張 端，黃 哲

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220；2.水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210024）

引言

在沿海工程海堤設(shè)計(jì)中，通常通過規(guī)范規(guī)定，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出海堤頂高程。在地形條件復(fù)雜的區(qū)域，波浪反射與疊加情況較為復(fù)雜，部分位置存在波能集中現(xiàn)象，導(dǎo)致波浪實(shí)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(hù)能力，進(jìn)而對后方建筑物的安全性造成影響。故需進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得到在實(shí)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(xiàng)目設(shè)有東側(cè)E5和西側(cè)D6兩個(gè)地塊，東、西兩地塊之間設(shè)有泄洪通道，并由跨河橋梁相連。地塊沿海處設(shè)有海堤，并與后方道路平行，兩地塊規(guī)劃建設(shè)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(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目海堤安全等級為Ⅰ級，設(shè)計(jì)使用年限50年，防洪防潮越浪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目所在地資料和附近項(xiàng)目數(shù)據(jù)，本工相關(guān)設(shè)計(jì)水位如下：

200 年1 遇極值高水位3.50 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽黄鹚悖峦?00 年1 遇極值高水位3.30 m；設(shè)計(jì)高水位1.63 m；設(shè)計(jì)低水位-0.42 m；50 年1遇極端低水位-1.04 m。

2 原設(shè)計(jì)方案

在海堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為保證泄洪通道行洪要求，同時(shí)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(gè)泄洪通道護(hù)岸及沿海段海堤的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T51015-2014），計(jì)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(jì)算結(jié)果

由波浪爬高計(jì)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(yīng)計(jì)算越浪量并檢驗(yàn)符合規(guī)范規(guī)定的限值。

表2 各位置海堤越浪量理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，確定D6地塊海堤頂標(biāo)高7.0 m，E5地塊海堤頂標(biāo)高均按7.2 m。同時(shí)，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出各護(hù)面塊體、墊層和護(hù)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(shè)有反弧，外海側(cè)采用5 t扭王字塊體護(hù)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(yù)制塊進(jìn)行支撐，單塊塊體重量為6t。堤腳采用800～1 000 kg護(hù)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(hù)岸與南側(cè)海堤之間設(shè)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(shè)有反弧，外海測采用5 t扭王字塊體護(hù)坡，坡比為1:1.5，下部采用800～1 000 kg護(hù)底塊石，拋石段頂高程為-3.62 m。

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)波要素

根據(jù)地形特點(diǎn)，選取SE 向、SSE 向、ESE 向三個(gè)浪向的波浪開展試驗(yàn)，其中SE 向、SSE 向?yàn)橥夂砝?，波周期較長，ESE 向?yàn)樾★L(fēng)區(qū)風(fēng)浪，波周期相對較短。試驗(yàn)波浪要素如表3 所示。

表3 試驗(yàn)波浪要素

3.2 越浪量測點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)共設(shè)置了17 個(gè)越浪量測點(diǎn)，其中D6地塊7 個(gè)，E5 地塊10 個(gè)，除圓弧段外，各測點(diǎn)間距均為50 m，越浪量測點(diǎn)布置如圖4 所示。

圖4 越浪量測點(diǎn)布置示意圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1）穩(wěn)定性試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn)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(diǎn)越浪統(tǒng)計(jì)情況分析，均在規(guī)定值以內(nèi)。

3）試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)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(diǎn)的越浪量超過規(guī)定值。相應(yīng)點(diǎn)位及越浪量如表5 所示。

表5 超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)越浪量測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(jì)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(hù)岸之間的圓弧過渡段扭王字塊體護(hù)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(shè)計(jì)方案進(jìn)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(shí)用性為前提，考慮到節(jié)省成本及施工方便，對原有設(shè)計(jì)方案做最有效的調(diào)整。

考慮到項(xiàng)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(qiáng)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(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jìn)行物理模型試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)、塊體的穩(wěn)定性及越浪量。

5.1 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)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(hù)面、混凝土預(yù)制塊、護(hù)底塊石均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 越浪量檢驗(yàn)

各水位及波浪條件組合作用下，所有觀測點(diǎn)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(diǎn)位越浪情況有較大優(yōu)化，相關(guān)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(jì)表

通過對比方案優(yōu)化前后各測量點(diǎn)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(diǎn)越浪量相關(guān)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 方案優(yōu)化前后各觀測點(diǎn)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(shè)計(jì)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(shí)，整體越浪情況相比原設(shè)計(jì)方案具有較大改善。

6 結(jié)論

通過物理模型試驗(yàn)，對地形條件復(fù)雜，波浪復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行模擬，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有針對性的對海堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可很好滿足工程設(shè)計(jì)要求。本次優(yōu)化在惠州某項(xiàng)目中得以真實(shí)應(yīng)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(hù)坡頂高程，縮小與擋浪墻之間的距離，消減波能，相關(guān)數(shù)據(jù)通過物理模型試驗(yàn)得以驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式可為后續(xù)類似工程提供參考。