斜坡式海堤設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法

王 東

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司，廣東 深圳 518067)

1 工程概況

某海岸為天然岸線，5 m等深線內(nèi)淺灘距岸線約1.5 km，20 m等深線距岸線約4.0 km，兩處等深線距離僅為200～300 m。海岸常年受到暴潮、波浪的侵蝕，潛在諸多安全隱患，因此，海堤設(shè)施的建設(shè)至關(guān)重要。在本工程中，對(duì)海堤按照重現(xiàn)期50年設(shè)計(jì)波浪進(jìn)行加固，切實(shí)發(fā)揮出海堤結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用。

2 工程水文及波浪資料

從現(xiàn)場(chǎng)的水文波浪資料出發(fā)，組織設(shè)計(jì)工作。周邊存在類似的工程案例時(shí)，多途徑收集相關(guān)的水文波浪資料，以此為參考分析現(xiàn)場(chǎng)情況，準(zhǔn)確掌握本項(xiàng)目的水文及波浪特性。對(duì)于無(wú)類似工程的則根據(jù)既有的資料推算，部分資料殘缺時(shí)以設(shè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的方式獲取。

1)水文資料。在本工程中，用秀英站逐時(shí)潮位資料計(jì)算設(shè)計(jì)水位，在分級(jí)處理時(shí)將潮位10 cm視為一級(jí)，則取歷時(shí)98%為設(shè)計(jì)低水位，歷時(shí)1%為設(shè)計(jì)高水位。

按照前述提及的方法操作，得到：年最低、最高潮位分別為-0.06、4.01 m；年平均低潮位、高潮位分別為0.95、2.13 m；設(shè)計(jì)低水位、高水位分別為0.64、2.67 m。

2)波浪資料。工程所在區(qū)域的極限波浪主要與現(xiàn)場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)浪有關(guān)，根據(jù)地形走向推測(cè)大浪的流動(dòng)方向，認(rèn)為是外海深水區(qū)NE或NW傳入，據(jù)此推算各方向的重現(xiàn)期波浪要素，再進(jìn)一步結(jié)合規(guī)范展開(kāi)分析，提出重現(xiàn)期波浪要素，將此過(guò)程中產(chǎn)生的推算結(jié)果作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

3 海堤設(shè)計(jì)方案

3.1 堤頂高程

按照如下方法計(jì)算，求得堤頂高程Zp(m)：

Zp=hp+RF+A

(1)

式中，hP為設(shè)計(jì)頻率的高潮水位，m；RF為累計(jì)頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值。

在分析堤頂高程時(shí)，需考慮到該指標(biāo)的兩層含義，即防浪墻頂面、堤身斷面頂面，具體視實(shí)際情況做針對(duì)性的考慮[1]。堤頂臨海側(cè)有防浪墻并且此部分結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定時(shí)，考慮防浪墻頂面即可，將其作為設(shè)計(jì)堤頂高程，但該值至少需超過(guò)設(shè)計(jì)高潮位0.5 m。

堤頂高程與允許部分越浪應(yīng)形成相協(xié)調(diào)的狀態(tài)，為達(dá)到此方面的要求，可根據(jù)式(1)展開(kāi)計(jì)算，得到某高程值，然后從該數(shù)據(jù)出發(fā)進(jìn)行分析，若該高程越浪量超過(guò)允許越浪要求，則該計(jì)算結(jié)果缺乏可行性，有必要重新確定，例如加高堤頂，得到合適的結(jié)果。海堤前波浪較猛烈時(shí)，為有效減小其帶來(lái)的不良影響，可對(duì)堤頂、背海側(cè)坡面做加強(qiáng)處理，或輔以人工消浪措施，以可行的方法有效控制越浪量，將其穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)。

此外，除了滿足防控層面的要求外，沿海(江)堤防還需具有景觀屬性，因此，考慮堤頂高程的要求，在許可范圍內(nèi)適度放寬該要求，但需注意的是，必須完成越浪水量的計(jì)算工作且該值應(yīng)具有合理性，同時(shí)適配排水系統(tǒng)，將其高效接駁至所在城市的排水系統(tǒng)，以免出現(xiàn)排泄不暢的情況。

按照式(2)計(jì)算累計(jì)頻率為1%的爬高R1%(m)：

R1%=KAKUR1H1%

(2)

式中，KA為糙滲系數(shù)，取0.55；KU為與風(fēng)速有關(guān)的系數(shù)，取1.24；R1為KA=1、H=1 m時(shí)的爬高，取1.28 m；H1%為相應(yīng)累計(jì)頻率的波高。

