某带有消浪平台的斜坡式护岸结构的优化设计

李增辉，徐 杰

（1、中国港湾工程有限责任公司 北京100027；2、中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

1 工程概况

某港口项目位于斯里兰卡科伦坡市市中心，是一个无掩护条件下的大型围海造地工程，项目通过吹填为城市建设提供用地，形成陆域总面积约为269公顷，地基处理以后交工标高+4.0 m。整个陆域北侧为现港口的防波堤，东侧为现有市政道路，西侧和南侧由1道新建环式主防波堤和南北2 道拦砂潜堤、1 道新建护岸结构连接在一起为整个新造陆地进行掩护，目的是减少造陆用吹填砂流失以及减少波浪对吹填造地区的影响。西侧防波堤布置在等深线约-20 m 处，南侧防波堤基本垂直于等深线布置，防波堤总长3 245 m。防波堤与陆域护岸间的水域在+0.0 m 水位时的水域宽度约300 m。

工程主体由陆域吹填、内外防波堤、南北拦砂堤、游艇码头外护岸、游艇码头、运河护岸等结构［1］组成，其平面布置如图1所示。

2 护岸功能和平面布置

游艇码头外护岸主要为后方游艇区域提供掩护，和外防波堤构成防护体系以减少从南口进入人工沙滩和运河区域的波高，游艇码头外护岸结构设计年限按50年考虑。

图1 项目平面布置Fig.1 General Layout

游艇码头外护岸从平面形态上可分为直线段、弧形段。其中直线段与高尔路直立式护岸相接；弧形段位于游艇码头南部，南部与拦沙堤相接，西部延伸至游艇码头口门附近。游艇外护岸总长为980 m，其中直线段K0+000～K0+472.5 与海岸斜交，端部与高尔路相连，此段为直立式护岸；弧形段（K0+472.5～K0+980）受西南向浪正面影响，为了满足EPC 文件对越浪的要求，该区域堤身采用宽肩台斜坡堤结构。

K0+472.5～K0+980 段游艇外护岸设计是难点，其设计需要考虑以下因素：①满足结构在100 年波浪下稳定要求；②为了不影响后方土地价值，挡墙顶标高不宜超过+5.0 m，在此条件下需满足EPC 合同对越浪标准［2］的要求，即设计高水位下100 年一遇波浪下越浪量需小于50 L∕（s·m）；③采用砂堤心以尽量减少块石用量，以解决市区块石供应的难题。

3 主要设计条件

该市所处海域属于不规则半日潮，日潮不等现象明显。NHO Chart 101 海图水深起算面为普通大潮低潮位（LWOST），该基面位于该国平均海平面以下0.42 m。依据本港SLPA 潮位实测资料，本海域NE 季风期平均水位变化幅度比SW 季风期要大0.2～0.3 m。平均高水位、低水位、设计高水位分别为0.7 m，0.1 m，1.2 m。

该市属热带季风气候，海域风浪常年存在，西南季风期（5～9 月），西南方向风浪较大；东北季风期（12月至翌年2 月），风浪与涌浪方向差别较大。根据3D物理模型试验实测的波浪结果，游艇外护岸的设计波高条件如表1所示。

表1 设计波浪Tab.1 Design Wave Conditions

4 宽肩台斜坡式护岸结构原设计方案

游艇码头外护岸受西南向浪正面作用，越浪量是护岸断面拟定的最重要因素。而挡墙顶标高受后方用地景观限制不能高于+5.0 m，设置宽肩台消浪结构以减少越浪成为最为经济可行的选择。

在一定条件下，宽肩台的消浪效果是显著的，而要使平台达到最好的消浪效果，关键在于确定平台的最佳高度和宽度［3，4］。参考国内外的学者研究成果及《海堤工程设计规范：SL 435-2008》［5］中复式斜坡堤建议范围，初步设计修建消浪平台的设计标高为+1.5 m，处于设计高水位+1.2 m附近，平台宽度15 m，取3倍设计波高4.7 m。肩台上扭王字块的稳定重量则采用依据Hudson公式［6］初步拟定，并经波浪物理模型试验结果最终确定。

