强涌浪海域海塘防护的技术实践

邵燕华，袁文喜，孙 杰

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的引出

素有“浙江抗台第一坝”之称的栲门大坝位于岱山岛北部，所处海域南侧主要有秀山岛和舟山本岛，东偏南侧主要分布中街列岛，在工程西北侧分布崎岖列岛，而川湖列岛、嵊泗列岛、马鞍列岛及衢山岛等主要集中分布中工程的东北侧海域（见图1）。栲门大坝采用削山填海形式构筑，基底为岩石，坝身由石渣、块石构筑，内坡1:1，外坡1:2，一坡到底，护面采用干砌块石。大坝全长450m，以中柱山为界，由北坝和南坝组成，其中北坝长170m，南坝长280m。工程始建于1972年，完建于1974年。自1976年始，该坝每年受到台风不同程度的破坏，尤以“1979年10号”台风“1983年10号”台风及“1997年11、16号”台风的破坏最为严重。

图1 工程位置图

1998年大坝进行了大规模的修复，邱宜伦[1]等人对栲门大坝加固工程总结了技术措施。但在经受2004年的“云娜”“蒲公英”台风和2005年的“麦莎”“卡努”等台风的冲击后，大坝迎海侧扭王块体移位、破碎，消浪平台部分裂缝，面层部分损毁，坝脚扭王块体外抛石体大部分冲失，部分平台基础底部掏空，2006年大坝再次进行了加固。

2006年，再次经历数次台风的侵袭后，护面结构仍遭到了一定程度的破坏，所暴露出来的主要问题是坝脚护底块石被冲损所剩无几，造成坝脚涂面被刷深，坝脚处经常因淘空悬挂而倒塌，从而使得大坝外侧堤脚扭王块体部分因失稳或冲刷或断肢，大坝仍存在安全隐患[2]（见图2～图3）。

图2 扭王块体消浪段的部分扭王断裂图

图3 扭王块体消浪段的部分扭王被冲走图

栲门大坝建成后已反复抢修，不但耗费大量人力物力，而且直接威胁当地人民生命财产安全。分析屡修屡毁的原因，主要为该工程位于强涌浪海域，且地形复杂，岛屿众多，常规的波浪计算方法和防护措施不适用于本工程。因此，针对涌浪海湾区域，需考虑复杂地形条件下的波浪折射、绕射、破碎、底摩擦波能损失等因素，采用数学模型进行波浪分析，根据其波浪特性采取防护措施。

2 工程海域波浪数值模拟[3]

2.1 计算方法及计算条件

MIKE21系列软件是有丹麦水工所（DHI）开发的商用水力学计算软件，其中的SW模块能够精确模拟大范围的波浪传播情况，现已为广泛应用于海洋、近海工程水动力数值模拟。SW是基于波作用守恒方程，采用波作用密度谱N(σ，θ)来描述波浪。波作用密度与波能谱密度E(σ，θ)的关系为：

式中：σ为相当频率（Hz）；θ为波向（°）。

在笛卡尔坐标系下，MIKE 21SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示为：

式中：v指波群速度（m/s），=(Cx，Cy，Cσ，Cθ)；Cx、Cy分别表示波作用在地理空间(x，y)中传播时的变化；Cσ表示由于水深和水流变化造成的相对频率的变化；Cθ表示由水深和水流引起的折射；S为能量平衡方程中以谱密度表示的源函数。式中传播速度均采用线性波理论计算：

式中：d为水深（m）；为流速（m / s），U=(Ux，Uy)；k=(kx，ky)为波数（m-1）；s为沿θ方向空间坐标；m为垂直于s的坐标。

在球坐标系下：

式中：R为地球半径（m）；φ为纬度（°）；λ为经度（°）。

波作用守恒方程的形式为：

式中：为总的源函数；，σ，θ，t)=SR2cosφ。MIKE 21SW模型中的源函数项描述了各种物理现象的源函数的叠加：

式中：Sin为风输入的能量（J/m2）；Sn1为波与波之间的非线性作用引起的能量损耗（J/m2）；Sds为由白帽引起的能量损耗（J/m2）；Sbot为底摩阻引起的能量损耗（J/m2）；Ssurf为由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量损耗（J/m2）。波浪数学模型计算范围见图4，栲门大坝局部水下地形见图5。

图4 波浪数学模型计算范围图

图5 栲门大坝局部水下地形图

计算潮位采用岱山水文站资料统计；设计风速采用普陀山气象站资料统计；计算波浪深水波要素采用嵊山海洋站作为数学模型边界。

2.2 模拟结果

在不同水位作用下，ESE、E、ENE、NNE和N向50a一遇波浪传播至栲门大坝附近大部分已发生破碎，工程设计波要素主要受当地水深影响。在几个方向波浪传播过程中，无论对与栲门大坝的北坝还是南坝大体上都是以E向为主要控制波向。E向50a一遇波浪+ 50a一遇高潮位波浪计算结果见表1，E向50a一遇波浪+多年平均高潮位波浪计算结果见表2。

