斜坡式海堤工后沉降和越浪量研究*

葉 飛

(浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，浙江 杭州 310012)

海堤地基多為軟土，建成后會產(chǎn)生很大的沉降量。地基沉降后波浪爬高越過堤頂?shù)母怕试黾樱⑹乖嚼肆吭龃?，造成海堤損壞、財產(chǎn)損失和人員傷亡等嚴(yán)重后果。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對斜坡式海堤開展了平均越浪量現(xiàn)場或模型試驗(yàn)研究，并與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比分析。王登婷等[1]研究了風(fēng)對海堤越浪量的影響，提出對經(jīng)驗(yàn)公式中的風(fēng)校正因子進(jìn)行修正；陳銘輝等[2]研究了斜坡堤平臺和坡肩護(hù)面類型對越浪量的影響，并推薦van der Meer公式對越浪量進(jìn)行計算；朱嘉玲等[3]分析和討論了波浪入射方向與斜坡堤越浪量的關(guān)系，提出了修正的Hebsgaard越浪量公式；安蒙華等[4]建立了斜坡堤胸墻結(jié)構(gòu)參數(shù)與越浪量之間的經(jīng)驗(yàn)公式；張博文等[5]基于海堤工程原型觀測的波浪要素和越浪量分析，推薦了海堤工程設(shè)計規(guī)范公式；周雅等[6]研究斜坡堤不同波要素和斷面尺度對平均越浪量的影響，認(rèn)為陳國平公式計算結(jié)果更加準(zhǔn)確；Mase等[7]針對日本海堤特點(diǎn)，提出陸地或極淺水中建造的海堤波浪爬高和越浪量的預(yù)測公式；Troch等[8]對碎石堆斜坡堤上的波浪量進(jìn)行現(xiàn)場測量，認(rèn)為van der Meer公式和基于Owen Besley的修正公式較好；Amir等[9]基于平滑傾斜海堤越浪試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出越浪量公式；Orimoloye等[10]研究單峰和雙峰波作用下斜坡堤的越浪特征，認(rèn)為EuroOtop公式越浪量與單峰波結(jié)果一致，但雙峰波時需對EuroOtop公式進(jìn)行修正；鐘杰等[11]研究涌浪作用下斜坡堤(單坡、無擋浪墻)的平均越浪量，推薦越浪量人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法；倪琦[12]研究斜坡堤越浪量的各影響因素，構(gòu)建了基于人工智能算法的越浪量預(yù)測模型。

目前針對新建海堤越浪量及其影響因素的研究較多，但由于沉降或泥沙淤積導(dǎo)致海堤工后堤頂下降和堤前坡度發(fā)生明顯的變化影響了海堤越浪量，此時越浪量是否滿足規(guī)范要求，需要通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，因此開展海堤工后沉降和越浪量研究十分必要。本文以溫州淺灘一期圍涂斜坡式海堤為例，分析海堤工后堤頂沉降量以及沉降和泥沙淤積對斷面形式的影響，結(jié)合不同斷面的堤頂沉降量、堤前泥沙淤積情況和波浪因素，選擇典型模型試驗(yàn)斷面研究平均越浪量，分析越浪量的影響因素，判定海堤工后越浪量是否滿足規(guī)范要求，為類似軟土地基海堤工后越浪量的研究提供參考。

1 工程概況

溫州淺灘一期圍涂斜坡式海堤位于甌江口靈昆島下游，由南圍堤、東圍堤、北圍堤和一座排水涵閘組成，具體位置見圖1，其中南圍堤長5 929.23 m，2007年1月開工，2011年6月完工；東圍堤長3 538.04 m，2006年3月開工，2010年10月完工；北圍堤長5 287.75 m，2003年4月開工，2006年3月完工。圍堤頂部均有防浪墻，堤頂高程按不允許越浪設(shè)計，設(shè)計潮位和波浪要素均為50 a一遇。海堤地基為淤泥軟土地基，造成海堤工后產(chǎn)生了不同程度的地基沉降。此外，甌江口上游來水帶來大量的泥沙，在堤前外海側(cè)形成了不同厚度的泥沙淤積。2020年對海堤不同斷面沉降量和泥沙淤積進(jìn)行了測量。由于北圍堤內(nèi)側(cè)已建設(shè)公路，其斷面形式已變?yōu)槁坊Y(jié)合斷面，因此沉降量分析和越浪量研究主要以南圍堤和東圍堤為主。