根據(jù)前述公式展開(kāi)計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)果；同時(shí)考慮到越浪量、造價(jià)、結(jié)構(gòu)的觀賞性多重要求，做適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，最終得到擋浪墻高程值，即5.0 m。

3.2 越浪量的計(jì)算

海堤的損毀受多方面因素的影響，其中超標(biāo)準(zhǔn)潮浪的越浪水體作用是主要的因素，其會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷海堤。在設(shè)計(jì)中，需要充分考慮到越浪量的合理性，對(duì)該值采取有效的控制措施。若越浪量超出許可范圍將對(duì)堤身造成破壞性影響，迫使該結(jié)構(gòu)受損。

在越浪量的計(jì)算中，較為常見(jiàn)的是采用簡(jiǎn)單單坡和陡墻模型試驗(yàn)，但此類方法的局限性較強(qiáng)，例如計(jì)算公式單一、適用范圍有限，同時(shí)計(jì)算結(jié)果的精度難以得到保證，尤其是在復(fù)雜斷面海堤的計(jì)算中結(jié)果明顯缺乏可行性。為了全面提升越浪量計(jì)算的準(zhǔn)確性，有必要組織斷面物理模型試驗(yàn)[2]。根據(jù)前述分析，考慮的是5.0 m的堤頂高程，在此條件下確定的越浪量為0.172 m3/(s·m-1)，該值在許可范圍內(nèi)，具有可行性。

3.3 堤身斷面設(shè)計(jì)

綜合考慮波浪要素及海堤等級(jí)，由此確定合適的堤頂高程，再根據(jù)既有信息展開(kāi)穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)已經(jīng)得到的尺寸數(shù)據(jù)做多次調(diào)整，直至得到尺寸合理、經(jīng)濟(jì)高效的斷面設(shè)計(jì)方案為止。在對(duì)斷面做出調(diào)整時(shí)，需要在許可范圍內(nèi)降低堤頂高程，具體考慮斷面內(nèi)部和斷面形式兩個(gè)方面，以此為著力點(diǎn)做精細(xì)化的調(diào)整。

3.3.1 斷面內(nèi)部的調(diào)整

邊坡、護(hù)面、高程是斷面內(nèi)部調(diào)整時(shí)的三大關(guān)鍵內(nèi)容。在采取放緩邊坡的調(diào)整方法后有利于增強(qiáng)斷面的穩(wěn)定性；經(jīng)過(guò)對(duì)護(hù)面結(jié)構(gòu)的調(diào)整，能夠在不影響斷面形狀的前提下有效削減波浪爬高，進(jìn)而達(dá)到降低堤頂高程的設(shè)計(jì)效果。

3.3.2 斷面形式的調(diào)整

根據(jù)堤身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置相配套的消浪平臺(tái)，此時(shí)位置的控制較為關(guān)鍵，以多年平均高潮位加50 cm超高處較為合適，在此方式下有利于減小波浪爬高，增強(qiáng)斷面的穩(wěn)定性。堤前水深較大時(shí)推薦采用設(shè)置潛堤的方法，此時(shí)可在一定程度上減小波浪爬高。對(duì)于堤心填料，以10～100 kg塊石較為合適，但對(duì)于石料供應(yīng)能力有限的地區(qū)，可采用其他優(yōu)質(zhì)材料，例如開(kāi)山石、石碴，但各項(xiàng)指標(biāo)均要滿足要求。根據(jù)前述提及的思路，結(jié)合工程所在地區(qū)的材料供應(yīng)情況，認(rèn)為采用大型沖砂袋較為合適，其能夠解決石料來(lái)源不足的問(wèn)題。

消浪平臺(tái)設(shè)在高程3.5 m處，該平臺(tái)寬度按5.0 m予以控制，此布置方式下可減少越浪量；除此之外，對(duì)前沿?fù)趵藟εR海面結(jié)構(gòu)做深度的優(yōu)化，將該部分設(shè)置為半徑0.5 m的圓弧形，此時(shí)也有助于減少越浪量。護(hù)面結(jié)構(gòu)選擇的是2～3 t四腳空心方塊。

