带肩台坡式护岸结构在海上人工岛的应用

邓涛，龙俞辰，陈良志

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

对许多沿海城市而言，有限的土地资源与不断扩张的城市建设之间的矛盾日益显著，需向海边开辟新土地，填筑式人工岛常被规划为新型城市综合体、升级改造大型机场、高端物流园、国际医疗旅游示范区等城市乃至国家重要窗口。

护岸结构为人工岛高价值土地提供掩护，其后方一般设置有公共活动空间或景观带，因此往往对护岸的顶标高和越浪量有着严苛限制。研究表明[1-4]在迎浪斜坡上设置肩台以削减波浪作用具有良好的效果，不仅能减少护岸结构的越浪，还能增加护面块石的稳定性。因此在国内外护岸或海堤工程建设中，在迎浪侧设置肩台较为普遍，特别在波浪较大条件下成为一种较好的解决方案。

针对肩台对越浪量消减和护面块石稳定折减的计算，国标尚无明确的计算方法，总结肩台对越浪量以及稳定性的计算方法，拟定满足功能要求的肩台宽度、肩台标高、选择坡面块石稳定重量等，为带肩台的海堤和护岸设计提供依据十分必要。

1 带肩台的越浪分析方法

带肩台的复式海堤越浪量的计算，常用方法包括EurOtop II（2018）中经验公式[5]、人工神经网络法[6]以及一些文献计算方法[4]。EurOtop II（2018）越浪量公式考虑了肩台、坡比、波陡、斜向浪、挡墙等多种因素的影响，其计算方法参见式（1）～式（5）。

平均越浪量为：

最大越浪量限值为：肩台折减系数γb考虑了肩台高程影响系数rdb和肩台宽度影响系数rB，见式（3）～式（5）。

式中：q为单位时间单宽的平均越浪量，m3/（s·m）；Hm0为堤脚处入射波高，m；Rc为静水位至堤顶的垂直高度，m；B为肩台的宽度，m；db为肩台处水深，m，以水下为正；LB为肩台上下1倍波高Hm0与坡面2个交点的水平长度，m；γf为护面形式影响系数；γβ为波浪斜向入射系数；ξm-1，0为破波参数为波陡；γv为挡墙影响系数；γ*为挡墙的综合影响系数；Ru2%为2%波浪爬高，m；α、β分别为护岸坡度及波浪斜向角；g为重力加速度。

结合式（1）～式（5），海侧消浪肩台对越浪量的影响表现为：1）越浪量随着肩台宽度的增加而减小，但随着肩台宽度达到2Hs后折减趋于平缓，一般规定[7]肩台宽度宜为0.5～2.0倍设计波高；2）肩台设置在静水面时对越浪的减小最为显著，随着肩台与静水位距离的增大，对越浪折减的效果逐渐减弱，一般规定[7]肩台高程宜定在设计高水位上下各0.5倍设计波高范围以内。

2 带肩台的护面稳定分析方法

大量研究表明[8-9]，在海侧设置肩台不仅可以有效减少越浪量，还可以增强护面结构稳定性。Van der Meer[8]通过引入块石稳定系数fi考虑肩台折减作用，fi通过查图得到，与肩台宽度、肩台水深以及上下坡度有关，但研究仅针对肩台位于水位或水位以下，且肩台上下边坡坡度限制为1∶5～1∶7。

Van Gent[9]通过一系列精心设计的物模实验，研究了肩台的宽度、高程、以及坡度和波陡对块石稳定性的影响，通过引入肩台位置系数γpos和宽度系数γberm，对Van der Meer块石稳定公式中破坏数Sd进行修正，以此来考虑肩台对块石稳定的有利作用。其中块石破坏数Sd=Ae/Dn502，可理解为从侵蚀区滚落的边长为Dn50的块石数量。

对于肩台以上坡面：

对于肩台以下坡面：

肩台处：

式中：Dn50为块石中值粒径，m；Hs和H2%分别为有效波高和2%波高，m；Δ为相对密度；γpos和γberm分别为肩台位置和肩台宽度的折减系数；α为坡度；RB为肩台侵蚀区宽度；N为入射波数量；P为结构名义渗透系数；cplunging为卷跃破波系数；γR为肩台侵蚀系数。

结合式（6）～式（12），肩台对护面块石稳定性影响表现为：

1）肩台以上坡面稳定性。带肩台结构的块石稳定性较单坡形式有明显增强，其折减程度受肩台高程、宽度、坡比以及坡陡的影响，肩台和陡坡组合时较缓坡折减更多。

2）肩台以下坡面稳定性。当肩台高于或低于水位时，对下坡块石均有折减作用；淹没肩台的折减系数与肩台宽度和位置有关，而波陡以及坡比没有发现明显影响；出水肩台的折减系数则与肩台宽度、肩台位置以及ξm-1，0有关；肩台刚好在水位处时（db=0），没有发现肩台对下坡块石稳定有折减作用。

