允许部分越浪海堤设计在工程中的应用

孙永林

1 概述

随着上海城市人口的持续增加和城市建设的不断发展,土地需求与可利用滩涂资源稀缺的矛盾日益突出,大量的促淤和圈围造地项目的快速实施使高滩资源趋于枯竭。目前上海地区均按不允许越浪海堤设计,堤顶高程较高,投资相对较大,随着圈围工程不断向深滩推进,地质条件与施工条件变得更差,风浪要素则随着水深的增加而加大,若仍按此准则设计,围堤工程的造价将更大,同时工程的实施难度也将大大增加。因此开展允许部分越浪的围堤设计研究,降低堤身高度,节约工程造价,具有一定的现实意义。

长兴岛电厂圩滩涂圈围工程位于长兴岛东北侧,工程为上海地区首个按允许部分越浪标准设计的试验性海堤,本文结合工程实际,对其围堤断面结构设计形式进行探讨。

2 允许越浪的海堤设计

海堤建设的主要目的就是抵御台风大浪的袭击,保护堤后的财产安全,一般要求其强度和稳定性达到设计要求,在大浪袭击时海堤不受到损坏。一般的海堤堤顶高程设计时均将顶高程取为大于设计潮位加波浪爬高再加上安全超高的高程,即按不允许越浪的标准。在允许部分越浪的海堤设计时,既要使海堤的堤顶高程达到一定的标准和高度,使其达到防洪潮标准,又要适当降低堤顶高程允许部分越浪以达到节约投资的目的,因此需以越浪量为标准,在允许越浪的同时将越浪水量控制在最大允许越浪量之内,同时还要解决越浪水体对堤身护面结构、堤顶路面等方面的影响,以及堤后越浪水体如何及时排除以免影响圩内土地使用等方面的问题。

2.1 堤(防浪墙)顶高程

长兴岛电厂圩段允许越浪部分的围堤断面按单坡断面设计,最大允许越浪量按0.05 m3/(s◦m)控制。围堤按3级堤防设计,防洪标准取50年一遇高潮位(5.88 m)加10级风中值(26.5 m/s)组合。

在确定堤顶设计高程的过程中,根据不同的设计标准对堤顶高程(防浪墙顶高程)进行了比较,见表1。围堤典型断面图见图1。

表1 防浪墙顶高程计算比较

由此比较,按允许越浪设计的堤(防浪墙)顶高程比按不允许越浪设计时降低较多,可大大节省堤身高度,以节约工程造价。

2.2 越浪量

海堤的越浪量是指1 m单位宽度海堤上每秒钟波浪越过海堤的水量,单位为m3/(s◦m)。越浪量过大时亦将影响堤防的安全,因此当海堤按照允许部分越浪设计时,确定堤顶高程后应计算越浪量,计算采用的越浪量不应大于规范规定的允许越浪量0.05 m3/(s◦m)。根据表1防浪墙顶高程计算比较表中允许部分越浪标准设计防浪墙顶高度8.15 m时,按规范计算在设计工况下越浪量为0.001 2 m3/(s◦m),小于规范规定的允许越浪量0.05 m3/(s◦m),因此,经过越浪量的试算可适当降低堤顶高程,并根据《堤防工程设计规范》要求,堤顶高程取设计高潮位以上0.5 m,即6.40 m,防浪墙顶高程下降到7.00 m。

2.3 堤顶及内外坡护面

为了节省工程投资,故在堤防顶部尽量利用防浪墙高度来降低堤顶路面高程,结合景观视线及规范要求,防浪墙采用埋石混 凝土防浪墙,高出堤顶路面高度0.6 m。

作为按允许部分越浪设计的围堤,根据《海堤工程设计规范》第8.5.7和8.5.8条,按允许部分越浪设计的堤防堤顶宜采用抗冲护面,按允许越浪量不大于 0.05 m3/(s◦m)设计的堤防堤顶三面均应有保护。因此,堤顶采用混凝土路面,路面向内侧形成2%的泄水坡度,内坡采用干砌块石护面。外侧坡面根据本区域风浪情况选用栅栏板护面形式。

2.4 堤内排水措施

作为允许越浪的试验性项目,工程主堤按全线均越浪考虑,为解决越浪水体可以及时排除,避免对围内场地的影响,在堤后设顺堤向随塘河,将所有的越浪量都调蓄在随塘河里,同时兼顾围内场地的雨水排放,随塘河与已临近已建圩区内的排水涵闸连通,逢外海低潮位时通过涵闸排出。

3 模型试验验证

由于目前海堤越浪量和允许越浪量的计算方法不够完善,采用不同的经验公式计算的越浪量相差较大,按允许部分越浪设计的海堤应结合模型试验确定堤顶高程是否合适,为此委托河海大学对围堤断面进行了模型试验,为工程设计提供科学依据。经断面模型试验,在设计工况下越浪量为0.050 2 m3/(s◦m),大于计算数值。

针对模型试验与理论计算之间的差异,亦说明了允许越浪问题本身的复杂性,关于越浪计算的公式至今还是在一定试验条件下及适用于各个地方的经验公式,缺乏其通用性。而受试验条件、试验范围等因素的限制,越浪量室内试验成果也有一定的局限性,应进一步结合本地区特征进行更广泛的调研和深入研究。

4 结论与探讨

1)采用允许部分越浪的堤防设计可大大降低堤顶高度,节约工程投资,具有较大的现实意义。2)允许越浪的堤防设计的风险在于越浪量的大小和堤防的抗风浪能力,必须控制好安全的越浪量。3)国内外对越浪量计算已有不少的研究成果,但在推广使用中仍需谨慎,对于越浪计算公式的使用范围、不同地区的波浪特性仍应深化研究。

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