基于消浪效果的潜堤优化设计

梁伟 陈木灿 陈振道 连石水

摘 要：对海南某工程潜堤结构提出设计思路，通过物理模型试验方法，分析不同堤顶宽度潜堤的消浪效果，并进一步优化为双潜堤结构。结果表明，双潜堤结构具有较好的消浪效果，同时控制工程量。潜堤的优化过程和总结，可供类似工程参考。

关键词：潜堤 消浪效果 优化设计

1.前言

潜堤是一种淹没在水中的防护堤，主要以消浪作用在港口与海岸工程中得到广泛的应用。国内外对潜堤的消浪效果进行了大量的研究，其波浪透射影响因素非常多，主要有淹没深度、堤前水深、波高、波陡、结构形态、堤顶宽度等，导致堤后传递波高问题非常复杂。目前，潜堤堤后传递波高仍然主要通过物理模型试验来测定。

《防波堤设计与施工规范》中抛石潜堤的传递波高计算公式反映堤顶越高，潜堤消浪效果越好，但该公式仅体现堤顶高程对消浪效果的影响；邹红霞通过模型试验分析得淹没水深越小，堤顶相对宽度越大，消浪效果越明显；冯卫兵分析了淹没水深，相对堤顶宽度和波陡对消浪效果的影响。以上成果都是对单潜堤的研究，而且拟合公式差异较大，本文根据工程实例，结合物理模型试验结果，进行潜堤设计方案优化，总结潜堤结构对消浪效果的规律，可供类似工程参考。

2.项目概况

海南某人工岛目标定位是打造高端旅游产品，为“国际旅游岛”整体战略目标贡献力量。人工岛布设一条南北贯通水道，详见图1，水道内规划建设以游艇泊位，帆船泊位为主的水上娱乐休闲基础设施。

水道南北向长约2km，水道内宽度范围230m～530m，两侧内护岸为保证足够活动水域，拟采用直立式圆沉箱结构。人工岛外护岸采用斜坡式抛石结构，护面采用扭王字块体，堤顶设置挡浪墙，为防止波浪集中，外护岸结构掩护至水道南侧口门内约100m。

水道北侧口门离岸约800m，波浪较小，宽约400m，满足水体交换需要，可作为进出口通道；南侧口门临海，水深达到15m，波浪较大，宽约120m，缩窄口门以控制部分外海向水道内传递波浪。

极端高水位2.66m，设计高水位1.84m，设计低水位0.09m，极端低水位-0.65m。SSE向波浪为控制情况，设计波浪如表1，潜堤建设区域原泥面高程约-14m，下卧土层为细砂层及粘土层。

3.设计标准

水道内规划建设高端水上娱乐基础设施，游船的泊稳波浪条件成为潜堤设计的控制条件。水道内控制波浪要求采用游艇的系泊和作业标准：根据《游艇码头设计规范》，游艇系泊条件为极端高水位，50年一遇波浪H1%≤1.1m（顺浪）；作业条件为设计高水位，2年一遇波浪H4%≤0.25m。

4.设计思路及方案优化

4.1设计思路

南側口门无潜堤时，外海波浪直接通过口门向水道内传递。由于口门宽度有限，且两侧护岸采用斜坡式结构，波浪向水道内传递呈现出逐渐衰减的趋势，详见图2。在水道宽度较窄的范围内（口门后距离约250m），波高值衰减明显；在水道宽度扩大处（口门后距离约350m）以后，波高值区域平稳，极端高水位50年一遇H1%为2.08m；设计高水位2年一遇H4%为0.5m，不能满足波浪控制标准，因此需要在南侧口门采取措施进一步降低水道内波高值。

该工程拟在南侧口门建设潜堤，其主要作用包括两方面：一是涨落潮流可自由进入水道内，以保证水道内充分的水体交换；二是消弱外海波浪，使水道内波高达到游船泊稳要求，同时降低内护岸结构的波浪力，降低内护岸工程投资。

从平面布置上看，为防止波浪集中，潜堤布置在口门后距离50m处。根据南侧口门的水文地形条件，综合考虑工程投资，施工方便，工程结构衔接，消浪效果等因素，潜堤拟采用斜坡式结构。

为保障水体交换以及游客对海景的需求，潜堤设置为没水堤，潜堤堤顶越低，其水体交换周期越短，交换效果越好，但其消浪效果也越差。考虑水道北侧口门较宽，可满足水体交换要求，南侧口门主要控制外海传递波浪，潜堤堤顶设置一般选择相对深度a/H=0.5为宜，因此确定其顶高程-0.5m。潜堤消浪效果的控制性因素为堤顶高程和堤顶宽度，堤顶高程已经确定，因此消浪主要从堤顶宽度考虑。

