大亞灣海堤加固工程設(shè)計(jì)潮水位分析方法研究

黃威 深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司惠州分公司

大亞灣臨近南海，因此經(jīng)常受到風(fēng)暴潮的侵襲，使得大亞灣海堤在常年累積中存在了很大的問題，若是侵襲的浪潮過高，便會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以必須要對(duì)海堤進(jìn)行加固，保障海堤質(zhì)量。而對(duì)大亞灣海堤加固工程設(shè)計(jì)潮水位方法進(jìn)行研究分析，則能為大亞灣海堤加固提供依據(jù)，繼而為保障海堤質(zhì)量提供便利。

1.工程概況

大亞灣海堤處于廣東省惠州市的南部，臨近南海，常常受到風(fēng)暴潮的侵襲，因此在對(duì)大亞灣海堤進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃時(shí)，其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是按照100年一遇的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

整個(gè)海堤是根據(jù)當(dāng)?shù)氐貕K填海修建的，海堤全長(zhǎng)為8.1km，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的海堤大體可以劃分成三類，分別為B1類、B2類以及C類。整個(gè)海堤的結(jié)構(gòu)形式以斜坡堤為主，堤頂高程大概在4.0～4.5米左右，同時(shí)有些地方的海堤堤頂，在近海側(cè)安裝了砼防浪墻，其中墻頂?shù)母叱檀蟾旁?.5米左右。另外海堤頂部搭建了一個(gè)40米寬的綠化帶以及40米寬的濱海大道，使得海堤與周圍區(qū)域之間形成了一個(gè)80米寬的隔離帶，并在迎海側(cè)坡的位置安裝大塊石與四角空心塊對(duì)海堤進(jìn)行防護(hù)，提升海堤的防護(hù)能力。

2.模擬設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

2.1 儀器設(shè)備

為了更好對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)大亞灣海堤的實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)在高1米、長(zhǎng)200米、寬6米的波浪水池當(dāng)中開展，并綜合考慮有效波高、試驗(yàn)場(chǎng)地、模型水深以及有效段長(zhǎng)度等因素，實(shí)驗(yàn)人員在水池中分離出一個(gè)波浪水槽，整個(gè)波浪水槽長(zhǎng)為15米，高為0.8米，寬為0.6米，然后把海堤斷面的模型放置在波浪水槽當(dāng)中，這樣整個(gè)波浪水槽便會(huì)將水池劃分成三元水路，同時(shí)波浪水槽的設(shè)計(jì)滿足波浪模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示。

圖1 波浪水槽平面布置示意圖

為了最大程度上對(duì)潮水位進(jìn)行模擬還原，實(shí)驗(yàn)人員在波浪水池的首端設(shè)置了一個(gè)造波系統(tǒng)用于制造波浪。整個(gè)系統(tǒng)硬件主要由外部設(shè)備、推波板、計(jì)算機(jī)、機(jī)械框架、波高儀以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。而系統(tǒng)的軟件則分別由數(shù)據(jù)處理程序、潮水生波程序以及造波機(jī)控制程序構(gòu)成。造波系統(tǒng)能夠形成的周期變化范圍大概在0.5～5秒，波高范圍大概在3～30厘米左右，而且可以形成各種規(guī)則波以及不規(guī)則波。

不僅如此，在設(shè)計(jì)模型當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)人員在海堤前端安裝了兩個(gè)波高儀，用來對(duì)潮水位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，使實(shí)驗(yàn)人員能夠準(zhǔn)確掌握波浪信息。并且為了最大程度上將波浪反射消除，實(shí)驗(yàn)人員還在波浪水池的末端處安裝了消波帶，由于消波帶是由消浪緩坡以及消波濾網(wǎng)構(gòu)成，因此擁有良好的消波能力。

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)波浪模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡可能選擇正態(tài)模型，并按照佛汝德數(shù)據(jù)開展設(shè)計(jì)工作，這樣能夠最大程度上確保模型設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過對(duì)海堤斷面尺寸以及堤前波要素值進(jìn)行研究分析，實(shí)驗(yàn)人員最后確定了波浪模型的比例尺為1：20。

在波浪模型當(dāng)中，因?yàn)樗哪_空心塊體以及柵欄板之間的原型、外形以及重量都十分相似，所以實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該將塊體重量誤差把控在3%以內(nèi)。堤心石、護(hù)底塊石以及墊層塊石，在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)人的挑選后重量都符合實(shí)驗(yàn)要求，能夠用于波浪模型的制作當(dāng)中。同時(shí)在對(duì)防浪墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員通過混凝土澆筑的方式建立防浪墻，并確保所澆筑的防浪墻與圓形保持一致。

