淺談斜坡式濱海路堤設計標高的確定

■曾呈濤

（福建省交通規劃設計院，福州 350000）

在濱海范圍內，公路沿海岸或跨越海峽、海灣修筑的路堤，稱為濱海路堤，其特點主要在于海水受潮汐、波浪、海流、臺風、海嘯等水文及氣象因素影響；按斷面型式可分為：斜坡式路堤、直墻式路堤。 路堤設計標高是公路設計中一項綜合經濟技術指標，直接影響到公路的使用功能、質量、工程造價、占地面積和周圍景觀環境等，需要根據項目所處地形、地質水文等自然條件確定。 在濱海路堤安全考慮中，設計標高是非常重要的參數。 濱海路堤設計標高影響因素較多，也較為復雜，需結合公路、海堤等因素綜合考慮。 《公路路基設計規范》對濱海路堤標高提出具體要求，路肩設計高潮水位頻率為高速公路1/100、一級公路1/100、二級公路1/50、三級公路1/25、四級公路視具體情況確定，濱海路堤的設計標高應高出相應標準，高潮水位頻率為計算潮水位+波浪侵襲高度+0.5 m 安全高度之和， 不能滿足要求時，應設置防浪墻等[1]。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于漳州市東山縣內， 該縣東瀕臺灣海峽，西臨詔安灣，四面環海，海岸線長約141 km，東山生態環島公路環東山島而建。 本項目為S503（聯十五線）東山環島路的一部分，是集交通、經濟建設、防洪防潮、旅游觀光等功能于一體的通道。 項目為一級公路兼城市主干路，設計時速60 km/h，路線起于湖塘村（樁號K50+601.407），設湖塘互通與國省干線橫十一線交叉，之后路線往北，于西埔灣處上跨西埔灣特大橋，經頂上村、下西坑村，后路線轉向東沿科技大道二期走廊布設，終于新厝村（樁號K61+060）， 路線里程10.46 km， 其中K58+120～K58+975 左外側臨海。

1.2 工程方案

K58+120～K58+975 段臨海側均采用斜坡式拋石路堤結構，基礎采用換填法進行處理，表層細砂及淤泥均需挖除，堤頂寬3 m。 堤身拋填10～300 kg堤心拋石， 堤身外側護面采用4.5 t 的扭王字塊石，坡度1∶1.5，護面層下設置230～450 kg 塊石墊層，厚800 mm。 坡腳設300～500 kg 拋石棱體，具體結構斷面見圖1。

圖1 海側結構斷面

2 潮位、波浪侵襲高度計算

2.1 設計潮位

潮汐是由地球自轉及日月引力引起的，在低維度海區最為顯著。 如海邊灘地寬闊開敞而又坡度平緩，則潮汐的海水面漲落運動十分顯著。 對有潮汐的海岸，潮位的變化特征是確定濱海路堤各部分高程的重要依據。

設計潮位是海岸工程設計中的一個重要水文數據， 它不僅直接影響堤防工程高程的確定，在建筑物類型的選擇和結構計算中也扮演重要角色。 不同規模、等級和使用情況的海岸工程不同，所選用的設計潮位也不同。 設計潮位通常包括：設計高水位、設計低水位、極端高水位和極端低水位, 其中設計高水位是確定路堤設計標高的主要參數。

本工程海域無長期潮位觀測資料，設計潮位計算采用短期同步差比法進行，即先用鄰近東山海洋站的長期驗潮資料計算該站的設計潮位，然后利用潮位觀測期間獲得的T1 下林尾站與東山海洋站的同步驗潮資料進行高、低潮相關分析，換算得到下林尾的設計潮位，潮位站位置見圖2。

圖2 潮位站位置

為了解工程海域的潮汐變化規律，并為設計潮位計算提供基礎資料，在下林尾海堤(T1站)進行30 d 的潮位觀測。 對T1 下林尾站、30 d 的潮位實測資料進行特征值統計，得到其潮汐特征值見表1。

表1 潮位站潮汐特征值統計值

根據東山站近30 年(1981-2010 年)逐年年最高、最低潮位資料，用耿貝爾極值Ⅰ型分布律方法求得各重現期的高、低水位，計算結果見表2。

表2 東山站重現期水位結果

根據鄰近的東山海洋站長期潮位觀測資料及同期的潮位觀測資料，推算潮位點的100 年和50年一遇的重現期高、低水位及設計高、低水位。 計算結果見表3，表中基面均為1985 國家高程基準。

表3 下林尾海域設計潮位計算結果

2.2 波浪侵襲高度

波浪侵襲高度，也稱波浪爬高，是指潮水以波浪的形式傳播前進， 在前進過程中波浪沿防浪墻建筑物擋水斜面爬升而高于靜水面的現象， 建筑物上波浪上爬的最高點相對于靜止水面的高度稱為波浪的爬高值，見圖3。 波浪與建筑物相互作用過程十分復雜， 且波浪對直墻式建筑物與斜坡式建筑物的作用不同。 對于斜坡式路堤，影響波浪爬高的因素很多，主要包括波高、波長、邊坡坡率、邊坡糙度等。 波浪侵襲高度計算要以設計波浪要素為基礎。