为达到水道内控制波浪标准，即极端高水位50年一遇H1%需消减47%，计高水位2年一遇H4%需消减50%，因此建设潜堤的透射系数应控制为0.5。当相对宽度B/H=1～2时，即堤顶宽度7.2～14.4m，潜堤消浪效果最为明显，因此初步取堤顶宽度为15m。参考邹红霞拟合的潜堤在不规则波浪作用下的透射系数公式：

式中：Kt为透射系数；a为潜堤淹没深度；B为潜堤顶宽；HS为有效波高。计算得透射系数详见表2。

潜堤透射系数结果分析得：堤顶宽度15m时，可以达到较好的消浪效果。采用极端高水位50年一遇波浪时，潜堤堤顶宽度25m，透射系数可达到0.5，加宽堤顶可进一步降低透射系数；而采用设计高水位2年一遇波浪时，潜堤堤顶宽度20m以后透射系数维持不变。消浪趋势存在一定矛盾，水道南侧口门波浪影响复杂，或许存在未考虑的影响因素，因此拟采用物理模型试验测定波高，进一步验证潜堤消浪效果。

潜堤结构设计方案：堤顶高程-0.5m，堤顶宽度15m，堤心采用抛填开山石，护面32t扭王块体，坡度1：1.5。详见图3。根据物模试验结果，堤后波高值明显降低，极端高水位50年一遇H1%波高值降低至1.42，波浪透射系数0.68；设计高水位2年一遇H4%波高值降低至0.36m，波浪透射系数0.72，潜堤消浪效果较为明显，但仍然不能满足波浪控制标准，需要对设计方案进一步优化。

4.2方案优化

优化方案一：单潜堤，顶宽25m。在设计方案的基础上，加宽堤顶宽度。物模波浪试验结果表明堤后波高值进一步降低，但是效果并不明显，极端高水位50年一遇H1%波高值为1.36，设计高水位2年一遇H4%波高值为0.29m。而优化方案一相比设计方案堤心石工程量增加38%，护面扭王块工程量增加17%。

优化方案二：单潜堤，顶宽50m。在优化方案一的基础上，继续加宽堤顶宽度。物模试验表明再加大宽度的潜堤进一步衰减波浪，但是收效甚微，极端高水位50年一遇H1%波高值为1.08，设计高水位2年一遇H4%波高值为0.28m。堤后波高值接近控制标准，但工程量巨大，相比设计方案堤心石工程增加133%，护面扭王块工程量增加59%，投入与收效严重不平衡。

优化方案三：双潜堤，中心间距50m，单个堤顶宽8m。从优化方案一、二相对设计方案分析得：当堤顶相对宽度达到一定数值时，继续增加堤顶宽度对堤后波高的影响程度越来越小。若继续加宽堤顶宽度可进一步降低堤后波高值，但需求的工程量太大而不经济。因此提出加宽波浪影响的有效宽度，扣除部分堤心，优化结构为双潜堤的思路，详见图4，如此既能降低了堤后波高值，又控制了工程的增加。根据物模波浪试验结果，极端高水位50年一遇H1%波高值为1.04，设计高水位2年一遇H4%波高值为0.16m，满足波浪控制标准要求。相对设计方案，消浪效果作用明显，堤心石增加工程量52%，护面扭王字块体与优化方案二相当。各优化方案的消浪效果及工程量变化详见表3。

从表3得出，双潜堤方案具有较好的消浪效果，能满足水道内游艇系泊及作业要求，同比宽单潜堤节省工程量，因此最终采用双潜堤方案。

5.结语

（1）當单潜堤相对宽度增加到一定数值时，继续增加相对宽度对堤后波高的影响的程度越来越小。

（2）相对单潜堤，有相同堤顶有效宽度的双潜堤结构消浪效果更好。

（3）对掩护重要建筑物的潜堤结构设计，应进行物理模型试验来测定波高值，使潜堤设计满足使用要求，且经济合理。

参考文献：

[1]JTS 154-1-2011.防波堤设计与施工规范[S].

[2]邹红霞，陈国平.不规则波作用下潜堤头设计系数的计算方法及统计分布[J].水运工程，2010（03）：11-16.

[3]冯卫兵，王明明，崔川川.潜堤透射系数的试验研究[J].水运工程，2012（09）：1-6.

[4]JTS 164-7-2014.游艇码头设计规范[S].[5]海港工程设计手册（中册）[M].1版.北京：人民交通出版社，1997.

[6]三亚新机场临空国际旅游商贸区填海工程整体物理模型试验[R]，南京：河海大学，2016年.