2.3 波浪模擬及采集

本次實(shí)驗(yàn)選擇不規(guī)則波開展研究，并以JONSWAP譜作為目標(biāo)譜[1]。同時(shí)結(jié)合相關(guān)要求，合理控制波浪參數(shù)，確保所有波浪參數(shù)符合相關(guān)要求。第一實(shí)驗(yàn)人員要確保波能譜的總能量偏差在10%左右。第二實(shí)驗(yàn)人員要確保波峰頻幕所模擬的數(shù)值偏差在5%左右。第三若在譜密度高于0.5倍譜密度峰值時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該確保譜密度分布偏差在15%左右。第四實(shí)驗(yàn)人員要確保有效波高以及有效波周期偏差在5%左右。

在對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該把制定的設(shè)計(jì)波要素以及選擇的波譜共同輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，以此來計(jì)算出造波信號(hào)，使造波板能夠根據(jù)造波信號(hào)開展造波運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)水體形成波列。但需要注意的是，實(shí)驗(yàn)人員在進(jìn)行造波時(shí)還要做好波要素的收集工作，并把收集到的波浪要素值和目標(biāo)值開展比較，從而對(duì)造波參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過這種方式，可以讓波浪要素值和目標(biāo)值的偏差處于合理范圍內(nèi)，以此來滿足我實(shí)驗(yàn)要求，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。另外在實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行收集時(shí)，應(yīng)該控制好收集間隔，通常情況下，收集間隔應(yīng)該維持在0.02秒左右，若是水池當(dāng)中的波浪相對(duì)平穩(wěn)，那么實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，所采集的波浪個(gè)數(shù)應(yīng)該不低于150個(gè)。

2.4 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)布置模型開展實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)該對(duì)波浪要素進(jìn)行確定，從而獲得B1、B2以及C類海堤實(shí)驗(yàn)需要的波浪。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該用四腳空心塊體擺放一層，所擺放的數(shù)量以及擺放方式應(yīng)該選擇人工塊體的擺放，通過自下而上的方式擺放，同時(shí)還要確保模型底部的塊底和水下菱體連接，并與四腳空心方塊擺放在一起。值得注意的是，在進(jìn)行塊體擺放時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員要確保塊體之間應(yīng)該緊靠，這樣能夠有效提高塊體擺放的穩(wěn)固情況，但不適合使用二片石作為支墊，同時(shí)在坡間和坡面的交匯處可以用塊石進(jìn)行填塞。

實(shí)驗(yàn)人員在開展護(hù)面塊體穩(wěn)定性這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該確保波浪累積作用時(shí)間和風(fēng)暴浪潮所持續(xù)的時(shí)間相同，一般在兩個(gè)小時(shí)左右[2]。通過實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，在波浪的影響下，單層斜坡式護(hù)面塊體，在位移距離超過護(hù)面塊體厚度后，便會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)這一情況。為了更好對(duì)朝水位進(jìn)行測(cè)量，本次實(shí)驗(yàn)采用稱重法開展測(cè)量工作。

并且為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該每組試驗(yàn)重復(fù)三次，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起取平均值，然后將其作為測(cè)量結(jié)果，這樣能夠最大程度上確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性以及準(zhǔn)確性，從而為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展提供數(shù)據(jù)支持。

3.海堤斷面加固方案及試驗(yàn)條件

3.1 加固方案的斷面形式

首先B類海堤加固方案一，是在原有海堤的基礎(chǔ)上通過增加堤頂高程的方式，使海堤高程達(dá)到4.8米，來增加海堤的防護(hù)能力。同時(shí)還在海堤上安裝一個(gè)弧形防浪墻，整個(gè)防浪墻的墻頂高程大概在6米。同時(shí)海底頂部選擇砼路面硬化的方式，在海堤內(nèi)側(cè)安裝砼排水溝，另外在海堤靠海一側(cè)，坡面高程在0.31米以下則保留現(xiàn)狀，選擇四腳空心方塊進(jìn)行加固，若坡面高程在0.31米以上，則選擇柵欄板進(jìn)行加固。

