惠州某海堤结构优化研究

张 端，黄 哲

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；2.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏南京 210024）

引言

在沿海工程海堤设计中，通常通过规范规定，根据相关公式计算出海堤顶高程。在地形条件复杂的区域，波浪反射与叠加情况较为复杂，部分位置存在波能集中现象，导致波浪实际情况与理论值相差较大，将直接影响海堤结构稳定性及越浪情况，降低海堤防护能力，进而对后方建筑物的安全性造成影响。故需进行物理模型试验，并根据试验结果优化设计方案，得到在实际波浪条件作用下，满足结构安全及使用要求的海堤结构形式。

1 工程概述

惠州某填海项目设有东侧E5和西侧D6两个地块，东、西两地块之间设有泄洪通道，并由跨河桥梁相连。地块沿海处设有海堤，并与后方道路平行，两地块规划建设某化工园区。工程平面布置如图1所示。

图1 工程平面布置图

根据设计要求，本项目海堤安全等级为Ⅰ级，设计使用年限50年，防洪防潮越浪设计标准为200年一遇，海堤结构需稳定，越浪量不得超过0.020 m3/（m·s）。

根据项目所在地资料和附近项目数据，本工相关设计水位如下：

200 年1 遇极值高水位3.50 m（以当地理论最低潮位起算，下同）；100 年1 遇极值高水位3.30 m；设计高水位1.63 m；设计低水位-0.42 m；50 年1遇极端低水位-1.04 m。

2 原设计方案

在海堤结构设计过程中，为保证泄洪通道行洪要求，同时受桥梁底高程限制，泄洪通道处海堤边坡及结构形式较为固定。其中扭王字块码放层数为1层，高程为+1.81 m，并以此作为整个泄洪通道护岸及沿海段海堤的结构形式。根据《海堤工程设计规范》（GB/T51015-2014），计算各位置堤顶高程如表1所示。

表1 各位置堤顶高程理论计算结果

由波浪爬高计算出的堤顶高程较大，根据规范规定，在海堤允许越浪条件下，还应计算越浪量并检验符合规范规定的限值。

表2 各位置海堤越浪量理论计算结果

根据理论计算结果，确定D6地块海堤顶标高7.0 m，E5地块海堤顶标高均按7.2 m。同时，根据规范计算出各护面块体、垫层和护底块石稳定重量。各地块海堤断面结构如图2及图3所示。

图2 D6地块海堤结构断面示意图

图3 E5地块海堤结构断面示意图

其中，D6地块海堤挡浪墙顶高程+7.0 m，迎浪面设有反弧，外海侧采用5 t扭王字块体护坡，坡比为1:1.5，坡脚处扭王字块体外侧采用1.5 m×1.0 m×1.7 m的混凝土预制块进行支撑，单块块体重量为6t。堤脚采用800～1 000 kg护底块石。

E5地块南侧海堤结构形式与D6地块南侧海堤相近，挡浪墙顶高程为+7.2 m。

D6、E5两地块泄洪通道护岸与南侧海堤之间设置圆弧过渡段，过渡段位置海堤单侧长度43m，挡浪墙顶高程+7.0 m，迎浪面设有反弧，外海测采用5 t扭王字块体护坡，坡比为1:1.5，下部采用800～1 000 kg护底块石，抛石段顶高程为-3.62 m。

3 物理模型试验

3.1 试验波要素

根据地形特点，选取SE 向、SSE 向、ESE 向三个浪向的波浪开展试验，其中SE 向、SSE 向为外海来浪，波周期较长，ESE 向为小风区风浪，波周期相对较短。试验波浪要素如表3 所示。

表3 试验波浪要素

3.2 越浪量测点布置

本次试验共设置了17 个越浪量测点，其中D6地块7 个，E5 地块10 个，除圆弧段外，各测点间距均为50 m，越浪量测点布置如图4 所示。

图4 越浪量测点布置示意图

3.3 试验结果

1）稳定性试验结果

在200 年一遇高水位+200 一遇波浪条件下，通过模拟SSE、SE、ESE 方向波浪作用，验证结构及块体的稳定性如表4 所示。

表4 结构及块体稳定性统计表

在其他水位及波浪条件组合作用下，结构及块体均处于稳定状态。

2）越浪试验结果

在200 年一遇高水位+200 年一遇波浪作用下，及其他水位及波浪条件组合作用下，根据各测点越浪统计情况分析，均在规定值以内。

3）试验结果及分析

根据试验数据可得，各水位及波浪条件组合作用下，海堤及块体均处于稳定状态。在200 年一遇高水位和相200 年一遇波浪组合作用下，部分测点的越浪量超过规定值。相应点位及越浪量如表5 所示。

