大型人工島護岸堤頂高程計算探討

◎ 葉躍飛 中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司洪斌 宏大建設(shè)集團有限公司

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大型人工島護岸堤頂高程計算探討

◎ 葉躍飛 中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司洪斌 宏大建設(shè)集團有限公司

針對日益增多的大型人工島工程，目前交通行業(yè)缺乏對人工島護岸堤頂高程的計算規(guī)范。本論文提出人工島護岸堤頂合理頂高程的計算理論和驗證方法，可為工程設(shè)計提供參考。

人工島 越浪量 護岸堤頂高程

1.引言

近年來，隨著房地產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展，土地價格一路高漲，越來越多的房地產(chǎn)商將目光投向大海，通過填海造陸形成優(yōu)質(zhì)寶貴的土地資源。

為保證人工島的安全性以及考慮到房地產(chǎn)商對工程投資的敏感性，合理確定護岸堤頂高程顯得尤為重要。

目前國內(nèi)有交通運輸部和水利水電部都頒布了計算圍堰（護岸）堤頂高程的規(guī)范，但是計算結(jié)果很多時候偏差較大。針對人工島護岸堤頂高程的確定，目前行業(yè)里沒有明確的計算公式。本論文總計近年來海南人工島的設(shè)計工作，結(jié)合委托科研單位的模型試驗研究結(jié)果，提出對人工島護岸合理頂高程的計算理論和驗證方法。

2.計算方法和過程

2.1計算思路

人工島護岸主要功能是為后方陸域形成提供條件，陸域場地標高以滿足使用要求，考慮人工島主要用于開發(fā)旅游休閑度假等居住功能，一方面要確保后方生命財產(chǎn)的安全，另一方面要盡量節(jié)省工程投資，因此人工島護岸可按允許少量越浪設(shè)計。

本論文擬采用兩種規(guī)范計算護岸頂高程，并通過控制越浪量來大致確定擋浪墻頂高程。最后通過波浪物理模型試驗來驗證并優(yōu)化護岸結(jié)構(gòu)的安全性及擋浪墻頂高程。

本論文以海南某大型人工島的1號島為例（圖1），對護岸堤頂高程計算進行探討。

2.2計算過程

（1）按《港口及航道護岸工程設(shè)計與施工規(guī)范》（JTJ300-2000）計算。根據(jù)規(guī)范，允許上浪的沿海港口護岸，頂高程宜定在設(shè)計高水位以上0.8～1.0倍設(shè)計波高處，并應高出極端高水位。護岸頂高程Zc由下式確定：

考慮到近年來登陸到海南的臺風呈頻率越來越大、強度越來越高的趨勢，一般來說，對于防護等級較高的大型人工島，在投資不明顯增加的前提下，建議采用雙百年標準，即按100年一遇的高水位和100年一遇的波浪H13％考慮。而對于沒有特殊要求的一般護岸、可按規(guī)范選取。

（2）按《海堤工程設(shè)計規(guī)范》（SL435-2008）計算。堤頂高程根據(jù)設(shè)計高水位、波浪爬高及安全加高值按下式計算，并應高出設(shè)計高水位1.5～2.0m。

式中：ZP—設(shè)計頻率的堤頂高程，m；

hp—設(shè)計頻率的高潮位；

RF—按設(shè)計波浪計算的累計頻率為F的波浪爬高值（海堤按不允許越浪設(shè)計時F=2％，按允許部分越浪設(shè)計時取F=13％）；

A—安全加高值，查下表，本工程取0.4m。

本公式中最關(guān)鍵的是波浪爬高值的確定。根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》的正向規(guī)則波在斜坡式建筑物上的波浪爬高公式計算：

