消浪肩臺對斜坡式防波堤堤頂高程的影響

王 軍，李雪野，陳 琦，鄭 娟

(1.寧波市港航管理中心，浙江 寧波 315042；2.寧波中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 寧波 315040)

斜坡式防波堤是常見的港口構(gòu)筑物，一般在水深小于15 m時(shí)采用，在水深大于15 m時(shí)可采用直立式防波堤或混合堤[1]。常見的斜坡堤主要結(jié)構(gòu)包括堤心石、墊層、護(hù)面護(hù)底等。在基本斷面形式確定的情況下，斜坡式防波堤的高度和寬度是影響造價(jià)的重要因素，而寬度和高度息息相關(guān)，因此，確定合理的防波堤高程是斜坡堤設(shè)計(jì)中的重中之重。

防波堤的主要功能為防浪，從理論上講，斜坡堤的堤頂高程足夠高，可以做到完全不越浪，但是經(jīng)濟(jì)代價(jià)十分巨大，而且對地基有一定的要求，可能會增加施工內(nèi)容和施工難度。可見越浪量標(biāo)準(zhǔn)是影響水工建筑物結(jié)構(gòu)形式的重要因素，它決定堤頂高程、消浪肩臺高程和寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)，并影響工程造價(jià)[2]。因此得到較準(zhǔn)確的越浪量既是防波堤高程設(shè)計(jì)的重要前提，又是其驗(yàn)證的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

以國內(nèi)某新建防波堤工程為基礎(chǔ)，首先通過理論公式計(jì)算，對比分析有、無消浪肩臺對斜坡堤堤頂越浪量的影響；然后通過理論公式對比分析有、無消浪肩臺對斜坡堤堤頂高程的影響；最后通過斷面物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對比分析消浪肩臺對斜坡式防波堤堤頂越浪量和高程的影響。

1 工程概況

某新建大型游艇碼頭位于開敞外海，須新建環(huán)抱式防波堤進(jìn)行掩護(hù)，允許越浪，要求越浪不直接砸在水面上形成次生波，且越浪量不大于0.05 m3(m·s)，工程水文條件見表1。為了尋求最優(yōu)堤頂高程斷面，設(shè)計(jì)了多個(gè)斷面，選取其中4個(gè)典型斷面進(jìn)行討論，斷面1a)為單坡無肩臺斷面，外側(cè)坡比為1:2，護(hù)面采用扭王字塊，單塊質(zhì)量10 t，下設(shè)500～1 000 kg塊石墊層，設(shè)塊石護(hù)底；堤心為拋填開山石(1～1 000 kg)；堤頂海側(cè)設(shè)混凝土胸墻，胸墻頂高程為11.0 m，原泥面約-6 m，見圖1a)。斷面1b)在斷面1a)的基礎(chǔ)上，在高程3 m處增設(shè)寬11 m的消浪肩臺，見圖1b)。斷面2a)斜坡堤胸墻頂高程降至8.5 m，外側(cè)坡比為1:1.5，其他同斷面1a)，見圖1c)。斷面2b)在斷面2a)的基礎(chǔ)上，在高程3 m處增設(shè)寬11 m的消浪肩臺，見圖1d)。

表1 設(shè)計(jì)水文要素

圖1 4個(gè)斷面設(shè)計(jì)(高程：m；尺寸：mm)

2 斜坡堤堤頂平均越浪量計(jì)算

2.1 JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》

(1)

2.2 歐洲越浪手冊法(EurOtop)

當(dāng)波浪破碎參數(shù)ξm-1，0≤ 5時(shí)，平均越浪量計(jì)算公式如下[3-4]：

(2)

(3)

(4)

式中：α為斜坡坡度；Hm0為譜峰波高(m)；Rc為堤頂距水面的高度；γb為防波堤肩臺影響系數(shù)，適用范圍為0.6～1.0；γf為防波堤面層粗糙度影響系數(shù)；γβ為波向影響系數(shù)；γv為防波堤斷面綜合影響系數(shù)，γv=1.35-0.007 8αwall，αwall為胸墻迎浪面的角度(°)。

2.3 越浪量計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用上述公式，計(jì)算4個(gè)設(shè)計(jì)斷面的平均越浪量，工程實(shí)例超出式(1)的適用范圍，EurOtop法(確定性設(shè)計(jì)公式)計(jì)算結(jié)果見表2。對比可見，在相同高程下，設(shè)有消浪肩臺的斷面能夠顯著降低越浪量。

表2 越浪量計(jì)算結(jié)果

3 斜坡堤堤頂高程計(jì)算

3.1JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》

根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，對有胸墻的斜坡式防波堤，堤頂高程按照是否允許越浪分別設(shè)計(jì)。

1)對要求基本不越浪的防波堤，胸墻頂高程宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于1.0倍設(shè)計(jì)波高值處。

