基于消浪效果的潛堤優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁偉 陳木燦 陳振道 連石水

摘 要：對海南某工程潛堤結(jié)構(gòu)提出設(shè)計(jì)思路，通過物理模型試驗(yàn)方法，分析不同堤頂寬度潛堤的消浪效果，并進(jìn)一步優(yōu)化為雙潛堤結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，雙潛堤結(jié)構(gòu)具有較好的消浪效果，同時(shí)控制工程量。潛堤的優(yōu)化過程和總結(jié)，可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：潛堤 消浪效果 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.前言

潛堤是一種淹沒在水中的防護(hù)堤，主要以消浪作用在港口與海岸工程中得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外對潛堤的消浪效果進(jìn)行了大量的研究，其波浪透射影響因素非常多，主要有淹沒深度、堤前水深、波高、波陡、結(jié)構(gòu)形態(tài)、堤頂寬度等，導(dǎo)致堤后傳遞波高問題非常復(fù)雜。目前，潛堤堤后傳遞波高仍然主要通過物理模型試驗(yàn)來測定。

《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中拋石潛堤的傳遞波高計(jì)算公式反映堤頂越高，潛堤消浪效果越好，但該公式僅體現(xiàn)堤頂高程對消浪效果的影響；鄒紅霞通過模型試驗(yàn)分析得淹沒水深越小，堤頂相對寬度越大，消浪效果越明顯；馮衛(wèi)兵分析了淹沒水深，相對堤頂寬度和波陡對消浪效果的影響。以上成果都是對單潛堤的研究，而且擬合公式差異較大，本文根據(jù)工程實(shí)例，結(jié)合物理模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行潛堤設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，總結(jié)潛堤結(jié)構(gòu)對消浪效果的規(guī)律，可供類似工程參考。

2.項(xiàng)目概況

海南某人工島目標(biāo)定位是打造高端旅游產(chǎn)品，為“國際旅游島”整體戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。人工島布設(shè)一條南北貫通水道，詳見圖1，水道內(nèi)規(guī)劃建設(shè)以游艇泊位，帆船泊位為主的水上娛樂休閑基礎(chǔ)設(shè)施。

水道南北向長約2km，水道內(nèi)寬度范圍230m～530m，兩側(cè)內(nèi)護(hù)岸為保證足夠活動水域，擬采用直立式圓沉箱結(jié)構(gòu)。人工島外護(hù)岸采用斜坡式拋石結(jié)構(gòu)，護(hù)面采用扭王字塊體，堤頂設(shè)置擋浪墻，為防止波浪集中，外護(hù)岸結(jié)構(gòu)掩護(hù)至水道南側(cè)口門內(nèi)約100m。

水道北側(cè)口門離岸約800m，波浪較小，寬約400m，滿足水體交換需要，可作為進(jìn)出口通道；南側(cè)口門臨海，水深達(dá)到15m，波浪較大，寬約120m，縮窄口門以控制部分外海向水道內(nèi)傳遞波浪。

極端高水位2.66m，設(shè)計(jì)高水位1.84m，設(shè)計(jì)低水位0.09m，極端低水位-0.65m。SSE向波浪為控制情況，設(shè)計(jì)波浪如表1，潛堤建設(shè)區(qū)域原泥面高程約-14m，下臥土層為細(xì)砂層及粘土層。

3.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

水道內(nèi)規(guī)劃建設(shè)高端水上娛樂基礎(chǔ)設(shè)施，游船的泊穩(wěn)波浪條件成為潛堤設(shè)計(jì)的控制條件。水道內(nèi)控制波浪要求采用游艇的系泊和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，游艇系泊條件為極端高水位，50年一遇波浪H1%≤1.1m（順浪）；作業(yè)條件為設(shè)計(jì)高水位，2年一遇波浪H4%≤0.25m。

4.設(shè)計(jì)思路及方案優(yōu)化

4.1設(shè)計(jì)思路

南側(cè)口門無潛堤時(shí)，外海波浪直接通過口門向水道內(nèi)傳遞。由于口門寬度有限，且兩側(cè)護(hù)岸采用斜坡式結(jié)構(gòu)，波浪向水道內(nèi)傳遞呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢，詳見圖2。在水道寬度較窄的范圍內(nèi)（口門后距離約250m），波高值衰減明顯；在水道寬度擴(kuò)大處（口門后距離約350m）以后，波高值區(qū)域平穩(wěn)，極端高水位50年一遇H1%為2.08m；設(shè)計(jì)高水位2年一遇H4%為0.5m，不能滿足波浪控制標(biāo)準(zhǔn)，因此需要在南側(cè)口門采取措施進(jìn)一步降低水道內(nèi)波高值。

該工程擬在南側(cè)口門建設(shè)潛堤，其主要作用包括兩方面：一是漲落潮流可自由進(jìn)入水道內(nèi)，以保證水道內(nèi)充分的水體交換；二是消弱外海波浪，使水道內(nèi)波高達(dá)到游船泊穩(wěn)要求，同時(shí)降低內(nèi)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的波浪力，降低內(nèi)護(hù)岸工程投資。

從平面布置上看，為防止波浪集中，潛堤布置在口門后距離50m處。根據(jù)南側(cè)口門的水文地形條件，綜合考慮工程投資，施工方便，工程結(jié)構(gòu)銜接，消浪效果等因素，潛堤擬采用斜坡式結(jié)構(gòu)。