圖1　人工島護岸計算點示意圖

表1　1號人工島堤頂高程計算表

表2　1號人工島堤頂高程計算表

表3　1號人工島越浪量計算表

表4　各人工島護岸頂高程一覽表

式中：R—波浪爬高（m），從靜水位起算，向上為正；

R1—KD=1，H=1m時的波浪爬高（m）；

（R1）m—相應于某一d/L爬高最大值；

M—與斜坡的m值有關(guān)的函數(shù)，取1.5；

R（M）—爬高函數(shù)；

K1、K2、K3—系數(shù)，分別取1.24、1.029、4.98。

K△—與斜坡護面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)，扭王字塊取0.47，柵欄板取0.49。

2.3計算結(jié)果比較

以上兩種規(guī)范計算公式及結(jié)果都是基于在100年一遇高潮位、100年一遇設(shè)計波浪情況下基本不越浪的情況，可看出按港工規(guī)范計算，1號島護岸頂高程為7.3～8.88m，按水利部海堤設(shè)計規(guī)范計算，1號島護岸頂高程為7.45～10.26m。兩種結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，按海堤設(shè)計規(guī)范高程計算值普遍高于港工規(guī)范計算值。

2.4堤頂高程初步確定

人工島護岸投資占工程投資的比重較大，因此，在滿足人工島防護安全的前提下，應盡量降低頂高程，以節(jié)省工程造價。

根據(jù)當?shù)夭ɡ饲闆r，人工島強浪向為SW向，人工島外側(cè)波浪較大，內(nèi)側(cè)波浪較小，因此按人工島對波浪的掩護效果，宜分區(qū)確定護岸頂高程。

根據(jù)上述分析，按50年一遇標準下允許越浪量0.08m3/（s·m）對護岸頂高程進行試算。

以下按越浪量計算公式對此高程下的越浪量進行初步復核計算。

2.5越浪量復核計算

斜坡堤頂有防浪墻時，如圖2所示，堤頂?shù)脑嚼肆靠砂瓷鲜接嬎悖?/p>

式中：Q—越浪量，即單位時間單位堤寬的越浪水體體積，m3/（s·m），允許越浪量按使用要求考慮；

Hc'—堤頂在靜水面以上的高度，m；

B—經(jīng)驗系數(shù)，當m取1.5時，B取0.6時；

KA—護面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，扭王字塊取0.4，柵欄板取0.6；

TP—譜峰周期，TP=1.33。

2.6物模試驗驗證

根據(jù)各人工島波浪條件的差異，進行了波浪整體物理模型試驗及護岸斷面波浪物理模型試驗研究。其中，波浪斷面物理模型試驗選取2個典型護岸位置及斷面方案進行了試驗。

從D1-2在100年一遇水位+100年一遇波高組合情況下，D1-2頂高程7.8m的越浪量為0.081m3/（s·m）。對D1-2斷面的擋浪墻反弧進行了優(yōu)化，并將頂高程降至7.5m的越浪量為0.085m3/（s·m）。

從D1-7在100年一遇水位+100年一遇波高組合情況下，D1-2頂高程6.0m的越浪量為0.075m3/（s·m）。

2.7堤頂高程最終確定

根據(jù)以上計算、模型試驗結(jié)論，僅在D1-2斷面在高程降至7.5m后越浪量為0.085m3/s/m，略大于設(shè)計標準。但考慮到節(jié)約工程造價，設(shè)計認為在解決好越浪堤后的排水后，越浪量也基本可以接受。根據(jù)人工島各區(qū)域?qū)Σɡ说难谧o程度，劃分為開敞區(qū)、半掩護區(qū)和有掩護區(qū)，因此綜合確定各島護岸頂高程如表4。

3.結(jié)論

本論文總結(jié)某大型人工島的設(shè)計工作，提出人工島護岸合理頂高程的計算理論和驗證方法，該計算方法可為工程設(shè)計提供參考。

［1］JTS 145-2-2013，海港水文規(guī)范［S］.

［2］JTJ 300-2000，港口及航道護岸工程設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［3］JTS 154-1-2011，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［4］SL 435-2008，海堤工程設(shè)計規(guī)范［S］.