斜坡式海堤設計思路及設計方法

王 東

(中交水運規劃設計院深圳有限公司，廣東 深圳 518067)

1 工程概況

某海岸為天然岸線，5 m等深線內淺灘距岸線約1.5 km，20 m等深線距岸線約4.0 km，兩處等深線距離僅為200～300 m。海岸常年受到暴潮、波浪的侵蝕，潛在諸多安全隱患，因此，海堤設施的建設至關重要。在本工程中，對海堤按照重現期50年設計波浪進行加固，切實發揮出海堤結構的防護作用。

2 工程水文及波浪資料

從現場的水文波浪資料出發，組織設計工作。周邊存在類似的工程案例時，多途徑收集相關的水文波浪資料，以此為參考分析現場情況，準確掌握本項目的水文及波浪特性。對于無類似工程的則根據既有的資料推算，部分資料殘缺時以設點實測的方式獲取。

1)水文資料。在本工程中，用秀英站逐時潮位資料計算設計水位，在分級處理時將潮位10 cm視為一級，則取歷時98%為設計低水位，歷時1%為設計高水位。

按照前述提及的方法操作，得到：年最低、最高潮位分別為-0.06、4.01 m；年平均低潮位、高潮位分別為0.95、2.13 m；設計低水位、高水位分別為0.64、2.67 m。

2)波浪資料。工程所在區域的極限波浪主要與現場的臺風浪有關，根據地形走向推測大浪的流動方向，認為是外海深水區NE或NW傳入，據此推算各方向的重現期波浪要素，再進一步結合規范展開分析，提出重現期波浪要素，將此過程中產生的推算結果作為設計時的參考。

3 海堤設計方案

3.1 堤頂高程

按照如下方法計算，求得堤頂高程Zp(m)：

Zp=hp+RF+A

(1)

式中，hP為設計頻率的高潮水位，m；RF為累計頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值。

在分析堤頂高程時，需考慮到該指標的兩層含義，即防浪墻頂面、堤身斷面頂面，具體視實際情況做針對性的考慮[1]。堤頂臨海側有防浪墻并且此部分結構完整、穩定時，考慮防浪墻頂面即可，將其作為設計堤頂高程，但該值至少需超過設計高潮位0.5 m。

堤頂高程與允許部分越浪應形成相協調的狀態，為達到此方面的要求，可根據式(1)展開計算，得到某高程值，然后從該數據出發進行分析，若該高程越浪量超過允許越浪要求，則該計算結果缺乏可行性，有必要重新確定，例如加高堤頂，得到合適的結果。海堤前波浪較猛烈時，為有效減小其帶來的不良影響，可對堤頂、背海側坡面做加強處理，或輔以人工消浪措施，以可行的方法有效控制越浪量，將其穩定在合理的區間內。

此外，除了滿足防控層面的要求外，沿海(江)堤防還需具有景觀屬性，因此，考慮堤頂高程的要求，在許可范圍內適度放寬該要求，但需注意的是，必須完成越浪水量的計算工作且該值應具有合理性，同時適配排水系統，將其高效接駁至所在城市的排水系統，以免出現排泄不暢的情況。

按照式(2)計算累計頻率為1%的爬高R1%(m)：

R1%=KAKUR1H1%

(2)

式中，KA為糙滲系數，取0.55；KU為與風速有關的系數，取1.24；R1為KA=1、H=1 m時的爬高，取1.28 m；H1%為相應累計頻率的波高。

根據前述公式展開計算得到相應的結果；同時考慮到越浪量、造價、結構的觀賞性多重要求，做適當的優化，最終得到擋浪墻高程值，即5.0 m。

3.2 越浪量的計算

海堤的損毀受多方面因素的影響，其中超標準潮浪的越浪水體作用是主要的因素，其會嚴重損傷海堤。在設計中，需要充分考慮到越浪量的合理性，對該值采取有效的控制措施。若越浪量超出許可范圍將對堤身造成破壞性影響，迫使該結構受損。

在越浪量的計算中，較為常見的是采用簡單單坡和陡墻模型試驗，但此類方法的局限性較強，例如計算公式單一、適用范圍有限，同時計算結果的精度難以得到保證，尤其是在復雜斷面海堤的計算中結果明顯缺乏可行性。為了全面提升越浪量計算的準確性，有必要組織斷面物理模型試驗[2]。根據前述分析，考慮的是5.0 m的堤頂高程，在此條件下確定的越浪量為0.172 m3/(s·m-1)，該值在許可范圍內，具有可行性。

3.3 堤身斷面設計

綜合考慮波浪要素及海堤等級，由此確定合適的堤頂高程，再根據既有信息展開穩定計算，對已經得到的尺寸數據做多次調整，直至得到尺寸合理、經濟高效的斷面設計方案為止。在對斷面做出調整時，需要在許可范圍內降低堤頂高程，具體考慮斷面內部和斷面形式兩個方面，以此為著力點做精細化的調整。

