惠州某海堤結構優化研究

張 端，黃 哲

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇南京 210024）

引言

在沿海工程海堤設計中，通常通過規范規定，根據相關公式計算出海堤頂高程。在地形條件復雜的區域，波浪反射與疊加情況較為復雜，部分位置存在波能集中現象，導致波浪實際情況與理論值相差較大，將直接影響海堤結構穩定性及越浪情況，降低海堤防護能力，進而對后方建筑物的安全性造成影響。故需進行物理模型試驗，并根據試驗結果優化設計方案，得到在實際波浪條件作用下，滿足結構安全及使用要求的海堤結構形式。

1 工程概述

惠州某填海項目設有東側E5和西側D6兩個地塊，東、西兩地塊之間設有泄洪通道，并由跨河橋梁相連。地塊沿海處設有海堤，并與后方道路平行，兩地塊規劃建設某化工園區。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面布置圖

根據設計要求，本項目海堤安全等級為Ⅰ級，設計使用年限50年，防洪防潮越浪設計標準為200年一遇，海堤結構需穩定，越浪量不得超過0.020 m3/（m·s）。

根據項目所在地資料和附近項目數據，本工相關設計水位如下：

200 年1 遇極值高水位3.50 m（以當地理論最低潮位起算，下同）；100 年1 遇極值高水位3.30 m；設計高水位1.63 m；設計低水位-0.42 m；50 年1遇極端低水位-1.04 m。

2 原設計方案

在海堤結構設計過程中，為保證泄洪通道行洪要求，同時受橋梁底高程限制，泄洪通道處海堤邊坡及結構形式較為固定。其中扭王字塊碼放層數為1層，高程為+1.81 m，并以此作為整個泄洪通道護岸及沿海段海堤的結構形式。根據《海堤工程設計規范》（GB/T51015-2014），計算各位置堤頂高程如表1所示。

表1 各位置堤頂高程理論計算結果

由波浪爬高計算出的堤頂高程較大，根據規范規定，在海堤允許越浪條件下，還應計算越浪量并檢驗符合規范規定的限值。

表2 各位置海堤越浪量理論計算結果

根據理論計算結果，確定D6地塊海堤頂標高7.0 m，E5地塊海堤頂標高均按7.2 m。同時，根據規范計算出各護面塊體、墊層和護底塊石穩定重量。各地塊海堤斷面結構如圖2及圖3所示。

圖2 D6地塊海堤結構斷面示意圖

圖3 E5地塊海堤結構斷面示意圖

其中，D6地塊海堤擋浪墻頂高程+7.0 m，迎浪面設有反弧，外海側采用5 t扭王字塊體護坡，坡比為1:1.5，坡腳處扭王字塊體外側采用1.5 m×1.0 m×1.7 m的混凝土預制塊進行支撐，單塊塊體重量為6t。堤腳采用800～1 000 kg護底塊石。

E5地塊南側海堤結構形式與D6地塊南側海堤相近，擋浪墻頂高程為+7.2 m。

D6、E5兩地塊泄洪通道護岸與南側海堤之間設置圓弧過渡段，過渡段位置海堤單側長度43m，擋浪墻頂高程+7.0 m，迎浪面設有反弧，外海測采用5 t扭王字塊體護坡，坡比為1:1.5，下部采用800～1 000 kg護底塊石，拋石段頂高程為-3.62 m。

3 物理模型試驗

3.1 試驗波要素

根據地形特點，選取SE 向、SSE 向、ESE 向三個浪向的波浪開展試驗，其中SE 向、SSE 向為外海來浪，波周期較長，ESE 向為小風區風浪，波周期相對較短。試驗波浪要素如表3 所示。

表3 試驗波浪要素

3.2 越浪量測點布置

本次試驗共設置了17 個越浪量測點，其中D6地塊7 個，E5 地塊10 個，除圓弧段外，各測點間距均為50 m，越浪量測點布置如圖4 所示。

圖4 越浪量測點布置示意圖

3.3 試驗結果

1）穩定性試驗結果

在200 年一遇高水位+200 一遇波浪條件下，通過模擬SSE、SE、ESE 方向波浪作用，驗證結構及塊體的穩定性如表4 所示。

表4 結構及塊體穩定性統計表

在其他水位及波浪條件組合作用下，結構及塊體均處于穩定狀態。

2）越浪試驗結果

在200 年一遇高水位+200 年一遇波浪作用下，及其他水位及波浪條件組合作用下，根據各測點越浪統計情況分析，均在規定值以內。

3）試驗結果及分析

根據試驗數據可得，各水位及波浪條件組合作用下，海堤及塊體均處于穩定狀態。在200 年一遇高水位和相200 年一遇波浪組合作用下，部分測點的越浪量超過規定值。相應點位及越浪量如表5 所示。

