惠州某海堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張 端，黃 哲

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇南京 210024）

引言

在沿海工程海堤設計中，通常通過規(guī)范規(guī)定，根據(jù)相關公式計算出海堤頂高程。在地形條件復雜的區(qū)域，波浪反射與疊加情況較為復雜，部分位置存在波能集中現(xiàn)象，導致波浪實際情況與理論值相差較大，將直接影響海堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及越浪情況，降低海堤防護能力，進而對后方建筑物的安全性造成影響。故需進行物理模型試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化設計方案，得到在實際波浪條件作用下，滿足結(jié)構(gòu)安全及使用要求的海堤結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概述

惠州某填海項目設有東側(cè)E5和西側(cè)D6兩個地塊，東、西兩地塊之間設有泄洪通道，并由跨河橋梁相連。地塊沿海處設有海堤，并與后方道路平行，兩地塊規(guī)劃建設某化工園區(qū)。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置圖

根據(jù)設計要求，本項目海堤安全等級為Ⅰ級，設計使用年限50年，防洪防潮越浪設計標準為200年一遇，海堤結(jié)構(gòu)需穩(wěn)定，越浪量不得超過0.020 m3/（m·s）。

根據(jù)項目所在地資料和附近項目數(shù)據(jù)，本工相關設計水位如下：

200 年1 遇極值高水位3.50 m（以當?shù)乩碚撟畹统蔽黄鹚?，下同）?00 年1 遇極值高水位3.30 m；設計高水位1.63 m；設計低水位-0.42 m；50 年1遇極端低水位-1.04 m。

2 原設計方案

在海堤結(jié)構(gòu)設計過程中，為保證泄洪通道行洪要求，同時受橋梁底高程限制，泄洪通道處海堤邊坡及結(jié)構(gòu)形式較為固定。其中扭王字塊碼放層數(shù)為1層，高程為+1.81 m，并以此作為整個泄洪通道護岸及沿海段海堤的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》（GB/T51015-2014），計算各位置堤頂高程如表1所示。

表1 各位置堤頂高程理論計算結(jié)果

由波浪爬高計算出的堤頂高程較大，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，在海堤允許越浪條件下，還應計算越浪量并檢驗符合規(guī)范規(guī)定的限值。

表2 各位置海堤越浪量理論計算結(jié)果

根據(jù)理論計算結(jié)果，確定D6地塊海堤頂標高7.0 m，E5地塊海堤頂標高均按7.2 m。同時，根據(jù)規(guī)范計算出各護面塊體、墊層和護底塊石穩(wěn)定重量。各地塊海堤斷面結(jié)構(gòu)如圖2及圖3所示。

圖2 D6地塊海堤結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖3 E5地塊海堤結(jié)構(gòu)斷面示意圖

其中，D6地塊海堤擋浪墻頂高程+7.0 m，迎浪面設有反弧，外海側(cè)采用5 t扭王字塊體護坡，坡比為1:1.5，坡腳處扭王字塊體外側(cè)采用1.5 m×1.0 m×1.7 m的混凝土預制塊進行支撐，單塊塊體重量為6t。堤腳采用800～1 000 kg護底塊石。

E5地塊南側(cè)海堤結(jié)構(gòu)形式與D6地塊南側(cè)海堤相近，擋浪墻頂高程為+7.2 m。

D6、E5兩地塊泄洪通道護岸與南側(cè)海堤之間設置圓弧過渡段，過渡段位置海堤單側(cè)長度43m，擋浪墻頂高程+7.0 m，迎浪面設有反弧，外海測采用5 t扭王字塊體護坡，坡比為1:1.5，下部采用800～1 000 kg護底塊石，拋石段頂高程為-3.62 m。

3 物理模型試驗

3.1 試驗波要素

根據(jù)地形特點，選取SE 向、SSE 向、ESE 向三個浪向的波浪開展試驗，其中SE 向、SSE 向為外海來浪，波周期較長，ESE 向為小風區(qū)風浪，波周期相對較短。試驗波浪要素如表3 所示。

表3 試驗波浪要素

3.2 越浪量測點布置

本次試驗共設置了17 個越浪量測點，其中D6地塊7 個，E5 地塊10 個，除圓弧段外，各測點間距均為50 m，越浪量測點布置如圖4 所示。

圖4 越浪量測點布置示意圖

3.3 試驗結(jié)果

1）穩(wěn)定性試驗結(jié)果

在200 年一遇高水位+200 一遇波浪條件下，通過模擬SSE、SE、ESE 方向波浪作用，驗證結(jié)構(gòu)及塊體的穩(wěn)定性如表4 所示。

表4 結(jié)構(gòu)及塊體穩(wěn)定性統(tǒng)計表

在其他水位及波浪條件組合作用下，結(jié)構(gòu)及塊體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）越浪試驗結(jié)果