其次B類海堤加固方案二：在原有海堤的基礎(chǔ)上，將海堤頂高程增加到4.8米，然后在海堤頂部安裝一個(gè)L型防浪墻，防浪墻的墻頂高程在6米左右[3]。并且海堤頂部選擇砼路面進(jìn)行硬化，海堤內(nèi)側(cè)安裝砼排溝，海堤靠海側(cè)坡面的高程若是在0.31米以下，那么便維持不變，依然選擇四腳空心方塊進(jìn)行加固。若側(cè)面高程在0.31米以上，那么應(yīng)該選擇1.5t的四腳空心方塊進(jìn)行海堤加固，提高海堤的防護(hù)能力。

最后C類海底加固方案，在原有C類海堤的基礎(chǔ)上，將海堤的頂部高程增加到4.6米左右，然后在海堤頂部安裝一個(gè)L型防浪墻，并確保墻頂?shù)母叱虨?.8米。同時(shí)海堤頂部選擇砼路面硬化，海堤的內(nèi)側(cè)安裝砼排水溝，海堤臨海側(cè)的坡面高程若是在0.1米以下，則需要保持現(xiàn)狀，繼續(xù)采用1.0t四腳空心方塊進(jìn)行加固，若是側(cè)面高程在0.1米以上，那么則需要選擇1.5t四腳空心塊進(jìn)行加固。

3.2 試驗(yàn)水位

實(shí)驗(yàn)人員為了更好了解海堤加固方案在波浪作用下的穩(wěn)定性爬高以及潮水位情況，根據(jù)大亞灣海堤加固工程的具體情況，結(jié)合相關(guān)要求對(duì)各頻率的潮水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終在經(jīng)過計(jì)算后，得到了如下實(shí)驗(yàn)水位。當(dāng)潮水位在2.75米時(shí)，代表百年一遇的高潮位，當(dāng)潮水位在2.58米時(shí)，這是50年一遇的高潮位，當(dāng)潮水位在2.15米時(shí)，為10年一遇的高潮位，當(dāng)潮水位在0.77米時(shí)為平均高潮位，當(dāng)潮水位在-0.05米時(shí)為平均低潮位，當(dāng)潮水位是-0.99米時(shí)為百年一遇的低潮位。

3.3 潮水位重現(xiàn)期

一般情況下，潮水位重現(xiàn)期都是百年一遇的。

4.大亞灣海堤加固工程潮水位設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果與分析

4.1 B類海堤加固方案一

4.1.1 爬高及潮水量試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潮水位為百年一遇的高潮位時(shí)，水位受到不規(guī)則波的影響，順著柵欄板護(hù)面斜坡向上爬升的水體在和防浪墻發(fā)生碰撞后，多數(shù)水體會(huì)被防浪墻所擋回，然后順著防浪墻的湖面躍起撞擊在柵欄板護(hù)面上，只有極少一部分水體能夠越過防浪墻。若是在大波浪的影響下，會(huì)使大多數(shù)水體越過防浪墻，只能擋住極少部分水體，而越過防浪墻的水體會(huì)高高躍起，然后在重力的影響下砸在海堤頂部。

當(dāng)潮水位為50年一遇的高潮位時(shí)，水體受到不規(guī)則波的影響會(huì)小于百年一遇潮水位，并且無論是單寬越浪量還是濺浪高度以及濺浪距離都照百年一遇低。而其他潮水位在不規(guī)則波的影響下，波浪越浪量會(huì)隨著潮水位的降低而減少。

4.1.2 四腳空心塊穩(wěn)定性試驗(yàn)

在對(duì)海堤進(jìn)行加固時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員在原有海堤的基礎(chǔ)上，將高程在0.31米的坡面上選擇用柵欄板進(jìn)行加固，然后開展實(shí)驗(yàn)[4]。通過實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，在潮水位為百年一遇高潮位，水體在不規(guī)則波作用下兩小時(shí)后，無論是柵欄板還是四腳空心塊體依舊保持著良好的狀態(tài)，具有良好的穩(wěn)定性，并且護(hù)面塊沒有明顯的下滑趨勢(shì)。由此能夠得出結(jié)論，該種方案的海堤，在不規(guī)則波的影響下，無論是柵欄板還是四腳空心塊體都能保持穩(wěn)定。

4.2 B類海堤加固方案二

4.2.1 爬高及潮水量試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，百年一遇的高潮位在不規(guī)則波的影響下，水體會(huì)順著四腳空心塊前坡向上爬，然后海堤頂部，防浪墻發(fā)生撞擊，在撞擊后多數(shù)水體都會(huì)被擋回，并順著弧形片狀掉落在護(hù)面塊體上，只有少部分水體能夠跨過防浪墻。但需要注意的是，當(dāng)水體受到大波浪的影響，會(huì)使得，大部分水體在和防浪墻撞擊后能夠跨過墻頂，僅有極少部分的水體能夠被防浪墻擋回。當(dāng)水體跨過海堤頂部后會(huì)高高躍起，然后受重力影響下落砸在海堤頂部。

