鄧濤，龍俞辰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

對許多沿海城市而言，有限的土地資源與不斷擴(kuò)張的城市建設(shè)之間的矛盾日益顯著，需向海邊開辟新土地，填筑式人工島常被規(guī)劃為新型城市綜合體、升級改造大型機(jī)場、高端物流園、國際醫(yī)療旅游示范區(qū)等城市乃至國家重要窗口。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)為人工島高價值土地提供掩護(hù)，其后方一般設(shè)置有公共活動空間或景觀帶，因此往往對護(hù)岸的頂標(biāo)高和越浪量有著嚴(yán)苛限制。研究表明[1-4]在迎浪斜坡上設(shè)置肩臺以削減波浪作用具有良好的效果，不僅能減少護(hù)岸結(jié)構(gòu)的越浪，還能增加護(hù)面塊石的穩(wěn)定性。因此在國內(nèi)外護(hù)岸或海堤工程建設(shè)中，在迎浪側(cè)設(shè)置肩臺較為普遍，特別在波浪較大條件下成為一種較好的解決方案。

針對肩臺對越浪量消減和護(hù)面塊石穩(wěn)定折減的計算，國標(biāo)尚無明確的計算方法，總結(jié)肩臺對越浪量以及穩(wěn)定性的計算方法，擬定滿足功能要求的肩臺寬度、肩臺標(biāo)高、選擇坡面塊石穩(wěn)定重量等，為帶肩臺的海堤和護(hù)岸設(shè)計提供依據(jù)十分必要。

1 帶肩臺的越浪分析方法

帶肩臺的復(fù)式海堤越浪量的計算，常用方法包括EurOtop II（2018）中經(jīng)驗公式[5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]以及一些文獻(xiàn)計算方法[4]。EurOtop II（2018）越浪量公式考慮了肩臺、坡比、波陡、斜向浪、擋墻等多種因素的影響，其計算方法參見式（1）～式（5）。

平均越浪量為：

最大越浪量限值為：肩臺折減系數(shù)γb考慮了肩臺高程影響系數(shù)rdb和肩臺寬度影響系數(shù)rB，見式（3）～式（5）。

式中：q為單位時間單寬的平均越浪量，m3/（s·m）；Hm0為堤腳處入射波高，m；Rc為靜水位至堤頂?shù)拇怪备叨?，m；B為肩臺的寬度，m；db為肩臺處水深，m，以水下為正；LB為肩臺上下1倍波高Hm0與坡面2個交點的水平長度，m；γf為護(hù)面形式影響系數(shù)；γβ為波浪斜向入射系數(shù)；ξm-1，0為破波參數(shù)為波陡；γv為擋墻影響系數(shù)；γ*為擋墻的綜合影響系數(shù)；Ru2%為2%波浪爬高，m；α、β分別為護(hù)岸坡度及波浪斜向角；g為重力加速度。

結(jié)合式（1）～式（5），海側(cè)消浪肩臺對越浪量的影響表現(xiàn)為：1）越浪量隨著肩臺寬度的增加而減小，但隨著肩臺寬度達(dá)到2Hs后折減趨于平緩，一般規(guī)定[7]肩臺寬度宜為0.5～2.0倍設(shè)計波高；2）肩臺設(shè)置在靜水面時對越浪的減小最為顯著，隨著肩臺與靜水位距離的增大，對越浪折減的效果逐漸減弱，一般規(guī)定[7]肩臺高程宜定在設(shè)計高水位上下各0.5倍設(shè)計波高范圍以內(nèi)。

2 帶肩臺的護(hù)面穩(wěn)定分析方法

大量研究表明[8-9]，在海側(cè)設(shè)置肩臺不僅可以有效減少越浪量，還可以增強護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Van der Meer[8]通過引入塊石穩(wěn)定系數(shù)fi考慮肩臺折減作用，fi通過查圖得到，與肩臺寬度、肩臺水深以及上下坡度有關(guān)，但研究僅針對肩臺位于水位或水位以下，且肩臺上下邊坡坡度限制為1∶5～1∶7。

