斜坡式海堤设计思路及设计方法

王 东

(中交水运规划设计院深圳有限公司，广东 深圳 518067)

1 工程概况

某海岸为天然岸线，5 m等深线内浅滩距岸线约1.5 km，20 m等深线距岸线约4.0 km，两处等深线距离仅为200～300 m。海岸常年受到暴潮、波浪的侵蚀，潜在诸多安全隐患，因此，海堤设施的建设至关重要。在本工程中，对海堤按照重现期50年设计波浪进行加固，切实发挥出海堤结构的防护作用。

2 工程水文及波浪资料

从现场的水文波浪资料出发，组织设计工作。周边存在类似的工程案例时，多途径收集相关的水文波浪资料，以此为参考分析现场情况，准确掌握本项目的水文及波浪特性。对于无类似工程的则根据既有的资料推算，部分资料残缺时以设点实测的方式获取。

1)水文资料。在本工程中，用秀英站逐时潮位资料计算设计水位，在分级处理时将潮位10 cm视为一级，则取历时98%为设计低水位，历时1%为设计高水位。

按照前述提及的方法操作，得到：年最低、最高潮位分别为-0.06、4.01 m；年平均低潮位、高潮位分别为0.95、2.13 m；设计低水位、高水位分别为0.64、2.67 m。

2)波浪资料。工程所在区域的极限波浪主要与现场的台风浪有关，根据地形走向推测大浪的流动方向，认为是外海深水区NE或NW传入，据此推算各方向的重现期波浪要素，再进一步结合规范展开分析，提出重现期波浪要素，将此过程中产生的推算结果作为设计时的参考。

3 海堤设计方案

3.1 堤顶高程

按照如下方法计算，求得堤顶高程Zp(m)：

Zp=hp+RF+A

(1)

式中，hP为设计频率的高潮水位，m；RF为累计频率为F的波浪爬高值，m；A为安全加高值。

在分析堤顶高程时，需考虑到该指标的两层含义，即防浪墙顶面、堤身断面顶面，具体视实际情况做针对性的考虑[1]。堤顶临海侧有防浪墙并且此部分结构完整、稳定时，考虑防浪墙顶面即可，将其作为设计堤顶高程，但该值至少需超过设计高潮位0.5 m。

堤顶高程与允许部分越浪应形成相协调的状态，为达到此方面的要求，可根据式(1)展开计算，得到某高程值，然后从该数据出发进行分析，若该高程越浪量超过允许越浪要求，则该计算结果缺乏可行性，有必要重新确定，例如加高堤顶，得到合适的结果。海堤前波浪较猛烈时，为有效减小其带来的不良影响，可对堤顶、背海侧坡面做加强处理，或辅以人工消浪措施，以可行的方法有效控制越浪量，将其稳定在合理的区间内。

此外，除了满足防控层面的要求外，沿海(江)堤防还需具有景观属性，因此，考虑堤顶高程的要求，在许可范围内适度放宽该要求，但需注意的是，必须完成越浪水量的计算工作且该值应具有合理性，同时适配排水系统，将其高效接驳至所在城市的排水系统，以免出现排泄不畅的情况。

按照式(2)计算累计频率为1%的爬高R1%(m)：

R1%=KAKUR1H1%

(2)

式中，KA为糙渗系数，取0.55；KU为与风速有关的系数，取1.24；R1为KA=1、H=1 m时的爬高，取1.28 m；H1%为相应累计频率的波高。

根据前述公式展开计算得到相应的结果；同时考虑到越浪量、造价、结构的观赏性多重要求，做适当的优化，最终得到挡浪墙高程值，即5.0 m。

3.2 越浪量的计算

海堤的损毁受多方面因素的影响，其中超标准潮浪的越浪水体作用是主要的因素，其会严重损伤海堤。在设计中，需要充分考虑到越浪量的合理性，对该值采取有效的控制措施。若越浪量超出许可范围将对堤身造成破坏性影响，迫使该结构受损。

在越浪量的计算中，较为常见的是采用简单单坡和陡墙模型试验，但此类方法的局限性较强，例如计算公式单一、适用范围有限，同时计算结果的精度难以得到保证，尤其是在复杂断面海堤的计算中结果明显缺乏可行性。为了全面提升越浪量计算的准确性，有必要组织断面物理模型试验[2]。根据前述分析，考虑的是5.0 m的堤顶高程，在此条件下确定的越浪量为0.172 m3/(s·m-1)，该值在许可范围内，具有可行性。

3.3 堤身断面设计

综合考虑波浪要素及海堤等级，由此确定合适的堤顶高程，再根据既有信息展开稳定计算，对已经得到的尺寸数据做多次调整，直至得到尺寸合理、经济高效的断面设计方案为止。在对断面做出调整时，需要在许可范围内降低堤顶高程，具体考虑断面内部和断面形式两个方面，以此为着力点做精细化的调整。