而50年一遇的潮水位，在不規(guī)則波的影響下，無論是海堤頂部的約浪量還是影響范圍，都會(huì)比百年一遇的潮水位少。而且實(shí)驗(yàn)人員通過研究后發(fā)現(xiàn)，其他潮水位在不規(guī)則波的影響下，波浪的越浪量會(huì)受到潮水位的影響而發(fā)生變化，潮水位越低則波浪的越浪量越少。

4.2.2 四腳空心塊穩(wěn)定性試驗(yàn)

在選擇這一方案對(duì)海堤進(jìn)行加固時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該在已有海堤的基礎(chǔ)上安裝塊體，使海堤的高程得到增加[5]。另外若是對(duì)高程在0.31米以上的坡面進(jìn)行加固時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該選擇1.5T四腳空心塊體開展加固工作。并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻弥?，百年一遇高潮位在不?guī)則波影響下，所有塊體都擁有良好的穩(wěn)定性，沒有發(fā)生任何的偏移，而且護(hù)面塊體的整體沒有出現(xiàn)下滑，只有極少數(shù)的護(hù)面塊體發(fā)生凹凸面不平整的情況。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行判斷，該種加固方案具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足加固要求。

并且海堤在其他潮水位的不規(guī)則波影響下，護(hù)面塊體依然擁有良好的穩(wěn)定性，因此這種海堤加固方案，能夠有效抵抗潮水位的侵襲，避免該地區(qū)經(jīng)濟(jì)受到損失。

4.3 C類海堤加固方案

4.3.1 爬高及潮水量試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，百年一遇潮水位，在不規(guī)則波的影響下，水體會(huì)順著前坡向上爬升，然后和防浪墻發(fā)生碰撞，由于防浪墻的高程相對(duì)較高，因此大多數(shù)水體都會(huì)被防浪墻擋回，然后掉落在護(hù)面塊體上，只有極少部分水體可以跨過防浪墻。但在大波浪的影響下，會(huì)使大部分水體跨過海底頂部，只有極少部分水體會(huì)被防浪墻所擋回，最終掉落在護(hù)面塊體上。

而50年一遇的潮水位，在不規(guī)則波的影響下，其無論是單寬越浪量還是濺浪高度以及濺浪距離，都遠(yuǎn)低于百年一遇潮水位，其他潮水位亦是如此。因此可以得出結(jié)論，波浪越浪量會(huì)受到潮水位的影響，潮水位越低，波浪越浪也就越少。

4.3.2 四腳空心塊穩(wěn)定性試驗(yàn)

在采用C類方案對(duì)海堤進(jìn)行加固時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員只需要在原有護(hù)面塊體的基礎(chǔ)上，把高程在0.1米以上的護(hù)面塊體進(jìn)行替換，替換為1.5t的四腳空心塊，以此來提高海堤的抗侵襲能力，降低潮水對(duì)海底的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，百年一遇潮，水位在不規(guī)則波影響下，臨海側(cè)坡面的塊體依然擁有良好的穩(wěn)定性，只有極少數(shù)塊體出現(xiàn)凹凸不平的情況，但整個(gè)塊體并沒有出現(xiàn)下滑的趨勢(shì)。結(jié)合失穩(wěn)判斷依據(jù)來看，護(hù)面塊體擁有良好的穩(wěn)定性，能夠有效滿足大亞灣海堤加固工程的要求，保障海堤加固質(zhì)量。

與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員還對(duì)其他潮水位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)，該種加固方案的海堤，無論是在什么潮水位的影響下，護(hù)面塊體都擁有良好的穩(wěn)定性，滿足大亞灣海堤加固要求，能夠有效抵抗潮水位對(duì)海底的侵襲，降低人們的經(jīng)濟(jì)損失。

5.結(jié)論

總而言之，要想加強(qiáng)大亞灣海堤加固工程設(shè)計(jì)潮水位分析，還需要綜合考慮各種分析方法和實(shí)際情況，從而進(jìn)行有利方案選擇。在此基礎(chǔ)上，才能將各種海堤加固潮水位分析方法整合在一起，進(jìn)而加強(qiáng)大亞灣海堤加固工程設(shè)計(jì)與潮水位分析，保障海堤質(zhì)量。