Van Gent[9]通過一系列精心設(shè)計的物模實驗，研究了肩臺的寬度、高程、以及坡度和波陡對塊石穩(wěn)定性的影響，通過引入肩臺位置系數(shù)γpos和寬度系數(shù)γberm，對Van der Meer塊石穩(wěn)定公式中破壞數(shù)Sd進(jìn)行修正，以此來考慮肩臺對塊石穩(wěn)定的有利作用。其中塊石破壞數(shù)Sd=Ae/Dn502，可理解為從侵蝕區(qū)滾落的邊長為Dn50的塊石數(shù)量。

對于肩臺以上坡面：

對于肩臺以下坡面：

肩臺處：

式中：Dn50為塊石中值粒徑，m；Hs和H2%分別為有效波高和2%波高，m；Δ為相對密度；γpos和γberm分別為肩臺位置和肩臺寬度的折減系數(shù)；α為坡度；RB為肩臺侵蝕區(qū)寬度；N為入射波數(shù)量；P為結(jié)構(gòu)名義滲透系數(shù)；cplunging為卷躍破波系數(shù)；γR為肩臺侵蝕系數(shù)。

結(jié)合式（6）～式（12），肩臺對護(hù)面塊石穩(wěn)定性影響表現(xiàn)為：

1）肩臺以上坡面穩(wěn)定性。帶肩臺結(jié)構(gòu)的塊石穩(wěn)定性較單坡形式有明顯增強，其折減程度受肩臺高程、寬度、坡比以及坡陡的影響，肩臺和陡坡組合時較緩坡折減更多。

2）肩臺以下坡面穩(wěn)定性。當(dāng)肩臺高于或低于水位時，對下坡塊石均有折減作用；淹沒肩臺的折減系數(shù)與肩臺寬度和位置有關(guān)，而波陡以及坡比沒有發(fā)現(xiàn)明顯影響；出水肩臺的折減系數(shù)則與肩臺寬度、肩臺位置以及ξm-1，0有關(guān)；肩臺剛好在水位處時（db=0），沒有發(fā)現(xiàn)肩臺對下坡塊石穩(wěn)定有折減作用。

3）肩臺處穩(wěn)定性。肩臺破壞發(fā)生在海側(cè)坡肩處，坡肩處侵蝕寬度RB與下坡破壞數(shù)Sd以及肩臺位置有關(guān)，在肩臺侵蝕寬度外的穩(wěn)定性較好。

3 案例分析

3.1 工程概況

某工程位于菲律賓帕賽市，計劃填海形成3個大型人工島，項目陸域總回填面積約396 hm2，回填砂量近1億m3，為回填砂提供防護(hù)的斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)總長12.5 km，工程區(qū)水深-3～-10 m，項目平面圖見圖1。

圖1 實例填海項目平面布置圖Fig.1 Plan layout of reclamation project in the case study

項目設(shè)計使用年限為50 a，護(hù)岸結(jié)構(gòu)不同重現(xiàn)期的設(shè)計波浪參數(shù)如表1所示，受臺風(fēng)浪影響以及護(hù)岸前沿水深較小的原因，設(shè)計波浪表現(xiàn)為波高較大且不同重現(xiàn)期的波高差異小。工程位于強震區(qū)，工程區(qū)域設(shè)計重現(xiàn)期（475 a）的基巖地震峰值加速度PGA為0.4g，最大震級可達(dá)8.2級。

表1 護(hù)岸設(shè)計波浪及水位條件Table 1 Design wave and water level conditions of revetment

3.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

考慮越浪水體對護(hù)岸后方財產(chǎn)設(shè)施、行人安全以及排洪能力的影響，合同規(guī)定允許的越浪量標(biāo)準(zhǔn)為：1）1 a一遇波浪下允許越浪量為0.1×10-3m3/（s·m）；2）1 000 a一遇波浪下允許越浪量為10×10-3m3/（s·m）。

