姜寧林，鄧振洲

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

在填海造地實(shí)施過(guò)程中，護(hù)岸結(jié)構(gòu)作為防御外海波浪、水流等自然作用的屏障，對(duì)后方陸域的安全及使用便利起到重要的支撐作用。在實(shí)際的填海造地工程中護(hù)岸部分的投資占工程項(xiàng)目總投資的比重較大，護(hù)岸頂高程的確定往往對(duì)項(xiàng)目建設(shè)方案、工程投資、后方設(shè)施安全、景觀視覺(jué)等均會(huì)產(chǎn)生重要影響。

現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于護(hù)岸頂高程的確定，主要從設(shè)計(jì)水位、波浪高度、波浪爬高、越浪量等方面做了規(guī)定說(shuō)明，實(shí)際工程項(xiàng)目中根據(jù)設(shè)計(jì)水位、波浪高度、波浪爬高等確定的護(hù)岸頂高程往往較低，護(hù)岸頂高程需要進(jìn)一步根據(jù)越浪量進(jìn)行確定。但規(guī)范中對(duì)于越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)明較為籠統(tǒng)，未能具體考慮實(shí)際項(xiàng)目的掩護(hù)需要、實(shí)際項(xiàng)目的后方場(chǎng)地布置等條件。同時(shí)，越浪量計(jì)算僅提供了越浪水量的大小，未提供越浪水舌的作用距離，這對(duì)后方廠區(qū)設(shè)施的布置也帶來(lái)了一些不確定因素[1-4]。

1 工程概況

廣東某填海造地項(xiàng)目，已完成一期陸域形成及護(hù)岸建設(shè)，一期護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為II級(jí)，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期和極端高水位重現(xiàn)期均為50 a。護(hù)岸采用實(shí)體斜坡式結(jié)構(gòu)，0～250 kg塊石形成堤心，堤心外側(cè)分別設(shè)有墊層塊石以及護(hù)面塊體，護(hù)岸坡腳位置設(shè)有護(hù)底塊石。

護(hù)岸后方布置重要的大型煉化企業(yè)，根據(jù)煉化企業(yè)要求對(duì)已建護(hù)岸進(jìn)行加固，加固標(biāo)準(zhǔn)為：護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為I級(jí)，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期和極端高水位重現(xiàn)期均為200 a。護(hù)岸典型斷面見(jiàn)圖1。不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的極端高水位及相應(yīng)的設(shè)計(jì)波要素見(jiàn)表1。

圖1 護(hù)岸典型斷面

表1 不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的極端高水位及設(shè)計(jì)波要素

2 護(hù)岸頂高程理論公式計(jì)算

2.1 根據(jù)設(shè)計(jì)波高確定護(hù)岸頂高程

根據(jù)JTS 154-1—2011《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，對(duì)于允許越浪的沿海護(hù)岸，護(hù)岸頂高程不宜低于設(shè)計(jì)高水位以上0.8倍設(shè)計(jì)波高，并應(yīng)高于極端高水位。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)高水位為4.01 m，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波高為2.16 m，則護(hù)岸頂高程須大于5.738 m，極端高水位為6.87 m。綜上，根據(jù)設(shè)計(jì)波高確定的護(hù)岸頂高程為6.87 m。

2.2 根據(jù)波浪爬高確定護(hù)岸頂高程

GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中，堤頂高程根據(jù)設(shè)計(jì)高水位、波浪爬高及安全加高值進(jìn)行確定，對(duì)于允許部分越浪的護(hù)岸：

ZP=hP+RF+A

(1)

式中：hP為設(shè)計(jì)高水位，4.01 m；RF為波浪爬高，波浪爬高根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第6章規(guī)定確定，經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目波浪爬高為3.71 m；A為安全加高，對(duì)于允許越浪的I級(jí)海堤工程，取為0.5 m。根據(jù)式(1)得ZP為8.22 m。

2.3 根據(jù)越浪量控制要求確定護(hù)岸頂高程

根據(jù)越浪量控制要求確定護(hù)岸頂高程，首先需要明確越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)。越浪量的控制標(biāo)準(zhǔn)需要考慮被掩護(hù)對(duì)象的重要性、被掩護(hù)對(duì)象的總體布置、被掩護(hù)對(duì)象是否設(shè)有排水結(jié)構(gòu)等多種因素。中外不同規(guī)范對(duì)于護(hù)岸越浪量的控制標(biāo)準(zhǔn)有不同規(guī)定。