3.3.1 断面内部的调整

边坡、护面、高程是断面内部调整时的三大关键内容。在采取放缓边坡的调整方法后有利于增强断面的稳定性；经过对护面结构的调整，能够在不影响断面形状的前提下有效削减波浪爬高，进而达到降低堤顶高程的设计效果。

3.3.2 断面形式的调整

根据堤身的结构特点，设置相配套的消浪平台，此时位置的控制较为关键，以多年平均高潮位加50 cm超高处较为合适，在此方式下有利于减小波浪爬高，增强断面的稳定性。堤前水深较大时推荐采用设置潜堤的方法，此时可在一定程度上减小波浪爬高。对于堤心填料，以10～100 kg块石较为合适，但对于石料供应能力有限的地区，可采用其他优质材料，例如开山石、石碴，但各项指标均要满足要求。根据前述提及的思路，结合工程所在地区的材料供应情况，认为采用大型冲砂袋较为合适，其能够解决石料来源不足的问题。

消浪平台设在高程3.5 m处，该平台宽度按5.0 m予以控制，此布置方式下可减少越浪量；除此之外，对前沿挡浪墙临海面结构做深度的优化，将该部分设置为半径0.5 m的圆弧形，此时也有助于减少越浪量。护面结构选择的是2～3 t四脚空心方块。

3.4 护面的强度设计

3.4.1 临海面护面的设计

根据结构完整性、抗冲刷性、消浪等方面的要求合理设计临海面护面。在结构设计中分两个部分做细分考虑，其中上部需承受波浪的打击，下部需承受波浪对其的持续性掏刷作用。由于外部的作用较强，因此，护面结构必须具有足够的稳定性。对于波浪较大的开敞海，此环境下的护面结构可考虑扭王字块、四角空心方块等，部分区域波浪较小时，可考虑预制栅栏板，原因在于此类结构兼具抵御能力和美观性。在护面设计时还需在底部做好反滤，于坡面设适量的排水孔。

具体至本工程中则考虑到水深和波浪状态，分多种情况展开设计，得到针对性的护面结构方案。具体而言：水深较浅、波浪较小时采用2 t四脚空心方块；水深较大、波浪较大时适当增强防护，采用3 t四脚空心方块；对于堤岸两端临近河的出海口，由于该部分的掩护条件较佳，不存在明显的波浪影响，因此，采用更具美观性的栅栏板，经过组合后形成完整的护面结构。

单个护面块体稳定重量W(t)，按式(3)计算：

(3)

式中，γb为块体重度，kN/m3；H为设计波高，m；KD为块体稳定系数；γ为水的重度，kN/m3；A为斜坡与水平面夹角，(°)。

不同堤面标高下各项参数的取值情况，如表1所示。

表1 护面块体稳定重量计算表

为明确护底块石稳定重量，基本前提在于确定护脚最大波浪底流速，以便根据该流速值确定较为合适的护底块石稳定重量。对于护脚最大波浪底流速Vmaxm/s，可按式(4)展开计算：

(4)

式中，H为设计波高，m；d为堤前水深，取5.3 m；L为设计波长，m。

将已经确定的参数代入式(4)，经计算后发现Vmax=2.8 m/s，结合现场水文条件，考虑水流流速为3.0 m/s的情况，分析后确定块石的稳定重量，即150 kg，对于设置在堤前的护底块石而言，该值应取100～200 kg。

3.4.2 堤顶的强度

堤顶是海堤结构组成中的重要部分，其需要有效满足越浪的强度要求。综合考虑堤顶的功能属性(兼作防汛公路)，宜采用混凝土结构，构成结构完整、受力性能可靠的堤顶。除此之外，考虑到堤顶护面结构的平整度要求，加强对堤身填土质量的控制，即该部分的沉降、固结量应当基本完成，以此确保建设成型的堤顶具有稳定性。

3.4.3 背海侧面

部分浪花越过防浪墙，与堤顶或后坡接触并伴有较强烈的碰撞，在此作用下流速于短时间内大幅度降低。根据该特点明确背海侧坡的防护要求，即该部分应当稳定承受垂直于坡面的冲击力，由此围绕“透水、消能”两个方面的要求展开背海侧面的设计工作，最终得到可行的设计方案。

4 结束语

海堤工程的设计具有系统性，需要考虑到现场水文条件、防护要求等，对某项因素考虑不周时，取得的设计方案均有可能偏离实际环境，导致建成的海堤结构难以发挥出应有的安全防护优势。因此，在设计时需要遵循因地制宜的原则，反复比选计算，确定各部分的具体参数，得到综合应用效果较佳的设计方案，以此为指导，由专员开展建设工作，最终建成高质量的海堤结构。

[ID:013350]