張 策，徐 劍，姚怡斐，和曉磊

（1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016）

1 引 言

為進一步提升沿海防臺御潮能力，發(fā)揮海塘對高質(zhì)量發(fā)展的促進引領(lǐng)作用，浙江省近年來率先謀劃實施高標(biāo)準(zhǔn)海塘的建設(shè)，綜合打造安全可靠、綠色生態(tài)、功能綜合、運行高效的海塘工程體系[1]。

隨著各地海塘提標(biāo)建設(shè)工程的逐步推進，在改、擴建的海塘設(shè)計實施中，關(guān)于海塘高程計算的疑難問題也顯現(xiàn)出來：一是波浪淺水變形的計算繁瑣。該計算通常采用“多米諾骨牌”式計算法[2]，需多次內(nèi)插來查算能耗系數(shù)曲線圖，圖中曲線密集且清晰度較低，應(yīng)用內(nèi)插法計算的工作量大，嚴重影響工程師的設(shè)計效率。二是部分海塘日常未開展沉降觀測工作，無法根據(jù)運行期沉降觀測結(jié)果推算老工程的殘余沉降。三是改、擴建類的海塘沉降計算復(fù)雜且準(zhǔn)確度不足。為保證真實性，不可將其視為與新建海塘相同的工況進行計算，該計算既需考慮老海堤與提標(biāo)加固工程的工序與荷載施加關(guān)系，又需結(jié)合客觀數(shù)據(jù)提高計算模型的準(zhǔn)確性，計算難度較大。

本文以舟山市某海塘安瀾工程為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)安全及計算準(zhǔn)確為前提，提出一種簡便的設(shè)計計算思路（見圖1），為相關(guān)海塘安瀾工程的設(shè)計工作提供參考。

圖1 本文分析思路圖

2 海塘結(jié)構(gòu)說明

2.1 海塘原建設(shè)情況說明

現(xiàn)狀海塘于2010年開始建設(shè)，原設(shè)計海塘防浪墻頂高程4.50 m，塘頂寬7.3 m，采用20 cm厚的C25混凝土路面。外海側(cè)為直立式灌砌塊石擋墻，擋墻內(nèi)部采用干砌棱體填筑，外側(cè)設(shè)置鎮(zhèn)壓層平臺，平臺與水平塊石拋填護面以1:3.0的坡度銜接。內(nèi)坡通過干砌塊石護面以1:3.0的坡度銜接至內(nèi)側(cè)閉氣土方，閉氣土方頂高程為1.00 m，寬度28.0 m。子堤通過拋石填筑，頂寬8.0 m?，F(xiàn)狀海塘斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 現(xiàn)狀海塘斷面圖 單位：cm

2.2 本次海塘提標(biāo)設(shè)計說明

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃[3]，海塘設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)需提高至100 a一遇，主要建筑物級別為1級，設(shè)計塘頂采用C30鋼筋混凝土插筋加高，防浪墻表層采用彈性體涂料噴涂?？紤]到塘身下部存在塊石基礎(chǔ)，在原有路面上鋪裝瀝青，同時向內(nèi)陸側(cè)延伸塘頂寬度，形成“人行道3.5 m+行車道8.5 m”的塘頂多功能空間，在人行道與綠化帶下部的路基采用石渣回填夯實的工程措施以減少后期沉降。塘后與子堤的高程相銜接，采用坡度為1:8.0的大緩坡結(jié)構(gòu)型式，下部采用防滲土體壓實，提升塘身的防滲安全度。提標(biāo)后海塘斷面結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 提標(biāo)海塘斷面圖 單位：cm

3 防潮安全高程的計算分析

為提高計算效率，黃朝煊等[4]對波浪淺水變形計算進行研究并給出簡潔計算解析式，以工程實例為基礎(chǔ)，分別對簡潔解析式與規(guī)范計算方法進行比較分析，驗證公式的精度完全滿足工程要求。

本小節(jié)采用上述研究的簡潔解析式進行計算分析，結(jié)合波浪數(shù)模研究專題的報告成果驗證，再根據(jù)波浪爬高公式計算得出防潮安全高程。

3.1 淺水變形計算方法及輸出數(shù)據(jù)

結(jié)合前期已計算出的水深、海床坡度、波長以及波高等數(shù)據(jù)，按照下式進行計算：

式（1）中：H0為淺水變形后的平均波高，m；H0’為淺水變形計算起始點的平均波高，m；f為摩擦系數(shù)，淤泥質(zhì)海堤取0.01，粗砂質(zhì)海堤取0.02，本工程取0.01；g為重力加速度，m/s2；T為波周期，s；A0為海底地形斜坡斜率倒數(shù)的絕對值；L為平均波長，m；L0為深水波長，m；d起點為淺水變形起始點水深，m；d終點為淺水變形終點水深，m。