圖3 斜坡上波浪爬高

2.2.1 設計波浪

海水有規律的波動運動稱為波浪或海浪。 海洋中最常見的波浪是由風產生的， 稱為風浪或風成浪。 設計常用的波浪要素有：（1）波高：波峰與波谷高低之差；（2）波長L：連續2 個波峰之間的距離；（3）周期：兩相鄰波峰通過某一點所需要的時間；（4）波速：波浪傳遞速度。 波浪資料是濱海路堤設計的主要依據，直接關系到路堤的高度。

設計波浪的標準包括設計波浪的重現期和設計波浪的波列累積頻率。 設計波浪的重現期，指某一特定波列累積頻率的波浪平均多少年出現1 次，代表波浪要素的長期統計分布規律。 設計波浪重現期的標準主要反映建筑物的使用年限和重要性。 根據《公路路基設計手冊》，設計波浪的重現期原則同設計高潮水位[2]。 波列累積頻率是指波列中某個波浪要素（如波高）不小于某一數值的波浪個數占該波浪波列總個數的百分數； 代表波浪要素水文短期（以幾十分鐘計）統計分布規律，在該統計期內，可以認為海面處于定常狀態，或者說波浪要素的平均狀態不隨時間變化。 設計波浪的累積頻率標準主要反映波浪對不同類型建筑物的不同作用性質。

本工程未進行臨時波浪觀測，對工程區的波況特征分析主要采用鄰近的東山海洋站的實測波浪資料，東山海洋站位于福建省東山縣銅陵鎮，波浪觀測點位置距工程區約20 km。 設計波浪采用外海深水波進行波浪淺水傳播變形計算得到。

根據廈門海洋工程勘察設計研究院水文計算報告，對代表工程點的設計波浪要素進行計算得到，極端高潮位條件下100 年一遇波浪要素如下： 計算點水深為6.87 m， 波高H1%為3.60 m， 波高H5%為3.07 m，波高H13%為2.67 m，周期T 為9.3 s，波長L 為72.22 m。

2.2.2 斜坡式路堤波浪侵襲高度的計算方法

波浪對斜坡式路堤作用的計算方法應滿足下列要求：（1）波浪正向作用；（2）斜坡坡率1∶m，m 為1～5；（3）建筑物前水深d 為1.5H～5.0H；（4）建筑物前底坡i≤1/50。對于斜坡式路堤設計波浪的爬高R，《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）[3]有關規定計算如下：

式中：

R——波浪爬高（m），從靜水位起算，向上為正；

K△——與斜坡護面結構型式有關的糙滲系數，扭王字塊護面取K△=0.47；

R1——K△＝1，H＝1 m 時的波浪爬高（m）；

H——建筑物所在處進行波的波高（m），取累計頻率為13%的波高；

M——與斜坡的坡度m 值有關的函數；

（R1）m——相應于某一d/L 時的爬高最大值（m）；

R（M）——爬高函數；

m—斜坡坡度系數，斜坡坡度為1∶m；

L——波長（m）；

d——建筑物前水深（m）；

K1、K2、K3——系數，分別取K1＝1.24，K2＝1.029，K3＝4.98。

3 設計標高計算結果

根據波浪爬高計算公式及項目水文數據進行波浪侵襲高度計算， 計算結果如下：M 為4.74，R（M）為0.51，（R1）m 為2.39 m，R1為1.90 m，爬高R 為2.38 m。

項目采用百年一遇的高潮位作為設計標準，設計時的計算潮水位參考下林尾的設計潮位，取2.58 m，波浪侵襲高度2.38 m，東山環島路濱海路堤段K58+120～K58+975 路堤合理高度≥設計潮位+波浪侵襲高度+0.5 m 安全高度=2.58 m+2.38 m+0.5 m=5.46 m

4 結論

本研究通過對濱海路堤設計標高主要參數進行分析，并結合實際案例確定了工程項目的合理設計標高，得到以下結論，可為今后類似濱海路堤設計標高確定提供參考。

（1）濱海路堤多建造于海灘或水上，常受風、浪、海流等其他水文、氣象因素的影響，設計需緊密結合水文、氣象條件及地理環境，合理確定其設計標高。

（2）波浪侵襲高度是波浪動力條件和海堤結構形式綜合作用的反映，在現行的《公路路基設計規范》中未對其具體計算方法進行說明，可參照《港口與航道水文規范》中斜坡式建筑物上的波浪爬高的計算方法進行確定。

（3）由于受控制點標高的限制，東山環島路濱海路堤段K58+120～K58+975 部分標段的設計標高無法達到計算的合理高度，需設置防浪墻，防止波浪對道路的影響。