小于0.6 倍设计波高值处[10]，即：
式中：h设高=4.51 m；
H设高=3.65 m。
经计算，Z坡＝6.7 m。
如果按计算取值，该高程由1:2 的坡度到高程5.0 m，斜坡段长度为3.8 m，能摆放高度为1.84 m的4 t 扭王字块2 排，消浪效果有限。
为提高消浪效果，将坡顶高程提高取整至8 m时，斜坡段长度为6.7 m，可以摆放3 排4 t 扭王字块。此时，块石垫层底高程为：坡顶高程8 m-扭王字块厚度1.64 m-块石垫层厚度1.3 m=5.06 m＜防浪墙底高程6 m，这样块石垫层位于防浪墙底面之下，会因为垫层块石缝隙大导致波浪掏空防浪墙基脚，引起防浪墙失稳。
故将坡顶高程提高取整至9 m，此时斜坡段长度为8.9 m，能摆放4 t 扭王字块4 排。该高程相应提高了扭王字块下部具有较大空隙的块石垫层高程，使该垫层顶高程达6.06 m 高于防浪墙底高程 6 m，以保护防浪墙的前基角基础不被波浪淘空而导致防浪墙失稳。最终取Z坡＝9 m。
3.3 抛石棱体顶高程
棱体的顶面高程不宜高于设计低水位以下1.0倍设计波高值[10]，即：
泥面高程2.0m 左右，如果按这个高程，挖泥方量太大。故按泥面以上抛石2.5 m 取值为4.5 m，保证有一定的棱体厚度。护底块石处泥面高程0.5 m左右，护底块石顶高程按泥面以上1.5 m 取值为 2.0 m。
3.4 护面块体重量
单个护面块体重量：
式中：γb=23 kN/m3；
H=3.31 m；
KD=18；
Sb=2.24；
ctgα=2。经计算：W=1.6 t。
采用扭工字块扭王字块的最小重量不宜小于2 t[6]。考虑工程所在地为凹岸，波能易集中，且外侧缺乏有效掩护条件，波高较大，当地曾出现过波浪损坏原有护岸的情况，设计取了4 t。
3.5 护面层厚度
护面层厚度可按下式计算：
式中：n"=1；
c=1.36。经计算，h"=1.64 m。
3.6 抗滑稳定计算
对护岸东段、中部护岸段和西段分别采用圆弧滑动法进行了整体抗滑稳定计算，使用期的整体抗滑稳定安全系数分别为：1.67，1.99（圆弧在板桩尖之下）和1.81，均满足规范要求。
该项目建成以后，经受了多次台风和波浪等恶劣自然条件的检验，截至目前使用情况良好。原护岸结构虽类型不一，较为复杂，但在设计时若能统筹考虑，尽量采用统一修复加固结构型式，不仅能降低工程造价，而且能降低施工难度。文中运用强制确定法比选确定了在继续利用中段原有板桩结构基础上，对锚碇系统进行修复及板桩前加固的方案，既节约成本又确保了安全，加快了施工进度，效果较好。
在设计过程中，根据规范计算出数值后同时考虑现场实际情况和经验，对个别数据进行了优化和调整，降低了工程风险。
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