1)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》中，根據(jù)護(hù)岸后方掩護(hù)對(duì)象的不同以及護(hù)岸結(jié)構(gòu)的不同，越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)有所不同，具體要求見(jiàn)表2。

表2 《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)

2)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中，根據(jù)海堤表面防護(hù)條件的不同，允許越浪量的數(shù)值有所不同，具體要求見(jiàn)表3。

表3 《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)

3)根據(jù)歐洲規(guī)范Manualonwaveovertoppingofseadefencesandrelatedstructures，結(jié)構(gòu)自身及后方植被安全情況下允許越浪量見(jiàn)表4[7]。

表4 Manual on wave overtopping of sea defences and related structures越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)

4)根據(jù)美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)設(shè)計(jì)手冊(cè)CoastalEngineeringManual(EM 1110-2-1-1100)，保證護(hù)岸結(jié)構(gòu)自身安全情況下允許越浪量見(jiàn)表5[8]。

表5 Coastal Engineering Manual越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)

中外規(guī)范中有關(guān)越浪量控制的要求，主要考慮的因素有堤頂及后方結(jié)構(gòu)物的安全、堤頂及后坡的防護(hù)情況等。歐洲規(guī)范Manualonwaveovertoppingofseadefencesandrelatedstructures越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)最高，根據(jù)其確定的護(hù)岸頂高程最高；美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)設(shè)計(jì)手冊(cè)CoastalEngineeringManual越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，根據(jù)其確定的護(hù)岸頂高程較低；中國(guó)規(guī)范越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)適中，根據(jù)其確定的護(hù)岸頂高程較適中。

本項(xiàng)目護(hù)岸后方廠區(qū)主要布置為：護(hù)岸后有50 m寬道路，道路后方是100 m綠化帶，綠化帶范圍內(nèi)設(shè)有雨水明渠和太陽(yáng)能板。這表明雖然本項(xiàng)目后方布置有重要的煉化企業(yè)，但主要廠房、罐區(qū)等裝置的布置距離護(hù)岸前沿線距離最小為150 m，越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)不能直接套用規(guī)范中“掩護(hù)后方?；饭迏^(qū)”的要求。

本項(xiàng)目護(hù)岸結(jié)構(gòu)為：堤頂設(shè)有防浪墻為混凝土護(hù)面，背海側(cè)設(shè)有干砌塊石。

綜合考慮中外規(guī)范要求以及護(hù)岸自身結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中確定的越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)為：在200 a一遇極端高水位疊加200 a一遇設(shè)計(jì)波浪工況下，按照0.020 m3/(m·s)越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行護(hù)岸頂高程的設(shè)計(jì)。

護(hù)岸后方越浪量根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》公式進(jìn)行計(jì)算[9]：

(2)

表7 不同護(hù)岸頂高程下越浪量理論公式計(jì)算結(jié)果

綜上，根據(jù)越浪量控制確定護(hù)岸頂高程為10.4 m，該高程大于根據(jù)設(shè)計(jì)波高以及波浪爬高計(jì)算所得的數(shù)值。

基于掩護(hù)功能的需要，防浪墻頂高程應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)越浪水舌作用距離進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)越浪水舌作用距離的分析，可判斷越堤水體是否會(huì)直接作用在后方建筑上，進(jìn)而為后方場(chǎng)地的平面布置、排水設(shè)施布置等提供依據(jù)。

2.4 根據(jù)越浪水舌作用距離復(fù)核護(hù)岸頂高程

丹麥研究學(xué)者Andersen通過(guò)物理模型試驗(yàn)，針對(duì)越浪水體的空間分布進(jìn)行了研究分析，根據(jù)越浪水體的空間分布可以反映越過(guò)堤頂?shù)乃w對(duì)護(hù)岸后方陸域的影響范圍，進(jìn)而間接反映越浪水舌作用距離[10]。

(3)