表1 波浪淺水變形計算表

3.2 淺水變形成果驗證

數(shù)模專題采用丹麥水力研究所MIKE21（Spectral Wave）模型進行計算。為更好地模擬工程區(qū)域的波浪變化過程與塘前水深變化，外海采用低分辨率三角形網(wǎng)格工程區(qū)網(wǎng)格進行加密，堤前最小網(wǎng)格設(shè)置為10 m邊長，見圖4（圖中縱、橫坐標(biāo)為經(jīng)墨卡托投影的1984世界大地坐標(biāo)系）。

圖4 工程區(qū)網(wǎng)格示意圖

采用“201509”號“燦鴻”臺風(fēng)過程的波浪數(shù)據(jù)進行模型驗證，選取工程區(qū)的2個點位WG1與WG2進行分析，波高和周期驗證結(jié)果見圖5。由圖5可知，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)趨勢基本一致，模擬結(jié)果匹配較好，表明波浪模型參數(shù)設(shè)置較為合理。

模型經(jīng)過驗證之后，采用100 a一遇設(shè)計風(fēng)速資料和潮位進行模擬計算，得到海塘樁號2+000 m附近的波浪要素，將模型數(shù)據(jù)與解析式計算數(shù)據(jù)進行比較分析，結(jié)果見表2。

表2 波高數(shù)值比對表

由表2可知，塘前累計率1%的波高H1%計算數(shù)值無偏差，塘前平均波高H有1.54%的偏差，其原因主要是本地區(qū)海圖精度不足，導(dǎo)致計算風(fēng)區(qū)的水深計算存在誤差。結(jié)果表明，采用簡潔解析式的計算結(jié)果符合工程需求。

3.3 防潮安全高程計算結(jié)果

根據(jù)解析式計算的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范要求[5]以及海塘結(jié)構(gòu)特點，進一步計算海塘波浪爬高，匯總得出海塘的防潮安全高程為5.24 m，計算過程見表3。

表3 防潮安全高程計算表

式（2）中：Zp為100 a一遇的塘頂高程（防潮安全高程），m；hp為100 a一遇設(shè)計高潮位，m；Rf為累計頻率13%的波浪爬高值，m；A為安全加高值；Rf’為考慮壓載系數(shù)后的波浪爬高值，m；K△為糙滲系數(shù)；Kv為與風(fēng)速及塘前水深有關(guān)的系數(shù)；R0為不透水光滑墻上的相對爬高；H1%為波高累計率1%的波高值；KF為波高累計頻率換算系數(shù)；Ky為壓載系數(shù)。

4 海塘沉降的計算分析

4.1 計算思路及特點說明

海塘沉降差值法的計算特點主要為：一是通過地勘成果與模型計算中塊石層沉降的數(shù)據(jù)比對，校準(zhǔn)計算模型，提高成果相對準(zhǔn)確度。二是與老海塘殘余沉降的結(jié)合。浙江省部分海塘無日常觀測資料，無法按照常規(guī)的雙曲線法、沉降速率等方法推測其殘余沉降，差值法可通過新、老計算模型的沉降差值，將殘余沉降的數(shù)據(jù)納入最終的預(yù)留沉降中。計算思路見圖6。

圖6 沉降計算時間軸圖

4.2 沉降穩(wěn)定分析

雖然本模型已通過差值法涵蓋了老海塘的剩余沉降量，但出于安全富裕度的考慮，仍需要在沒有日常觀測資料的前提下，初步推算現(xiàn)狀海塘是否沉降穩(wěn)定，以確保本工程最終計算成果的安全富裕度。擬從建成時間、堤基固結(jié)、計算方法、現(xiàn)場面貌等方面進行判定分析。

建成時間：老海塘于2012年完工，新海塘于2023年開工，時間跨度為11 a。根據(jù)SL 435—2008《海塘工程設(shè)計規(guī)范》[5]中8.3.6條文說明所述，一般在筑堤竣工驗收后5~10 a沉降基本完成。因此從時間上來看，本海塘沉降已達到穩(wěn)定。

堤基固結(jié)：通過理正計算，在塘身下部25 m塑料排水板的范圍內(nèi)，固結(jié)度趨近為1.0，結(jié)合技術(shù)規(guī)定[2]，從堤基土體的固結(jié)情況來看，沉降已達到穩(wěn)定。