在200 年一遇高水位+200 年一遇波浪作用下，及其他水位及波浪條件組合作用下，根據(jù)各測點越浪統(tǒng)計情況分析，均在規(guī)定值以內(nèi)。

3）試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得，各水位及波浪條件組合作用下，海堤及塊體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。在200 年一遇高水位和相200 年一遇波浪組合作用下，部分測點的越浪量超過規(guī)定值。相應點位及越浪量如表5 所示。

表5 超設計標準越浪量測點統(tǒng)計表

越浪量較大位置主要集中在泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段及E5 地塊靠近圓弧段的南側(cè)海堤處。

其中，泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段因海堤方向與波浪方向垂直，受波浪直接作用較大。同時，該位置還會受到橋梁及東側(cè)圓弧段波浪疊加作用，因此越浪量較大，其中5#及6#觀測點在部分條件下越浪量已超過規(guī)定值。

E5 地塊海堤受東側(cè)波浪傳遞影響，存在波能累積現(xiàn)象。同時，受到西側(cè)圓弧段波浪反射影響，E5地塊靠近圓弧段的海堤位置波能較為集中，其中11#測點在部分條件下越浪量已超過規(guī)定值。

而泄洪通道與E5 地塊海堤之間的圓弧段因海堤方向與波浪方向較一致，受波浪直接作用較小，且不受地塊南側(cè)波浪傳遞累計影響，越浪量較小。

其余部分海堤受波浪疊加情況影響較小，越浪量較小。

4 方案優(yōu)化

由于南側(cè)海堤與泄洪通道護岸之間的圓弧過渡段扭王字塊體護面頂高程較低，且與擋浪墻頂距離較大，會造成波浪反射、局部波高增大。因此對該區(qū)段海堤設計方案進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖5 和圖6 所示。

圖5 D6地塊優(yōu)化后海堤結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖6 E5地塊優(yōu)化后海堤結(jié)構(gòu)斷面示意圖

優(yōu)化方案以結(jié)構(gòu)合理性及實用性為前提，考慮到節(jié)省成本及施工方便，對原有設計方案做最有效的調(diào)整。

考慮到項目成本，故不采用增加堤頂高程的方式，而是通過為對越浪量較高區(qū)域增加扭王字塊高度的方式，增強其消除波浪的能力，優(yōu)化區(qū)域波浪分布，從而減少越浪量。扭王字塊加高后，坡頂高程提升至+3.51 m，

同時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，越浪量較大位置主要集中在泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段及E5地塊靠近圓弧段的南側(cè)海堤處。由此確定海堤優(yōu)化范圍為D6 地塊圓弧段靠近外海側(cè)35 m 范圍及E5地塊圓弧段靠近外海側(cè)約35 m 范圍，其他位置維持原設計方案。優(yōu)化后升坡頂高程增高至3.51 m。

5 優(yōu)化后效果

對優(yōu)化后的海堤重新進行物理模型試驗，檢驗結(jié)構(gòu)、塊體的穩(wěn)定性及越浪量。

5.1 穩(wěn)定性檢驗

通過實驗數(shù)據(jù)可得，各水位及波浪條件組合作用下，擋浪墻、扭王字塊體護面、混凝土預制塊、護底塊石均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 越浪量檢驗

各水位及波浪條件組合作用下，所有觀測點位越浪量均低于規(guī)定值，200 年一遇高水位+200 年一遇波浪條件下，各觀測點位越浪情況有較大優(yōu)化，相關數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 方案優(yōu)化后各方向越浪量情況統(tǒng)計表

通過對比方案優(yōu)化前后各測量點位越浪量數(shù)值，得出方案優(yōu)化對整體越浪情況的改善效果。方案優(yōu)化前后各觀測點越浪量相關數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 方案優(yōu)化前后各觀測點越浪量數(shù)值對比圖

通過數(shù)據(jù)對比可知，方案優(yōu)化可有效改善海堤整體越浪現(xiàn)象。原設計方案中越浪量較高位置，在本次方案優(yōu)化后越浪量均有所降低。同時，整體越浪情況相比原設計方案具有較大改善。

6 結(jié)論

通過物理模型試驗，對地形條件復雜，波浪復雜的區(qū)域進行模擬，并基于實驗數(shù)據(jù)，有針對性的對海堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，可很好滿足工程設計要求。本次優(yōu)化在惠州某項目中得以真實應用，通過優(yōu)化海堤結(jié)構(gòu)，加高圓弧段海堤扭王字塊體護坡頂高程，縮小與擋浪墻之間的距離，消減波能，相關數(shù)據(jù)通過物理模型試驗得以驗證。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式可為后續(xù)類似工程提供參考。