表5 超设计标准越浪量测点统计表

越浪量较大位置主要集中在泄洪通道与D6 地块海堤之间的圆弧段及E5 地块靠近圆弧段的南侧海堤处。

其中，泄洪通道与D6 地块海堤之间的圆弧段因海堤方向与波浪方向垂直，受波浪直接作用较大。同时，该位置还会受到桥梁及东侧圆弧段波浪叠加作用，因此越浪量较大，其中5#及6#观测点在部分条件下越浪量已超过规定值。

E5 地块海堤受东侧波浪传递影响，存在波能累积现象。同时，受到西侧圆弧段波浪反射影响，E5地块靠近圆弧段的海堤位置波能较为集中，其中11#测点在部分条件下越浪量已超过规定值。

而泄洪通道与E5 地块海堤之间的圆弧段因海堤方向与波浪方向较一致，受波浪直接作用较小，且不受地块南侧波浪传递累计影响，越浪量较小。

其余部分海堤受波浪叠加情况影响较小，越浪量较小。

4 方案优化

由于南侧海堤与泄洪通道护岸之间的圆弧过渡段扭王字块体护面顶高程较低，且与挡浪墙顶距离较大，会造成波浪反射、局部波高增大。因此对该区段海堤设计方案进行优化。优化结构如图5 和图6 所示。

图5 D6地块优化后海堤结构断面示意图

图6 E5地块优化后海堤结构断面示意图

优化方案以结构合理性及实用性为前提，考虑到节省成本及施工方便，对原有设计方案做最有效的调整。

考虑到项目成本，故不采用增加堤顶高程的方式，而是通过为对越浪量较高区域增加扭王字块高度的方式，增强其消除波浪的能力，优化区域波浪分布，从而减少越浪量。扭王字块加高后，坡顶高程提升至+3.51 m，

同时，根据实验数据，越浪量较大位置主要集中在泄洪通道与D6 地块海堤之间的圆弧段及E5地块靠近圆弧段的南侧海堤处。由此确定海堤优化范围为D6 地块圆弧段靠近外海侧35 m 范围及E5地块圆弧段靠近外海侧约35 m 范围，其他位置维持原设计方案。优化后升坡顶高程增高至3.51 m。

5 优化后效果

对优化后的海堤重新进行物理模型试验，检验结构、块体的稳定性及越浪量。

5.1 稳定性检验

通过实验数据可得，各水位及波浪条件组合作用下，挡浪墙、扭王字块体护面、混凝土预制块、护底块石均处于稳定状态。

5.2 越浪量检验

各水位及波浪条件组合作用下，所有观测点位越浪量均低于规定值，200 年一遇高水位+200 年一遇波浪条件下，各观测点位越浪情况有较大优化，相关数据如表6 所示。

表6 方案优化后各方向越浪量情况统计表

通过对比方案优化前后各测量点位越浪量数值，得出方案优化对整体越浪情况的改善效果。方案优化前后各观测点越浪量相关数据如图7 所示。

图7 方案优化前后各观测点越浪量数值对比图

通过数据对比可知，方案优化可有效改善海堤整体越浪现象。原设计方案中越浪量较高位置，在本次方案优化后越浪量均有所降低。同时，整体越浪情况相比原设计方案具有较大改善。

6 结论

通过物理模型试验，对地形条件复杂，波浪复杂的区域进行模拟，并基于实验数据，有针对性的对海堤结构进行优化，可很好满足工程设计要求。本次优化在惠州某项目中得以真实应用，通过优化海堤结构，加高圆弧段海堤扭王字块体护坡顶高程，缩小与挡浪墙之间的距离，消减波能，相关数据通过物理模型试验得以验证。该结构优化方式可为后续类似工程提供参考。