表5 超設計標準越浪量測點統計表

越浪量較大位置主要集中在泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段及E5 地塊靠近圓弧段的南側海堤處。

其中，泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段因海堤方向與波浪方向垂直，受波浪直接作用較大。同時，該位置還會受到橋梁及東側圓弧段波浪疊加作用，因此越浪量較大，其中5#及6#觀測點在部分條件下越浪量已超過規定值。

E5 地塊海堤受東側波浪傳遞影響，存在波能累積現象。同時，受到西側圓弧段波浪反射影響，E5地塊靠近圓弧段的海堤位置波能較為集中，其中11#測點在部分條件下越浪量已超過規定值。

而泄洪通道與E5 地塊海堤之間的圓弧段因海堤方向與波浪方向較一致，受波浪直接作用較小，且不受地塊南側波浪傳遞累計影響，越浪量較小。

其余部分海堤受波浪疊加情況影響較小，越浪量較小。

4 方案優化

由于南側海堤與泄洪通道護岸之間的圓弧過渡段扭王字塊體護面頂高程較低，且與擋浪墻頂距離較大，會造成波浪反射、局部波高增大。因此對該區段海堤設計方案進行優化。優化結構如圖5 和圖6 所示。

圖5 D6地塊優化后海堤結構斷面示意圖

圖6 E5地塊優化后海堤結構斷面示意圖

優化方案以結構合理性及實用性為前提，考慮到節省成本及施工方便，對原有設計方案做最有效的調整。

考慮到項目成本，故不采用增加堤頂高程的方式，而是通過為對越浪量較高區域增加扭王字塊高度的方式，增強其消除波浪的能力，優化區域波浪分布，從而減少越浪量。扭王字塊加高后，坡頂高程提升至+3.51 m，

同時，根據實驗數據，越浪量較大位置主要集中在泄洪通道與D6 地塊海堤之間的圓弧段及E5地塊靠近圓弧段的南側海堤處。由此確定海堤優化范圍為D6 地塊圓弧段靠近外海側35 m 范圍及E5地塊圓弧段靠近外海側約35 m 范圍，其他位置維持原設計方案。優化后升坡頂高程增高至3.51 m。

5 優化后效果

對優化后的海堤重新進行物理模型試驗，檢驗結構、塊體的穩定性及越浪量。

5.1 穩定性檢驗

通過實驗數據可得，各水位及波浪條件組合作用下，擋浪墻、扭王字塊體護面、混凝土預制塊、護底塊石均處于穩定狀態。

5.2 越浪量檢驗

各水位及波浪條件組合作用下，所有觀測點位越浪量均低于規定值，200 年一遇高水位+200 年一遇波浪條件下，各觀測點位越浪情況有較大優化，相關數據如表6 所示。

表6 方案優化后各方向越浪量情況統計表

通過對比方案優化前后各測量點位越浪量數值，得出方案優化對整體越浪情況的改善效果。方案優化前后各觀測點越浪量相關數據如圖7 所示。

圖7 方案優化前后各觀測點越浪量數值對比圖

通過數據對比可知，方案優化可有效改善海堤整體越浪現象。原設計方案中越浪量較高位置，在本次方案優化后越浪量均有所降低。同時，整體越浪情況相比原設計方案具有較大改善。

6 結論

通過物理模型試驗，對地形條件復雜，波浪復雜的區域進行模擬，并基于實驗數據，有針對性的對海堤結構進行優化，可很好滿足工程設計要求。本次優化在惠州某項目中得以真實應用，通過優化海堤結構，加高圓弧段海堤扭王字塊體護坡頂高程，縮小與擋浪墻之間的距離，消減波能，相關數據通過物理模型試驗得以驗證。該結構優化方式可為后續類似工程提供參考。