3.3.1 斷面內部的調整

邊坡、護面、高程是斷面內部調整時的三大關鍵內容。在采取放緩邊坡的調整方法后有利于增強斷面的穩定性；經過對護面結構的調整，能夠在不影響斷面形狀的前提下有效削減波浪爬高，進而達到降低堤頂高程的設計效果。

3.3.2 斷面形式的調整

根據堤身的結構特點，設置相配套的消浪平臺，此時位置的控制較為關鍵，以多年平均高潮位加50 cm超高處較為合適，在此方式下有利于減小波浪爬高，增強斷面的穩定性。堤前水深較大時推薦采用設置潛堤的方法，此時可在一定程度上減小波浪爬高。對于堤心填料，以10～100 kg塊石較為合適，但對于石料供應能力有限的地區，可采用其他優質材料，例如開山石、石碴，但各項指標均要滿足要求。根據前述提及的思路，結合工程所在地區的材料供應情況，認為采用大型沖砂袋較為合適，其能夠解決石料來源不足的問題。

消浪平臺設在高程3.5 m處，該平臺寬度按5.0 m予以控制，此布置方式下可減少越浪量；除此之外，對前沿擋浪墻臨海面結構做深度的優化，將該部分設置為半徑0.5 m的圓弧形，此時也有助于減少越浪量。護面結構選擇的是2～3 t四腳空心方塊。

3.4 護面的強度設計

3.4.1 臨海面護面的設計

根據結構完整性、抗沖刷性、消浪等方面的要求合理設計臨海面護面。在結構設計中分兩個部分做細分考慮，其中上部需承受波浪的打擊，下部需承受波浪對其的持續性掏刷作用。由于外部的作用較強，因此，護面結構必須具有足夠的穩定性。對于波浪較大的開敞海，此環境下的護面結構可考慮扭王字塊、四角空心方塊等，部分區域波浪較小時，可考慮預制柵欄板，原因在于此類結構兼具抵御能力和美觀性。在護面設計時還需在底部做好反濾，于坡面設適量的排水孔。

具體至本工程中則考慮到水深和波浪狀態，分多種情況展開設計，得到針對性的護面結構方案。具體而言：水深較淺、波浪較小時采用2 t四腳空心方塊；水深較大、波浪較大時適當增強防護，采用3 t四腳空心方塊；對于堤岸兩端臨近河的出海口，由于該部分的掩護條件較佳，不存在明顯的波浪影響，因此，采用更具美觀性的柵欄板，經過組合后形成完整的護面結構。

單個護面塊體穩定重量W(t)，按式(3)計算：

(3)

式中，γb為塊體重度，kN/m3；H為設計波高，m；KD為塊體穩定系數；γ為水的重度，kN/m3；A為斜坡與水平面夾角，(°)。

不同堤面標高下各項參數的取值情況，如表1所示。

表1 護面塊體穩定重量計算表

為明確護底塊石穩定重量，基本前提在于確定護腳最大波浪底流速，以便根據該流速值確定較為合適的護底塊石穩定重量。對于護腳最大波浪底流速Vmaxm/s，可按式(4)展開計算：

(4)

式中，H為設計波高，m；d為堤前水深，取5.3 m；L為設計波長，m。

將已經確定的參數代入式(4)，經計算后發現Vmax=2.8 m/s，結合現場水文條件，考慮水流流速為3.0 m/s的情況，分析后確定塊石的穩定重量，即150 kg，對于設置在堤前的護底塊石而言，該值應取100～200 kg。

3.4.2 堤頂的強度

堤頂是海堤結構組成中的重要部分，其需要有效滿足越浪的強度要求。綜合考慮堤頂的功能屬性(兼作防汛公路)，宜采用混凝土結構，構成結構完整、受力性能可靠的堤頂。除此之外，考慮到堤頂護面結構的平整度要求，加強對堤身填土質量的控制，即該部分的沉降、固結量應當基本完成，以此確保建設成型的堤頂具有穩定性。

3.4.3 背海側面

部分浪花越過防浪墻，與堤頂或后坡接觸并伴有較強烈的碰撞，在此作用下流速于短時間內大幅度降低。根據該特點明確背海側坡的防護要求，即該部分應當穩定承受垂直于坡面的沖擊力，由此圍繞“透水、消能”兩個方面的要求展開背海側面的設計工作，最終得到可行的設計方案。

4 結束語

海堤工程的設計具有系統性，需要考慮到現場水文條件、防護要求等，對某項因素考慮不周時，取得的設計方案均有可能偏離實際環境，導致建成的海堤結構難以發揮出應有的安全防護優勢。因此，在設計時需要遵循因地制宜的原則，反復比選計算，確定各部分的具體參數，得到綜合應用效果較佳的設計方案，以此為指導，由專員開展建設工作，最終建成高質量的海堤結構。

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