某海塘防潮能力提升效果評估

劉贊強，周冉

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

海塘是我國沿海地區抵御風暴潮襲擊的基礎設施和防洪防潮工程體系的重要組成部分，能有效降低海浪、風暴潮等自然災害帶來的損失和危害，為人民群眾的生命財產安全提供重要保障[1-2]。

傳統的海塘采用塊石、條石或混凝土等材料砌筑成陡墻或截水墻的形式。隨著我國經濟社會的發展以及人類的活動，部分海塘遭到損壞或年久失修，失去了防潮、擋浪功能，亟需升級改造。2020 年《浙江省生態海岸帶建設方案》[3]和2022 年《浙江省海塘建設管理條例》[4]指出要提升海塘抵御風暴潮等災害能力，提高海塘岸線生態功能，推進生態海塘建設，提升海塘綜合功能。加強海塘提標加固，對提升和完善海塘整體防洪御潮標準，改善海塘生態環境和人居環境，促進區域經濟高質量發展具有重要意義[5]。因此，浙江省部分海塘將依據新的標準、規范以及要求等開展海塘改造、升級的前期設計和研究工作，其中提標加固后的海塘防潮能力提升效果是最值得關注的目標。

本文借助某海塘升級改造工程，開展了波浪物理模型試驗研究，測量了斷面越浪量，對海塘升級改造后的防潮能力提升效果進行了評估。

1 工程概況

某海塘升級改造段全長約2.5km，為上世紀建設標準海塘，按50 年一遇高水位和同重現期波浪標準設計，采用30cm 厚C20 砼護面。整個海塘升級段可分為西段、中段和東段，見圖1 所示。西段海塘的結構形式主要為截水墻式，部分海塘只起到防滲隔水作用；近年來隨著區域內海域的不斷開發利用，各類企業碼頭、民居村莊的建設和使用等對海塘西段造成了不同程度的破壞，海塘防潮防浪能力逐步退化，部分區段功能喪失。東段和中段海塘結構保存較為完好，斷面結構型式基本相同。受波浪、潮流和岸線等因素影響，海塘迎浪側有泥沙淤積現象。

圖1 海塘總平面及試驗斷面位置圖

根據城市發展規劃和海塘綜合功能提升要求，亟需對海塘進行升級改造。為分析海塘升級前后的防潮能力，評估升級改造后的防潮能力提升效果，選取2 處代表性的海塘斷面，開展模型試驗研究。

依據改造工程所處地理位置，外海波浪經過東南側的跨海大橋向海塘西段傳播。試驗斷面選取具有代表性的A、B 位置，見圖1 所示，其中A 處位于西段，其斷面破損較為嚴重；B 處位于整個海塘升級改造段的最東端，此處海塘保存較為完好，為老堤利用段。

A 處現狀海塘迎浪側截水墻坡度約3:1，由于遭到破壞，頂高程僅為+3.60m，海塘前泥沙或淤泥淤積現象較為明顯，見圖2 所示。A 處升級改造后的海塘采取堤路結合形式，堤頂（道路）總寬27m，設計雙向4 車道，迎浪側為三級觀景平臺，其高程分別為+2.69m、+3.29m 和+4.89m，見圖3 所示。

圖2 海塘A 處現狀斷面圖

圖3 海塘A 處升級改造后斷面圖

B 處現狀海塘斷面擋浪墻頂高程+4.50m，迎浪側截水墻坡度約10：1，見圖4 所示。B 處海塘升級改造方案是在現狀海塘基礎上，一方面對擋浪墻頂高程進行提升，由+4.50m 提升至+4.89m，另一方面在截水墻前沿拋石，塊體重量不小于200kg，詳見圖5。