圖1 工程平面布置

2 海堤工后沉降量分析

南圍堤防浪墻設(shè)計高程為8.3 m和9.1 m，工后高程在7.14～8.00 m，平均沉降量為1.19 m；沉降量最大斷面是S3+400斷面，為1.55 m；最小斷面是S1+620斷面，為0.84 m。東圍堤防浪墻設(shè)計高程為8.33 m和8.53 m，工后高程在7.15～7.62 m，平均沉降量為1.02 m；沉降量最大斷面是E2+030和E3+500斷面，為1.18 m；最小斷面是E4+070斷面，為0.90 m。堤頂不同斷面的沉降量見圖2。

圖2 海堤工后不同斷面堤頂沉降量

為了反映南圍堤和東圍堤堤頂沉降的不均勻程度，定義不均勻系數(shù)：

(1)

圖3、4為南圍堤和東圍堤的設(shè)計斷面和沉降斷面。由于沉降和泥沙淤積，使堤前水深和沉降斷面形式較設(shè)計時均發(fā)生了明顯的改變，堤前斷面坡度明顯變緩。從堤頂?shù)降痰椎钠露茸兓攸c(diǎn)是：防浪墻坡度較陡，消浪平臺無坡度，護(hù)坡坡度較緩，泥沙淤積面坡度更緩，南圍堤S3+400和S4+600斷面的坡面四角空心方塊護(hù)面部分消失。張博文、Troch、Orimoloye、舒葉華等[13]和陳國平等[14]推薦了海堤工程設(shè)計規(guī)范公式、van der Meer系列公式(如EurOtop2007和EurOtop2018公式)、陳國平公式等對平均越浪量進(jìn)行計算，但公式都有相應(yīng)的使用范圍且主要用于新建海堤，預(yù)測海堤工后越浪量會產(chǎn)生很大的誤差。因此，本文擬通過模型試驗(yàn)研究平均越浪量。

圖3 南圍堤設(shè)計斷面和沉降斷面(高程：m；尺寸：mm)

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在長波浪水槽中進(jìn)行，水槽長50 m、寬0.8 m、深1.0 m。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計算機(jī)控制模型試驗(yàn)所需要的波浪要素。水槽縱向分為兩部分，每部分寬均為0.4 m，一部分布置海堤工后試驗(yàn)斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。

3.2 模型設(shè)計和測量方法

試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。模型比尺根據(jù)場地條件和工程的平面尺寸進(jìn)行確定，坡面四腳空心方塊采用水泥加鐵粉配制，質(zhì)量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求。模型高程用水準(zhǔn)儀控制，長度用鋼尺測量，波高采用電容式數(shù)字波高儀測量。平均越浪量采用有機(jī)玻璃接水箱收集并測量水質(zhì)量，每個斷面試驗(yàn)3次，取3次測量平均值作為結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)水位和波浪模擬

試驗(yàn)斷面水位為50 a一遇設(shè)計高潮位5.07 m，南圍堤和東圍堤不同堤段的波浪要素見表1。試驗(yàn)采用不規(guī)則波JONSWAP波譜，試驗(yàn)開始前需要進(jìn)行波浪要素率定，將造波機(jī)產(chǎn)生的波要素和設(shè)計波要素進(jìn)行比較，滿足規(guī)范規(guī)定的允許誤差。

