某海塘防潮能力提升效果評估

劉贊強(qiáng)，周冉

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

海塘是我國沿海地區(qū)抵御風(fēng)暴潮襲擊的基礎(chǔ)設(shè)施和防洪防潮工程體系的重要組成部分，能有效降低海浪、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害帶來的損失和危害，為人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全提供重要保障[1-2]。

傳統(tǒng)的海塘采用塊石、條石或混凝土等材料砌筑成陡墻或截水墻的形式。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及人類的活動(dòng)，部分海塘遭到損壞或年久失修，失去了防潮、擋浪功能，亟需升級改造。2020 年《浙江省生態(tài)海岸帶建設(shè)方案》[3]和2022 年《浙江省海塘建設(shè)管理?xiàng)l例》[4]指出要提升海塘抵御風(fēng)暴潮等災(zāi)害能力，提高海塘岸線生態(tài)功能，推進(jìn)生態(tài)海塘建設(shè)，提升海塘綜合功能。加強(qiáng)海塘提標(biāo)加固，對提升和完善海塘整體防洪御潮標(biāo)準(zhǔn)，改善海塘生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[5]。因此，浙江省部分海塘將依據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及要求等開展海塘改造、升級的前期設(shè)計(jì)和研究工作，其中提標(biāo)加固后的海塘防潮能力提升效果是最值得關(guān)注的目標(biāo)。

本文借助某海塘升級改造工程，開展了波浪物理模型試驗(yàn)研究，測量了斷面越浪量，對海塘升級改造后的防潮能力提升效果進(jìn)行了評估。

1 工程概況

某海塘升級改造段全長約2.5km，為上世紀(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)海塘，按50 年一遇高水位和同重現(xiàn)期波浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用30cm 厚C20 砼護(hù)面。整個(gè)海塘升級段可分為西段、中段和東段，見圖1 所示。西段海塘的結(jié)構(gòu)形式主要為截水墻式，部分海塘只起到防滲隔水作用；近年來隨著區(qū)域內(nèi)海域的不斷開發(fā)利用，各類企業(yè)碼頭、民居村莊的建設(shè)和使用等對海塘西段造成了不同程度的破壞，海塘防潮防浪能力逐步退化，部分區(qū)段功能喪失。東段和中段海塘結(jié)構(gòu)保存較為完好，斷面結(jié)構(gòu)型式基本相同。受波浪、潮流和岸線等因素影響，海塘迎浪側(cè)有泥沙淤積現(xiàn)象。

圖1 海塘總平面及試驗(yàn)斷面位置圖

根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃和海塘綜合功能提升要求，亟需對海塘進(jìn)行升級改造。為分析海塘升級前后的防潮能力，評估升級改造后的防潮能力提升效果，選取2 處代表性的海塘斷面，開展模型試驗(yàn)研究。

依據(jù)改造工程所處地理位置，外海波浪經(jīng)過東南側(cè)的跨海大橋向海塘西段傳播。試驗(yàn)斷面選取具有代表性的A、B 位置，見圖1 所示，其中A 處位于西段，其斷面破損較為嚴(yán)重；B 處位于整個(gè)海塘升級改造段的最東端，此處海塘保存較為完好，為老堤利用段。

A 處現(xiàn)狀海塘迎浪側(cè)截水墻坡度約3:1，由于遭到破壞，頂高程僅為+3.60m，海塘前泥沙或淤泥淤積現(xiàn)象較為明顯，見圖2 所示。A 處升級改造后的海塘采取堤路結(jié)合形式，堤頂（道路）總寬27m，設(shè)計(jì)雙向4 車道，迎浪側(cè)為三級觀景平臺，其高程分別為+2.69m、+3.29m 和+4.89m，見圖3 所示。

圖2 海塘A 處現(xiàn)狀斷面圖

圖3 海塘A 處升級改造后斷面圖

B 處現(xiàn)狀海塘斷面擋浪墻頂高程+4.50m，迎浪側(cè)截水墻坡度約10：1，見圖4 所示。B 處海塘升級改造方案是在現(xiàn)狀海塘基礎(chǔ)上，一方面對擋浪墻頂高程進(jìn)行提升，由+4.50m 提升至+4.89m，另一方面在截水墻前沿拋石，塊體重量不小于200kg，詳見圖5。

圖4 海塘B 處現(xiàn)狀斷面圖

圖5 海塘B 處升級后斷面圖

A、B 處波浪條件見表1。

表1 試驗(yàn)水位與波浪要素組合

2 物理模型試驗(yàn)研究

2.1 模型設(shè)計(jì)