計算方法：為規(guī)避老海塘沉降不穩(wěn)定的情況，本次計算采用新、老海塘沉降差值法（見圖7），即無論老海塘的沉降是否穩(wěn)定，老海塘在新海塘周期內(nèi)的殘余沉降在新海塘模型的總體沉降中已涵蓋，無漏算。

圖7 沉降差值法特點說明圖

現(xiàn)場面貌：本海塘起始及終點均為山體，地質(zhì)條件較好，海塘在山體側(cè)基本無沉降。經(jīng)沿線現(xiàn)場踏勘后發(fā)現(xiàn)，塘身各結(jié)構(gòu)段的伸縮縫處均無高低錯縫等現(xiàn)象，可知本海塘中間區(qū)段的沉降較小，趨于穩(wěn)定（見圖8）。

4.3 計算方法及計算結(jié)果

如果將海塘安瀾設(shè)計方案在本次地勘成果的基礎(chǔ)上建立沉降模型進行計算，其結(jié)果既不符合施工工序，不能準(zhǔn)確模擬設(shè)計方案新增的土體時間與尺寸，又無法校準(zhǔn)其合理性。因此，本次采用理正軟件的“復(fù)雜軟土地基堤壩設(shè)計”模塊，通過建立老海塘模型模擬至本次安瀾工程的地勘時間節(jié)點，結(jié)合模型計算的塊石層沉降量與實際地勘塊石沉降量的校準(zhǔn)，不僅可提高海塘模型的準(zhǔn)確度，還可計算出現(xiàn)狀塊石已有的沉降量，為下一步計算打好基礎(chǔ)，計算思路見圖9。

圖9 老海塘現(xiàn)狀沉降以及模型校準(zhǔn)思路圖

將上述經(jīng)校準(zhǔn)后的老海塘模型參數(shù)保持不變，僅在模型海塘的塘身上部按照本次設(shè)計方案進行補充設(shè)置，并在施工工序上根據(jù)實際調(diào)整，計算思路見圖10。最后，將2個沉降數(shù)據(jù)相減得出本次海塘安瀾設(shè)計中需預(yù)留的沉降量，即D=S2-S1。

圖10 總沉降量計算思路圖

以樁號2+000 m為例，在計算過程中，首先根據(jù)原設(shè)計資料分析得出原設(shè)計塊石層拋填底高程為-4.10 m，結(jié)合現(xiàn)狀地勘結(jié)果中的塊石層底高程-6.20 m，計算得到實際塊石拋填沉降量S1為2.10 m。通過理正軟件根據(jù)實際沉降量不斷調(diào)整沉降經(jīng)驗系數(shù)等參數(shù)，校準(zhǔn)模型后將模型沉降量與實際沉降量相統(tǒng)一（見圖11），以校準(zhǔn)后的模型為基礎(chǔ)，考慮工后保證年份15 a的工況，得出總沉降量S2為2.43 m（見圖12）。故本工程需預(yù)留的沉降量D=S2-S1=0.33 m，約為堤身高度的3.8%，符合SL 435—2008《海塘工程設(shè)計規(guī)范》[5]8.3.6條文說明所述，堤身沉降量約為堤高的3%~5%。

圖11 老海塘沉降計算結(jié)果示意圖（時間跨度：2010年新建—2021年地勘）

圖12 新建海塘沉降計算結(jié)果示意圖（時間跨度：2010年老海塘新建—2040年保證年份）

5 結(jié) 論

（1）塘頂高程的確定應(yīng)包括防潮安全高程與海塘預(yù)留沉降。根據(jù)前文計算結(jié)果，本段海塘的塘頂高程應(yīng)為5.24 m+0.33 m=5.57 m。

（2）通過波浪數(shù)模驗證，采用簡潔解析式的方法是可行的，計算數(shù)據(jù)的平均偏差約為1.54%，精度滿足工程要求。該方法便于工程師計算參考，可達到提高設(shè)計進度的目的。

（3）海塘經(jīng)拼寬培厚后的沉降計算，首先利用理正軟件建立老海塘模型，結(jié)合塊石層沉降計算進行校準(zhǔn)，再以校準(zhǔn)后的模型為基礎(chǔ)進行拼寬培厚調(diào)整，將所涵蓋不同時間跨度的沉降計算結(jié)果相減，得到海塘建成后保證年份需預(yù)留的沉降量。

（4）由于海塘沉降變形涉及影響因素多而且復(fù)雜，本文采用的海塘沉降差值法有待于進一步進行深入推廣研究。