2)對不允許越浪防波堤參照不允許越浪的沿海港口護(hù)岸設(shè)計(jì)，有胸墻時(shí)的墻頂高程可按下式確定：

Zc=Hw+R+a

(5)

式中：Zc為岸段高程(m)；Hw為設(shè)計(jì)高水位(m)；a為富裕值；R為波浪爬高(m)，建議通過模型試驗(yàn)確定復(fù)雜斜坡式斷面的波浪爬高值，對在靜水位上、下半個(gè)波高范圍內(nèi)設(shè)置戧臺、戧臺寬度為0.5～2倍波高時(shí)，爬高可相應(yīng)減小10%～15%。

3.2 GBT 51015—2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》

根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，堤頂高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮位、波浪爬高及安全加高值，并應(yīng)按下式計(jì)算：

Zc=hP+RF+A

(6)

式中：Zc為設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程(m)；hP為設(shè)計(jì)頻率的高潮位(m)；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率F的波浪爬高值；A為安全加高值。

3.3 《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》

根據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》5.1.1條，塘頂高程計(jì)算公式如下：

ZP=HP+RF+ΔH

(7)

式中：ZP為設(shè)計(jì)頻率的塘頂高程(m)；HP為設(shè)計(jì)頻率的高潮位(m)；ΔH為安全加高值；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率F的波浪爬高值。

3.4 斜坡堤頂高程計(jì)算結(jié)果

由以上3個(gè)公式可見，波浪爬高是決定堤頂高程的關(guān)鍵因素，式(5)中規(guī)定設(shè)有符合規(guī)范要求的消浪肩臺，波浪爬高可以減小10%～15%；對帶有消浪肩臺的斜坡堤，式(6)和式(7)均提出應(yīng)將肩臺的尺寸折算成斷面的綜合折算坡度，再利用折算坡度計(jì)算波浪爬高。應(yīng)用上述公式，計(jì)算有、無消浪肩臺斜坡堤斷面的設(shè)計(jì)頂高程，結(jié)果見表3。對比可見，設(shè)置消浪肩臺可顯著降低斜坡堤堤頂高程。

表3 堤頂高程計(jì)算結(jié)果

4 物理模型試驗(yàn)

在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，為了驗(yàn)證消浪肩臺在改善越浪量方面的效果，并與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對比，針對防波堤頂高程確定的標(biāo)準(zhǔn)開展了結(jié)構(gòu)斷面物理模型試驗(yàn)[5]。模型試驗(yàn)分別針對有無消浪肩臺的情況，測量了不規(guī)則波作用下防波堤堤頂越浪量情況，從而驗(yàn)證確定波堤頂高程的合理性和最優(yōu)性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似，試驗(yàn)斷面見圖5，越浪量和高程驗(yàn)證結(jié)果見表4。

圖2 越浪量物理模型試驗(yàn)

表4 越浪量試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證穩(wěn)定的前提下，無肩臺斷面的堤頂高程需11 m才能滿足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求，設(shè)置消浪肩臺斷面的堤頂高程8.5 m即可滿足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求。試驗(yàn)中斜坡堤通過增設(shè)消浪肩臺可將頂高程降低22.7%。

5 工程量和造價(jià)

根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，斷面2b)設(shè)置了長11 m的(0.5～2倍波高)消浪肩臺，與斷面1a)相較，降低了高度，但是增加了寬度，斷面2b)的工程量有所增加，經(jīng)計(jì)算，每延米造價(jià)分別為15.04萬元和14.83萬元，每延米造價(jià)增加約1.4%。本例中游艇碼頭防波堤需要綜合考慮安全性和景觀性，過高的堤頂高程不僅影響與現(xiàn)有陸域(高程約8 m)的連接，而且大大降低了親水景觀觀賞效果，因此，在造價(jià)增加有限的情況下，推薦采用設(shè)計(jì)斷面2b)。

6 結(jié)論

1)我國平均越浪量計(jì)算公式適用條件稍嚴(yán)格，對于復(fù)雜斷面的越浪量，規(guī)范建議通過模型試驗(yàn)確定；EurOtop方法考慮因素比較全面。

2)海堤越浪和波浪爬高是比較復(fù)雜的水體運(yùn)動(dòng)，對于復(fù)雜斷面，理論公式計(jì)算難以給出十分精確的結(jié)果，因此對于復(fù)雜防波堤斷面，建議通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而精確優(yōu)化堤頂高程設(shè)計(jì)。

3)理論計(jì)算和物理模型試驗(yàn)都證實(shí)，設(shè)有合適消浪肩臺的防波堤可顯著減少越浪量、降低波浪爬高，從而降低堤頂高程。

4)本文通過多種方法計(jì)算和確定防波堤頂高程，水利工程規(guī)范相較港口工程規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)更高，對于重要港口工程，防波堤堤頂高程在滿足港口工程規(guī)范的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)參考水利工程規(guī)范綜合確定。