基于全生命周期的設(shè)計理念，護(hù)岸結(jié)構(gòu)按照50 a設(shè)計年限以及25 a維護(hù)期進(jìn)行設(shè)計，1∶4緩坡的護(hù)面塊石采用穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：1）1 a重現(xiàn)期波浪，采用初始破壞標(biāo)準(zhǔn)，取Sd=2；2）25 a重現(xiàn)期波浪，選用破壞標(biāo)準(zhǔn)介于初始與中等破壞之間，取Sd=5.5；3）100 a和1 000 a重現(xiàn)期波浪采用中等破壞標(biāo)準(zhǔn)，取Sd分別為8和12。

3.3 護(hù)岸典型斷面

本項目為強浪區(qū)及強震區(qū)條件下建設(shè)的護(hù)岸工程，單坡的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式無法滿足合同中限定的越浪量和塊石穩(wěn)定要求，因此采用了帶肩臺的砂芯坡式結(jié)構(gòu)，護(hù)岸典型斷面如圖2所示。海側(cè)肩臺的高程設(shè)置在0.5倍波高以內(nèi)，肩臺寬度設(shè)置為10 m（約2Hs），坡比定為1∶4以滿足強震下整體穩(wěn)定要求；結(jié)合理論計算，初步選擇護(hù)面塊石為1 000～3 000 kg大塊石，鋪設(shè)2層，其下方依次為60～300 kg墊層塊石，10～60 kg墊層塊石，并在回填砂和塊石之間鋪設(shè)1層土工布。

圖2 護(hù)岸典型斷面Fig.2 Typical cross-section of revetment

3.4 分析對比

針對圖2所示的護(hù)岸方案，采用理論分析和物模方法對不同肩臺方案進(jìn)行細(xì)化比選：1）試驗斷面1：肩臺寬度為10 m，肩臺高程為-2.32 m，肩臺和護(hù)面塊石厚度均為2層；2）試驗斷面2：肩臺寬度為10 m，肩臺高程加高到-0.46 m，肩臺處塊石加厚為4層。

表2顯示理論計算和實測越浪量表明，采用EurOtop（2018）考慮肩臺越浪量公式與實測值吻合較好；在+2.72 m水位組合1 000 a一遇波浪工況下，試驗斷面2越浪量小于試驗斷面1，表明當(dāng)肩臺高程位于設(shè)計水位附近時，肩臺對越浪的削減作用最佳，2個試驗斷面均滿足合同的越浪標(biāo)準(zhǔn)。

表2 越浪物模實測及理論計算值Table 2 Measured value of physical model and calculated value of overtopping discharge

表3顯示的破壞數(shù)Sd的實測以及理論計算表明，設(shè)置肩臺后護(hù)面塊石穩(wěn)定性較單坡護(hù)岸大大增強，且肩臺對上坡穩(wěn)定性折減明顯優(yōu)于下坡；試驗斷面1上下坡總破壞數(shù)Sd超出合同要求，試驗斷面2雖然總破壞數(shù)Sd仍超出合同要求，但肩臺處塊石加厚到4層后，在極端波浪作用后隨著肩臺的變形形成更緩的穩(wěn)定變坡，且肩臺塊石變形后滿足最小2層的厚度，符合合同的定義安全功能要求，試驗斷面2作為最終設(shè)計斷面。

表3 護(hù)面損壞程度Sd物模實測值及理論計算值Table 3 Measured value of physical model and calculated value of Sd

4 結(jié)語

本文總結(jié)了帶肩臺護(hù)岸結(jié)構(gòu)的越浪量及護(hù)面塊石穩(wěn)定性的計算方法，并在某海外大型人工島護(hù)岸工程設(shè)計中使用。采用物模對2種肩臺的護(hù)岸方案進(jìn)行了細(xì)化比選和分析，表明設(shè)置消浪肩臺后減少了越浪量，同時增強了護(hù)面塊石的穩(wěn)定性，試驗斷面2滿足了合同規(guī)定的較為嚴(yán)苛的越浪標(biāo)準(zhǔn)以及護(hù)面塊石穩(wěn)定要求。相關(guān)經(jīng)驗可為海上人工島等類似工程中對頂標(biāo)高和越浪有著嚴(yán)苛限制的護(hù)岸設(shè)計提供了思路。