表1 試驗(yàn)設(shè)計波浪要素

3.4 模型試驗(yàn)斷面的選擇

從圖3可知，南海堤泥沙淤積最嚴(yán)重的斷面為S3+400，結(jié)合堤頂沉降量確定S0+360、S1+170、S3+400和S4+600這4個典型斷面進(jìn)行模型試驗(yàn)。從圖4可知，東圍堤泥沙淤積最多的斷面為E0+200，結(jié)合堤頂沉降量確定E0+200和E2+030兩個典型斷面進(jìn)行模型試驗(yàn)?？紤]泥沙淤積以細(xì)沙為主，且經(jīng)過多年淤積固結(jié)，泥沙淤積面可認(rèn)為是不可滲透光滑條件。對選擇的典型斷面開展越浪量模型試驗(yàn)，S0+360和S1+170斷面模型比尺取1:10，時間比尺取3.162；S3+400和S4+600斷面模型比尺取1：20，時間比尺取4.472；E0+200和E2+030斷面模型比尺取1:15，時間比尺取3.873。

圖4 東圍堤設(shè)計斷面和沉降斷面(高程：m；尺寸：mm)

4 海堤工后平均越浪量分析

由于海堤所在區(qū)域波浪為斜向波，在斷面試驗(yàn)中未考慮波浪入射角β的影響，因此需要對平均越浪量進(jìn)行修正。波浪斜向入射系數(shù)Or計算公式如下[15]：

Or=1-0.000 152β2

(2)

式(2)的適用范圍為0°<β≤60°，當(dāng)β>60°時，取60°計算。表2給出了南圍堤和東圍堤典型斷面越浪量測量和修正結(jié)果。

由表2可知，從整體上看，南圍堤的越浪量要小于東圍堤。對于南圍堤，S3+400和S4+600斷面具有相同的波浪要素和堤頂超高，且堤前坡度變化相差不大，但S3+400斷面的越浪量較大，堤頂有躍浪，原因在于S3+400斷面的堤前水深較大，水深增大導(dǎo)致越浪量增大；S0+360和S1+170斷面的越浪量相同，堤頂有少量躍浪，雖然S1+170斷面堤頂超高大于S0+360斷面，堤頂超高使越浪量減小，但S1+170斷面的堤前水深大于S0+360斷面，而坡陡卻小于S0+360斷面，堤前水深增加和坡陡減小導(dǎo)致越浪量增大，因此綜合考慮堤前水深、堤頂超高和坡陡對越浪量的影響，兩個斷面越浪量相同。對于東圍堤，E2+030和E0+200斷面具有相同的波浪要素并且坡度變化相差不大，但E2+030斷面的平均越浪量明顯高于E0+200斷面、堤頂有越浪，原因在于E2+030斷面不僅堤頂超高比E0+200斷面小，而且堤前水深也較E0+200斷面大。

《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》中關(guān)于“允許部分越浪海塘的越浪量計算”規(guī)定，設(shè)計頻率波浪下的最大允許越浪量為0.05 m3/(s·m)。南圍堤和東圍堤在50 a一遇設(shè)計高潮位和波浪條件下，海堤工后平均越浪量均能滿足規(guī)范的要求。另外，在波浪連續(xù)作用3 h下，南圍堤S3+400和 S4+600斷面四角空心方塊表面整體未發(fā)現(xiàn)明顯變形，不喪失護(hù)坡功能，因此判定斷面護(hù)坡整體穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)南圍堤堤頂沉降量最大斷面是S3+400斷面、最小斷面是S1+620斷面，東圍堤堤頂沉降量最大斷面是E2+030和E3+500斷面、最小斷面是E4+070斷面，南圍堤堤頂沉降量不均勻程度要大于東圍堤。

2)南圍堤和東圍堤的堤頂沉降和泥沙淤積導(dǎo)致斷面形式發(fā)生了明顯變化，堤前坡度明顯變緩，南圍堤斷面護(hù)面四角空心方塊部分消失。

3)南圍堤平均越浪量最大斷面是S3+400斷面、最小斷面是S0+360和S1+170斷面，越浪量主要取決于堤前水深、堤頂超高和坡陡等影響因素；東圍堤平均越浪量最大斷面是E2+030斷面，越浪量主要取決于堤頂超高和堤前水深等影響因素。南圍堤和東圍堤的平均越浪量在0.001 8～0.024 m3/(s·m)，均小于0.05 m3/(s·m)，能夠滿足規(guī)范要求。