3）肩台处稳定性。肩台破坏发生在海侧坡肩处，坡肩处侵蚀宽度RB与下坡破坏数Sd以及肩台位置有关，在肩台侵蚀宽度外的稳定性较好。

3 案例分析

3.1 工程概况

某工程位于菲律宾帕赛市，计划填海形成3个大型人工岛，项目陆域总回填面积约396 hm2，回填砂量近1亿m3，为回填砂提供防护的斜坡式护岸结构总长12.5 km，工程区水深-3～-10 m，项目平面图见图1。

图1 实例填海项目平面布置图Fig.1 Plan layout of reclamation project in the case study

项目设计使用年限为50 a，护岸结构不同重现期的设计波浪参数如表1所示，受台风浪影响以及护岸前沿水深较小的原因，设计波浪表现为波高较大且不同重现期的波高差异小。工程位于强震区，工程区域设计重现期（475 a）的基岩地震峰值加速度PGA为0.4g，最大震级可达8.2级。

表1 护岸设计波浪及水位条件Table 1 Design wave and water level conditions of revetment

3.2 设计标准

考虑越浪水体对护岸后方财产设施、行人安全以及排洪能力的影响，合同规定允许的越浪量标准为：1）1 a一遇波浪下允许越浪量为0.1×10-3m3/（s·m）；2）1 000 a一遇波浪下允许越浪量为10×10-3m3/（s·m）。

基于全生命周期的设计理念，护岸结构按照50 a设计年限以及25 a维护期进行设计，1∶4缓坡的护面块石采用稳定标准为：1）1 a重现期波浪，采用初始破坏标准，取Sd=2；2）25 a重现期波浪，选用破坏标准介于初始与中等破坏之间，取Sd=5.5；3）100 a和1 000 a重现期波浪采用中等破坏标准，取Sd分别为8和12。

3.3 护岸典型断面

本项目为强浪区及强震区条件下建设的护岸工程，单坡的护岸结构形式无法满足合同中限定的越浪量和块石稳定要求，因此采用了带肩台的砂芯坡式结构，护岸典型断面如图2所示。海侧肩台的高程设置在0.5倍波高以内，肩台宽度设置为10 m（约2Hs），坡比定为1∶4以满足强震下整体稳定要求；结合理论计算，初步选择护面块石为1 000～3 000 kg大块石，铺设2层，其下方依次为60～300 kg垫层块石，10～60 kg垫层块石，并在回填砂和块石之间铺设1层土工布。

图2 护岸典型断面Fig.2 Typical cross-section of revetment

3.4 分析对比

针对图2所示的护岸方案，采用理论分析和物模方法对不同肩台方案进行细化比选：1）试验断面1：肩台宽度为10 m，肩台高程为-2.32 m，肩台和护面块石厚度均为2层；2）试验断面2：肩台宽度为10 m，肩台高程加高到-0.46 m，肩台处块石加厚为4层。

表2显示理论计算和实测越浪量表明，采用EurOtop（2018）考虑肩台越浪量公式与实测值吻合较好；在+2.72 m水位组合1 000 a一遇波浪工况下，试验断面2越浪量小于试验断面1，表明当肩台高程位于设计水位附近时，肩台对越浪的削减作用最佳，2个试验断面均满足合同的越浪标准。

表2 越浪物模实测及理论计算值Table 2 Measured value of physical model and calculated value of overtopping discharge

表3显示的破坏数Sd的实测以及理论计算表明，设置肩台后护面块石稳定性较单坡护岸大大增强，且肩台对上坡稳定性折减明显优于下坡；试验断面1上下坡总破坏数Sd超出合同要求，试验断面2虽然总破坏数Sd仍超出合同要求，但肩台处块石加厚到4层后，在极端波浪作用后随着肩台的变形形成更缓的稳定变坡，且肩台块石变形后满足最小2层的厚度，符合合同的定义安全功能要求，试验断面2作为最终设计断面。

表3 护面损坏程度Sd物模实测值及理论计算值Table 3 Measured value of physical model and calculated value of Sd

4 结语

本文总结了带肩台护岸结构的越浪量及护面块石稳定性的计算方法，并在某海外大型人工岛护岸工程设计中使用。采用物模对2种肩台的护岸方案进行了细化比选和分析，表明设置消浪肩台后减少了越浪量，同时增强了护面块石的稳定性，试验断面2满足了合同规定的较为严苛的越浪标准以及护面块石稳定要求。相关经验可为海上人工岛等类似工程中对顶标高和越浪有着严苛限制的护岸设计提供了思路。