表1 E向50a一遇波浪+ 50a一遇高潮位波浪计算结果表 m

表2 E向50a一遇波浪+多年平均高潮位波浪计算结果表 m

2.3 结果分析

波向E由外海传入，经过大、小岛屿绕射后，传播至近岸区发生浅水变形，最后破碎。岛屿对海域的浪、流情况形成一定的影响，波浪传入近岸会发生浅水效应，尤其是遇到障碍物后的绕射将会改变浪向继续传播，并在掩蔽区内发生波浪扩散。工程区波浪往往表现为风浪与涌浪的混合浪，波长长，能量大，破坏强。大坝两侧山体与大坝形成“凹角”，有可能在其附近的堤段产生波能集中的现象[4]，而形成波高增幅。在地形上增设大坝后，工程附近的波高产生一定的增幅，这是由入射波与斜向反射波相互叠加或几个反射波斜交引起的波能集中现象。大坝南坝与北坝分别和岱山岛岸线以及次蓬山形成一个小于180°的凹角。凹角的存在有可能在其附近的堤段前产生波能集中的现象，特别是在凹角小于150°时，由波能集中而形成的波高增幅更加明显。以北坝为例，E向来波在北坝形成的反射波与次蓬山的入射波相互叠加形成短峰波系，使大坝有效波高增大，特别是靠近凹角的部位。

3 工程防护措施

根据波浪分析，大坝主要受到E向混合浪作用，在设计高潮位时，坝前设计波浪达最大达到5.10m，波长长达172.3m；在平均高潮位作用下，波浪破碎，波长长达149.8m。从历次修复原因分析，大坝主要存在问题是扭王块体外侧防冲块石基本被冲失，导致坝脚被剧烈淘刷，引起扭王块体基底抛石掏空，从而导致扭王块体失稳后断肢或冲失。考虑到2006年加固设计扭王块体外侧抛石质量过小，无法起到防冲护脚的作用，因此提出对扭王块体外侧坝脚的稳定性进行重点加固，利用沉箱（或称混凝土预制块）来保护扭王块体。加固内容主要考虑补充和重新摆放扭王块体，并在其外侧安放混凝土预制块，混凝土预制块体尺寸长×宽×高：4.0m×3.0m×1.5m，单块重41.4t。

该工程于2012年4月开始沉箱施工，混凝土预制块结构分二期浇筑，一期采用钢筋混凝土空箱型式（单重15.2t），壁厚35cm，二期采用埋石混凝土填充密实（单重26.2t）。由于施工环境恶劣，且需要侯潮施工，施工单位抢潮作业，增加施工难度。工程施工总工期计划为274d，根据初设阶段投资概算，工程静态总投资1086万元，其中建筑工程投资794万元。工程于2012年6月6日开工， 2013年7月8日完工，工程实际工期为397d[5]。栲门大坝坝脚保护断面见图6，栲门大坝除险加固完工面貌见图7。

图6 栲门大坝坝脚保护断面图 单位：cm

图7 栲门大坝除险加固完工面貌图

4 结 语

强涌浪海湾地形复杂，水深大，涌浪汹涌，岛屿的绕射折射及波浪的非线性作用明显。堤脚的防冲保护对海塘的整体安全十分重要。栲门大坝堤脚设计采用单重41.4t混凝土预制块措施，能较好的保护堤脚不被底流冲刷，从而增加外侧扭王字块体的稳定性，保证了整个大坝的安全。2015年7月，强台风“灿鸿”在浙江省舟山登陆，栲门大坝堤脚经受强台风考验，能较好的起到稳定保护堤脚的作用，可为类似强涌浪海湾区域海塘工程防护提供借鉴。

[1] 邱宜伦，戎善飞，张成方.岱山县栲门大坝加固工程的技术措施[J].浙江水利科技，2002(3)：84- 85.

[2] 浙江省水利水电勘测设计院.浙江省岱山县栲门大坝除险加固工程初步设计报告（报批稿）[R].杭州：浙江省水利水电勘测设计院，2011.

[3] 河海大学.岱山县栲门大坝加固工程波浪数学模型计算报告[R].南京：河海大学，2011.

[4] 钟瑚穗，潘峰，过达.凹角堤段波高增幅的整体模型研究[J].河海大学学报，2002，30(3)：11- 14.

[5] 浙江省水利水电勘测设计院.栲门大坝加固工程单位工程暨合同工程完工验收设计工作报告[R].杭州：浙江省水利水电勘测设计院，2015.