為保障水體交換以及游客對海景的需求，潛堤設(shè)置為沒水堤，潛堤堤頂越低，其水體交換周期越短，交換效果越好，但其消浪效果也越差。考慮水道北側(cè)口門較寬，可滿足水體交換要求，南側(cè)口門主要控制外海傳遞波浪，潛堤堤頂設(shè)置一般選擇相對深度a/H=0.5為宜，因此確定其頂高程-0.5m。潛堤消浪效果的控制性因素為堤頂高程和堤頂寬度，堤頂高程已經(jīng)確定，因此消浪主要從堤頂寬度考慮。

為達(dá)到水道內(nèi)控制波浪標(biāo)準(zhǔn)，即極端高水位50年一遇H1%需消減47%，計(jì)高水位2年一遇H4%需消減50%，因此建設(shè)潛堤的透射系數(shù)應(yīng)控制為0.5。當(dāng)相對寬度B/H=1～2時(shí)，即堤頂寬度7.2～14.4m，潛堤消浪效果最為明顯，因此初步取堤頂寬度為15m。參考鄒紅霞擬合的潛堤在不規(guī)則波浪作用下的透射系數(shù)公式：

式中：Kt為透射系數(shù)；a為潛堤淹沒深度；B為潛堤頂寬；HS為有效波高。計(jì)算得透射系數(shù)詳見表2。

潛堤透射系數(shù)結(jié)果分析得：堤頂寬度15m時(shí)，可以達(dá)到較好的消浪效果。采用極端高水位50年一遇波浪時(shí)，潛堤堤頂寬度25m，透射系數(shù)可達(dá)到0.5，加寬堤頂可進(jìn)一步降低透射系數(shù)；而采用設(shè)計(jì)高水位2年一遇波浪時(shí)，潛堤堤頂寬度20m以后透射系數(shù)維持不變。消浪趨勢存在一定矛盾，水道南側(cè)口門波浪影響復(fù)雜，或許存在未考慮的影響因素，因此擬采用物理模型試驗(yàn)測定波高，進(jìn)一步驗(yàn)證潛堤消浪效果。

潛堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：堤頂高程-0.5m，堤頂寬度15m，堤心采用拋填開山石，護(hù)面32t扭王塊體，坡度1：1.5。詳見圖3。根據(jù)物模試驗(yàn)結(jié)果，堤后波高值明顯降低，極端高水位50年一遇H1%波高值降低至1.42，波浪透射系數(shù)0.68；設(shè)計(jì)高水位2年一遇H4%波高值降低至0.36m，波浪透射系數(shù)0.72，潛堤消浪效果較為明顯，但仍然不能滿足波浪控制標(biāo)準(zhǔn)，需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2方案優(yōu)化

優(yōu)化方案一：單潛堤，頂寬25m。在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，加寬堤頂寬度。物模波浪試驗(yàn)結(jié)果表明堤后波高值進(jìn)一步降低，但是效果并不明顯，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.36，設(shè)計(jì)高水位2年一遇H4%波高值為0.29m。而優(yōu)化方案一相比設(shè)計(jì)方案堤心石工程量增加38%，護(hù)面扭王塊工程量增加17%。

優(yōu)化方案二：單潛堤，頂寬50m。在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，繼續(xù)加寬堤頂寬度。物模試驗(yàn)表明再加大寬度的潛堤進(jìn)一步衰減波浪，但是收效甚微，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.08，設(shè)計(jì)高水位2年一遇H4%波高值為0.28m。堤后波高值接近控制標(biāo)準(zhǔn)，但工程量巨大，相比設(shè)計(jì)方案堤心石工程增加133%，護(hù)面扭王塊工程量增加59%，投入與收效嚴(yán)重不平衡。

優(yōu)化方案三：雙潛堤，中心間距50m，單個堤頂寬8m。從優(yōu)化方案一、二相對設(shè)計(jì)方案分析得：當(dāng)?shù)添斚鄬挾冗_(dá)到一定數(shù)值時(shí)，繼續(xù)增加堤頂寬度對堤后波高的影響程度越來越小。若繼續(xù)加寬堤頂寬度可進(jìn)一步降低堤后波高值，但需求的工程量太大而不經(jīng)濟(jì)。因此提出加寬波浪影響的有效寬度，扣除部分堤心，優(yōu)化結(jié)構(gòu)為雙潛堤的思路，詳見圖4，如此既能降低了堤后波高值，又控制了工程的增加。根據(jù)物模波浪試驗(yàn)結(jié)果，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.04，設(shè)計(jì)高水位2年一遇H4%波高值為0.16m，滿足波浪控制標(biāo)準(zhǔn)要求。相對設(shè)計(jì)方案，消浪效果作用明顯，堤心石增加工程量52%，護(hù)面扭王字塊體與優(yōu)化方案二相當(dāng)。各優(yōu)化方案的消浪效果及工程量變化詳見表3。

從表3得出，雙潛堤方案具有較好的消浪效果，能滿足水道內(nèi)游艇系泊及作業(yè)要求，同比寬單潛堤節(jié)省工程量，因此最終采用雙潛堤方案。

5.結(jié)語

（1）當(dāng)單潛堤相對寬度增加到一定數(shù)值時(shí)，繼續(xù)增加相對寬度對堤后波高的影響的程度越來越小。

（2）相對單潛堤，有相同堤頂有效寬度的雙潛堤結(jié)構(gòu)消浪效果更好。

（3）對掩護(hù)重要建筑物的潛堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)來測定波高值，使?jié)摰淘O(shè)計(jì)滿足使用要求，且經(jīng)濟(jì)合理。

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