圖4 海塘B 處現狀斷面圖

圖5 海塘B 處升級后斷面圖

A、B 處波浪條件見表1。

表1 試驗水位與波浪要素組合

2 物理模型試驗研究

2.1 模型設計

2.1.1 模型比尺

利用中國水利水電科學研究院的波浪水槽進行試驗。物理模型按照拂汝德數重力相似律及JTS/T 231-2021《水運工程模擬試驗技術規范》等[6-8]有關規定進行設計，并參考類似項目研究成果[9-11]，試驗選用正態模型，模型幾何比尺為1:20。

2.1.2 波浪模擬

試驗波浪采用不規則波，模擬的波浪頻譜采用JONSWAP 譜，譜峰升高因子取為3.3。模型試驗前，首先在原始地形情況下進行波浪要素率定，根據JTS/T 231-2021《水運工程模擬試驗技術規范》[6]中規定的允許偏差來控制每組模擬的波浪參數。率定完成后，擺放斷面模型后進行試驗。

2.1.3 模型制作與放樣

海塘模型采用有機玻璃制作；斷面模型除保證與原型外形幾何尺寸相似外，還保證其具有足夠的強度和穩定性。護底塊石采用碎石，按照實際重量換算至模型重量，并逐個承重挑選。率定波浪要素完成后在水槽中放樣斷面，海塘斷面放樣完全按照幾何比尺進行，將實際工程的具體位置、高程和反射特性等真實放樣在實驗室水槽中。

2.1.4 試驗方法

越浪量的測定中，在胸墻頂部放置接水箱收集、測量一個波列中發生的總越浪水量，并給出斷面的單寬平均越浪量。為了能確切地反映出波浪作用下各斷面的實際越浪量，試驗中采用連續接水，持續時間相當于原型波浪作用3.0h。

2.2 試驗結果

2.2.1 A 處斷面越浪量試驗結果

在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，A 處現狀海塘斷面堤頂越浪現象較為嚴重，大部分水體漫過海塘，最大越浪水舌厚度分別約為1.56m 和1.73m，平均水舌厚度分別約為0.4m 和0.55m。

在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，波浪在升級海塘的+2.69m 平臺處發生破碎，波高衰減，+4.89m 堤頂面基本不發生越浪，見圖6 所示。

圖6 波浪在A 處升級海塘+2.69m 平臺生破碎現象

2.2.2 B 處斷面越浪量試驗結果

B 處現狀和升級海塘斷面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下均發生越浪現象，見圖7 所示，越浪量見表2。

表2 B 處海塘不同工況下越浪量（單位：m3/（m·s））

圖7 B 處現狀（左）和升級（右）海塘在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪組合工況下越浪現象

2.2.3 B 處升級斷面護底塊石穩定性試驗結果

試驗結果顯示，在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，護底塊石均穩定，未出現塊石晃動或滾落情況。

3 海塘升級改造后的防潮能力提升效果分析

通過對比A、B 兩處海塘斷面在升級改造前和升級改造后的越浪量，進而分析海塘的防潮能力提升效果。海塘升級改造前，A 處海塘斷面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，平均水舌厚度分別約為0.4m 和0.55m，大量水體漫過海塘，防潮能力嚴重不足；海塘升級改造后，對應試驗工況下基本不發生越浪，防潮能力提升效果非常明顯。在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪組合工況下，B 處現狀海塘和升級海塘斷面越浪量分別為0.0073m3/（m·s）和0.0023m3/（m·s），海塘升級改造后越浪量減少了68.5%；在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪組合工況下，B 處現狀海塘和升級海塘斷面越浪量分別為0.0117m3/（m·s）和0.0042m3/（m·s），海塘升級改造后越浪量減少了64.1%。

4 結論

本文以某海塘升級改造工程波浪物理模型試驗為依托，對升級改造前后的海塘斷面越浪情況進行了研究,以評估海塘防潮能力提升效果。海塘迎浪側泥沙淤積現象對海塘防滲、防潮和結構安全等方面具有積極的正向作用。升級改造后的海塘基本不發生越浪現象或越浪量大幅減少，表明升級改造后的海塘防潮能力明顯提升。