根據(jù)上述公式，對(duì)于本項(xiàng)目，假定越浪量通過(guò)率為1%時(shí)，越浪水舌作用距離為8.7 m，該情況下，僅有1%的水體作用在8.7 m范圍以外。本項(xiàng)目后方設(shè)有50 m寬道路，道路后方為100 m寬綠化用地，綠化用地范圍內(nèi)設(shè)有排水渠，后方道路設(shè)計(jì)時(shí)，建議設(shè)置向岸側(cè)傾斜的橫向坡，越浪水體可匯入排水渠中。

3 物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論公式計(jì)算結(jié)果的合理，保證護(hù)岸防護(hù)滿足后方廠區(qū)使用要求，本項(xiàng)目采用物理模型試驗(yàn)對(duì)護(hù)岸頂高程的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。物理模型試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院風(fēng)、浪、流長(zhǎng)波浪水槽中進(jìn)行，進(jìn)行越浪量試驗(yàn)時(shí)，每種工況試驗(yàn)次數(shù)不少于3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值[11]。

3.1 越浪量試驗(yàn)結(jié)果

不同護(hù)岸頂高程下越浪量物理模型試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同護(hù)岸頂高程下越浪量物理模型試驗(yàn)分析結(jié)果

理論公式計(jì)算所得越浪與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2，當(dāng)防浪墻頂高程較低時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果小于物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，當(dāng)防浪墻頂高程較高時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果大于物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值。當(dāng)防浪墻頂高程為10.4 m時(shí)，理論計(jì)算所得越浪量為0.013 m3/(m·s)，物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為0.005 m3/(m·s)，理論計(jì)算值為物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的2.6倍。理論公式計(jì)算所得越浪與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 理論公式計(jì)算所得越浪與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 越浪水舌作用距離試驗(yàn)結(jié)果

越浪水舌作用距離的物模試驗(yàn)測(cè)量采用圖像分析法，在防浪墻后方粘貼刻度尺，采用高速攝影設(shè)備拍攝水體越過(guò)防浪墻的后越浪過(guò)程。根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)防浪墻頂高程為10.4 m時(shí)，越浪水舌作用距離為2.3 m。

理論計(jì)算中，防浪墻頂高程為10.4 m情況下，當(dāng)假定越浪量通過(guò)率為1%時(shí)，越浪水舌作用距離為8.7 m。與理論計(jì)算結(jié)果相比，物模試驗(yàn)實(shí)測(cè)所得到的越浪水舌作用距離明顯小于理論結(jié)算結(jié)果。有學(xué)者研究表明，帶防浪墻斜坡式護(hù)岸上的越浪水體在空中飛過(guò)的距離具有隨機(jī)性，越浪水舌作用距離是一個(gè)十分復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，這可能是造成物模試驗(yàn)與理論公式差異的主要原因。

4 結(jié)論

1)對(duì)于斜坡式護(hù)岸頂高程的確定，國(guó)內(nèi)規(guī)范要求根據(jù)設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)波高、波浪爬高等進(jìn)行確定，然后針對(duì)確定的護(hù)岸頂高程復(fù)核越浪量大小，并通過(guò)越浪量的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步調(diào)整護(hù)岸頂高程。

2)根據(jù)越浪量調(diào)整護(hù)岸頂高程，其重點(diǎn)是確定越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)。建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)基于護(hù)岸工程實(shí)際掩護(hù)功能的需要，結(jié)合護(hù)岸掩護(hù)后方廠區(qū)設(shè)備、排水設(shè)施的布置等綜合分析，確定合理的越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)越浪量的分析僅提供了越堤水體體積的大小，未能說(shuō)明越堤水體的作用范圍，通過(guò)越浪水舌作用距離的計(jì)算，可明確得知越浪水體的影響范圍，進(jìn)而可為護(hù)岸掩護(hù)后方設(shè)施布置提供一定的參考。Adersen公式提供了越浪水舌作用距離的理論計(jì)算公式，可用于初步分析護(hù)岸后方越浪水舌的作用距離，但越浪水舌作用距離是一個(gè)十分復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，在施工圖設(shè)計(jì)階段，建議進(jìn)一步通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)越浪水舌作用距離進(jìn)行復(fù)核。