2.1.1 模型比尺

利用中國水利水電科學(xué)研究院的波浪水槽進(jìn)行試驗(yàn)。物理模型按照拂汝德數(shù)重力相似律及JTS/T 231-2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》等[6-8]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考類似項(xiàng)目研究成果[9-11]，試驗(yàn)選用正態(tài)模型，模型幾何比尺為1:20。

2.1.2 波浪模擬

試驗(yàn)波浪采用不規(guī)則波，模擬的波浪頻譜采用JONSWAP 譜，譜峰升高因子取為3.3。模型試驗(yàn)前，首先在原始地形情況下進(jìn)行波浪要素率定，根據(jù)JTS/T 231-2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[6]中規(guī)定的允許偏差來控制每組模擬的波浪參數(shù)。率定完成后，擺放斷面模型后進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.3 模型制作與放樣

海塘模型采用有機(jī)玻璃制作；斷面模型除保證與原型外形幾何尺寸相似外，還保證其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。護(hù)底塊石采用碎石，按照實(shí)際重量換算至模型重量，并逐個(gè)承重挑選。率定波浪要素完成后在水槽中放樣斷面，海塘斷面放樣完全按照幾何比尺進(jìn)行，將實(shí)際工程的具體位置、高程和反射特性等真實(shí)放樣在實(shí)驗(yàn)室水槽中。

2.1.4 試驗(yàn)方法

越浪量的測定中，在胸墻頂部放置接水箱收集、測量一個(gè)波列中發(fā)生的總越浪水量，并給出斷面的單寬平均越浪量。為了能確切地反映出波浪作用下各斷面的實(shí)際越浪量，試驗(yàn)中采用連續(xù)接水，持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于原型波浪作用3.0h。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 A 處斷面越浪量試驗(yàn)結(jié)果

在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，A 處現(xiàn)狀海塘斷面堤頂越浪現(xiàn)象較為嚴(yán)重，大部分水體漫過海塘，最大越浪水舌厚度分別約為1.56m 和1.73m，平均水舌厚度分別約為0.4m 和0.55m。

在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，波浪在升級海塘的+2.69m 平臺處發(fā)生破碎，波高衰減，+4.89m 堤頂面基本不發(fā)生越浪，見圖6 所示。

圖6 波浪在A 處升級海塘+2.69m 平臺生破碎現(xiàn)象

2.2.2 B 處斷面越浪量試驗(yàn)結(jié)果

B 處現(xiàn)狀和升級海塘斷面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下均發(fā)生越浪現(xiàn)象，見圖7 所示，越浪量見表2。

表2 B 處海塘不同工況下越浪量（單位：m3/（m·s））

圖7 B 處現(xiàn)狀（左）和升級（右）海塘在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪組合工況下越浪現(xiàn)象

2.2.3 B 處升級斷面護(hù)底塊石穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，護(hù)底塊石均穩(wěn)定，未出現(xiàn)塊石晃動(dòng)或滾落情況。

3 海塘升級改造后的防潮能力提升效果分析

通過對比A、B 兩處海塘斷面在升級改造前和升級改造后的越浪量，進(jìn)而分析海塘的防潮能力提升效果。海塘升級改造前，A 處海塘斷面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，平均水舌厚度分別約為0.4m 和0.55m，大量水體漫過海塘，防潮能力嚴(yán)重不足；海塘升級改造后，對應(yīng)試驗(yàn)工況下基本不發(fā)生越浪，防潮能力提升效果非常明顯。在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪組合工況下，B 處現(xiàn)狀海塘和升級海塘斷面越浪量分別為0.0073m3/（m·s）和0.0023m3/（m·s），海塘升級改造后越浪量減少了68.5%；在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，B 處現(xiàn)狀海塘和升級海塘斷面越浪量分別為0.0117m3/（m·s）和0.0042m3/（m·s），海塘升級改造后越浪量減少了64.1%。

4 結(jié)論

本文以某海塘升級改造工程波浪物理模型試驗(yàn)為依托，對升級改造前后的海塘斷面越浪情況進(jìn)行了研究,以評估海塘防潮能力提升效果。海塘迎浪側(cè)泥沙淤積現(xiàn)象對海塘防滲、防潮和結(jié)構(gòu)安全等方面具有積極的正向作用。升級改造后的海塘基本不發(fā)生越浪現(xiàn)象或越浪量大幅減少，表明升級改造后的海塘防潮能力明顯提升。