式中：H 为有效波高；△为块石于水的相对密度；Dn为护面块石的中值粒径；Ns为稳定系数；KD为块体稳定系数；α 为斜坡与水平面夹角。计算结果如表2所示。

表2 原设计方案护面块体稳定重量计算Tab.2 Stabilized Weight Calculation of Armour Concrete Unit of the Original Design

为减少块石用量，游艇码头外护岸采用两级棱体形成的抛沙堤心。消浪宽肩台宽15 m，高程+1.5 m。护面采用10 t 扭王块护面，厚2.1 m，垫层采用700～1 400 kg块石，厚1.4 m，坡度为1∶1.5。上部挡浪墙采用C30现浇素混凝土结构，底高程+0.9 m，顶高程+5.0 m，后方陆域回填最终标高为+4.0 m，其原设计断面如图2所示。

图2 原设计断面Fig.2 Section of Revetment of the Original Design

上述宽肩台护岸断面采用物模手段［7］对结构稳定和越浪进行了验证，结果表明在各水位波浪连续作用6 h 后，特别在重现期200 年和重现期200+20%年波浪作用下，断面各部分均保持稳定；在高水位+100年一遇波浪时，最大越浪量为29.2 L∕（m·s），小于EPC中50 L∕（m·s）的要求，满足合同和规范的相关要求。

5 优化方案断面

项目实施过程中，为加快外防波堤的施工进度，在完成游艇码头外护岸下方回填砂和堤心石等一级棱体平台的建设后，施工单位于其上修建了通往外防波堤的临时通道，如图3 所示，临时通道顶高+2.0 m，宽15 m，临时通道使用结束后再进行护岸剩余结构的施工。然而此时发现，如果继续按原设计断面施工，需将临时通道反挖至原垫层块石底标高-2.0 m。反挖部分全部位于水下，施工困难工序复杂且工程量巨大，影响项目工期。

图3 施工通道位置Fig.3 Temporary Construction Access Location

为此，提出将消浪平台从+1.5 m 抬高至+3.0 m 以减少水下反挖工作量以方便施工。针对肩台抬高后对景观的影响进行评估并获得业主同意。宽肩台抬高到+3 m 后，波浪在15 m 宽肩台上爬升过程中波浪能量得到大大削减［8，9］，不仅可以有效减少越浪量，还降低上部结构所受的波浪作用力，这对块石稳定是有利的。

因此优化方案中在消浪平台最外侧波浪作用最大区域设置了3 排扭王字块，其余平台以及以上区域考虑到肩台消浪后有利作用，采用的2 000～3 000 kg的护面块石结构，而挡墙的顶标高维持+5 m 不变，拟定的优化断面如图4所示。

图4 初步优化断面Fig.4 Section of Revetment of The Optimization Design

为了验证优化断面的结构稳定以及越浪量，采用波浪物理模型试验进行验证（见表3）。根据试验结果［10］，优化断面在100 年一遇波浪下的越浪量为28.72 L∕（m·s），基本与+1.5 m 肩台的差别不大，满足了越浪量的要求；但在200 年一遇波浪连续作用后，2～3 t 护面块石的稳定数Nod达到2.39，不满足Nod＜2 的块石稳定标准。

表3 上部采用2～3t护面块石的波浪物理模型试验结果Tab.3 Test Results of Physical Model Experiment with 2～3t Rock

表4 上部采用2～5t护面块石的波浪物理模型试验结果Tab.4 Test Results of Physical Model Experiment with 2～5t Rock

针对表3 试验结果，对游艇外护岸护面块石稳定重量进行加大到2～5 t，并再次在物模试验中进行验证（见表4），物模结果显示在200 年一遇波浪连续作用后，2～5 t大块石稳定数Nod为1.01，满足了护面块石Nod＜2的标准，优化断面获得业主和咨工的批复。

6 结论

在满足EPC 合同以及规范要求前提下，本文结合临时施工通道和波浪物理模型试验结果，提出了抬升消浪平台高程并优化上部护面块体的新方案，通过波浪物理模型试验对优化方案进行验证，优化方案的结构稳定以及越浪量满足要求。优化方案满足了现场快速施工的要求，避免水下块石反挖工程量，节省了造价，可供其他类似工程项目参考。