3.4 護(hù)面的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.4.1 臨海面護(hù)面的設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)完整性、抗沖刷性、消浪等方面的要求合理設(shè)計(jì)臨海面護(hù)面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中分兩個(gè)部分做細(xì)分考慮，其中上部需承受波浪的打擊，下部需承受波浪對(duì)其的持續(xù)性掏刷作用。由于外部的作用較強(qiáng)，因此，護(hù)面結(jié)構(gòu)必須具有足夠的穩(wěn)定性。對(duì)于波浪較大的開(kāi)敞海，此環(huán)境下的護(hù)面結(jié)構(gòu)可考慮扭王字塊、四角空心方塊等，部分區(qū)域波浪較小時(shí)，可考慮預(yù)制柵欄板，原因在于此類結(jié)構(gòu)兼具抵御能力和美觀性。在護(hù)面設(shè)計(jì)時(shí)還需在底部做好反濾，于坡面設(shè)適量的排水孔。

具體至本工程中則考慮到水深和波浪狀態(tài)，分多種情況展開(kāi)設(shè)計(jì)，得到針對(duì)性的護(hù)面結(jié)構(gòu)方案。具體而言：水深較淺、波浪較小時(shí)采用2 t四腳空心方塊；水深較大、波浪較大時(shí)適當(dāng)增強(qiáng)防護(hù)，采用3 t四腳空心方塊；對(duì)于堤岸兩端臨近河的出?？?，由于該部分的掩護(hù)條件較佳，不存在明顯的波浪影響，因此，采用更具美觀性的柵欄板，經(jīng)過(guò)組合后形成完整的護(hù)面結(jié)構(gòu)。

單個(gè)護(hù)面塊體穩(wěn)定重量W(t)，按式(3)計(jì)算：

(3)

式中，γb為塊體重度，kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高，m；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；γ為水的重度，kN/m3；A為斜坡與水平面夾角，(°)。

不同堤面標(biāo)高下各項(xiàng)參數(shù)的取值情況，如表1所示。

表1 護(hù)面塊體穩(wěn)定重量計(jì)算表

為明確護(hù)底塊石穩(wěn)定重量，基本前提在于確定護(hù)腳最大波浪底流速，以便根據(jù)該流速值確定較為合適的護(hù)底塊石穩(wěn)定重量。對(duì)于護(hù)腳最大波浪底流速Vmaxm/s，可按式(4)展開(kāi)計(jì)算：

(4)

式中，H為設(shè)計(jì)波高，m；d為堤前水深，取5.3 m；L為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，m。

將已經(jīng)確定的參數(shù)代入式(4)，經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)Vmax=2.8 m/s，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文條件，考慮水流流速為3.0 m/s的情況，分析后確定塊石的穩(wěn)定重量，即150 kg，對(duì)于設(shè)置在堤前的護(hù)底塊石而言，該值應(yīng)取100～200 kg。

3.4.2 堤頂?shù)膹?qiáng)度

堤頂是海堤結(jié)構(gòu)組成中的重要部分，其需要有效滿足越浪的強(qiáng)度要求。綜合考慮堤頂?shù)墓δ軐傩?兼作防汛公路)，宜采用混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)成結(jié)構(gòu)完整、受力性能可靠的堤頂。除此之外，考慮到堤頂護(hù)面結(jié)構(gòu)的平整度要求，加強(qiáng)對(duì)堤身填土質(zhì)量的控制，即該部分的沉降、固結(jié)量應(yīng)當(dāng)基本完成，以此確保建設(shè)成型的堤頂具有穩(wěn)定性。

3.4.3 背海側(cè)面

部分浪花越過(guò)防浪墻，與堤頂或后坡接觸并伴有較強(qiáng)烈的碰撞，在此作用下流速于短時(shí)間內(nèi)大幅度降低。根據(jù)該特點(diǎn)明確背海側(cè)坡的防護(hù)要求，即該部分應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定承受垂直于坡面的沖擊力，由此圍繞“透水、消能”兩個(gè)方面的要求展開(kāi)背海側(cè)面的設(shè)計(jì)工作，最終得到可行的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

海堤工程的設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性，需要考慮到現(xiàn)場(chǎng)水文條件、防護(hù)要求等，對(duì)某項(xiàng)因素考慮不周時(shí)，取得的設(shè)計(jì)方案均有可能偏離實(shí)際環(huán)境，導(dǎo)致建成的海堤結(jié)構(gòu)難以發(fā)揮出應(yīng)有的安全防護(hù)優(yōu)勢(shì)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循因地制宜的原則，反復(fù)比選計(jì)算，確定各部分的具體參數(shù)，得到綜合應(yīng)用效果較佳的設(shè)計(jì)方案，以此為指導(dǎo)，由專員開(kāi)展建設(shè)工作，最終建成高質(zhì)量的海堤結(jié)構(gòu)。

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