允許部分越浪海堤設計在工程中的應用

孫永林

1 概述

隨著上海城市人口的持續(xù)增加和城市建設的不斷發(fā)展,土地需求與可利用灘涂資源稀缺的矛盾日益突出,大量的促淤和圈圍造地項目的快速實施使高灘資源趨于枯竭。目前上海地區(qū)均按不允許越浪海堤設計,堤頂高程較高,投資相對較大,隨著圈圍工程不斷向深灘推進,地質(zhì)條件與施工條件變得更差,風浪要素則隨著水深的增加而加大,若仍按此準則設計,圍堤工程的造價將更大,同時工程的實施難度也將大大增加。因此開展允許部分越浪的圍堤設計研究,降低堤身高度,節(jié)約工程造價,具有一定的現(xiàn)實意義。

長興島電廠圩灘涂圈圍工程位于長興島東北側,工程為上海地區(qū)首個按允許部分越浪標準設計的試驗性海堤,本文結合工程實際,對其圍堤斷面結構設計形式進行探討。

2 允許越浪的海堤設計

海堤建設的主要目的就是抵御臺風大浪的襲擊,保護堤后的財產(chǎn)安全,一般要求其強度和穩(wěn)定性達到設計要求,在大浪襲擊時海堤不受到損壞。一般的海堤堤頂高程設計時均將頂高程取為大于設計潮位加波浪爬高再加上安全超高的高程,即按不允許越浪的標準。在允許部分越浪的海堤設計時,既要使海堤的堤頂高程達到一定的標準和高度,使其達到防洪潮標準,又要適當降低堤頂高程允許部分越浪以達到節(jié)約投資的目的,因此需以越浪量為標準,在允許越浪的同時將越浪水量控制在最大允許越浪量之內(nèi),同時還要解決越浪水體對堤身護面結構、堤頂路面等方面的影響,以及堤后越浪水體如何及時排除以免影響圩內(nèi)土地使用等方面的問題。

2.1 堤(防浪墻)頂高程

長興島電廠圩段允許越浪部分的圍堤斷面按單坡斷面設計,最大允許越浪量按0.05 m3/(s?m)控制。圍堤按3級堤防設計,防洪標準取50年一遇高潮位(5.88 m)加10級風中值(26.5 m/s)組合。

在確定堤頂設計高程的過程中,根據(jù)不同的設計標準對堤頂高程(防浪墻頂高程)進行了比較,見表1。圍堤典型斷面圖見圖1。

表1 防浪墻頂高程計算比較

由此比較,按允許越浪設計的堤(防浪墻)頂高程比按不允許越浪設計時降低較多,可大大節(jié)省堤身高度,以節(jié)約工程造價。

2.2 越浪量

海堤的越浪量是指1 m單位寬度海堤上每秒鐘波浪越過海堤的水量,單位為m3/(s?m)。越浪量過大時亦將影響堤防的安全,因此當海堤按照允許部分越浪設計時,確定堤頂高程后應計算越浪量,計算采用的越浪量不應大于規(guī)范規(guī)定的允許越浪量0.05 m3/(s?m)。根據(jù)表1防浪墻頂高程計算比較表中允許部分越浪標準設計防浪墻頂高度8.15 m時,按規(guī)范計算在設計工況下越浪量為0.001 2 m3/(s?m),小于規(guī)范規(guī)定的允許越浪量0.05 m3/(s?m),因此,經(jīng)過越浪量的試算可適當降低堤頂高程,并根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》要求,堤頂高程取設計高潮位以上0.5 m,即6.40 m,防浪墻頂高程下降到7.00 m。

2.3 堤頂及內(nèi)外坡護面

為了節(jié)省工程投資,故在堤防頂部盡量利用防浪墻高度來降低堤頂路面高程,結合景觀視線及規(guī)范要求,防浪墻采用埋石混 凝土防浪墻,高出堤頂路面高度0.6 m。

作為按允許部分越浪設計的圍堤,根據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》第8.5.7和8.5.8條,按允許部分越浪設計的堤防堤頂宜采用抗沖護面,按允許越浪量不大于 0.05 m3/(s?m)設計的堤防堤頂三面均應有保護。因此,堤頂采用混凝土路面,路面向內(nèi)側形成2%的泄水坡度,內(nèi)坡采用干砌塊石護面。外側坡面根據(jù)本區(qū)域風浪情況選用柵欄板護面形式。

2.4 堤內(nèi)排水措施

作為允許越浪的試驗性項目,工程主堤按全線均越浪考慮,為解決越浪水體可以及時排除,避免對圍內(nèi)場地的影響,在堤后設順堤向隨塘河,將所有的越浪量都調(diào)蓄在隨塘河里,同時兼顧圍內(nèi)場地的雨水排放,隨塘河與已臨近已建圩區(qū)內(nèi)的排水涵閘連通,逢外海低潮位時通過涵閘排出。

3 模型試驗驗證

由于目前海堤越浪量和允許越浪量的計算方法不夠完善,采用不同的經(jīng)驗公式計算的越浪量相差較大,按允許部分越浪設計的海堤應結合模型試驗確定堤頂高程是否合適,為此委托河海大學對圍堤斷面進行了模型試驗,為工程設計提供科學依據(jù)。經(jīng)斷面模型試驗,在設計工況下越浪量為0.050 2 m3/(s?m),大于計算數(shù)值。

針對模型試驗與理論計算之間的差異,亦說明了允許越浪問題本身的復雜性,關于越浪計算的公式至今還是在一定試驗條件下及適用于各個地方的經(jīng)驗公式,缺乏其通用性。而受試驗條件、試驗范圍等因素的限制,越浪量室內(nèi)試驗成果也有一定的局限性,應進一步結合本地區(qū)特征進行更廣泛的調(diào)研和深入研究。

4 結論與探討

1)采用允許部分越浪的堤防設計可大大降低堤頂高度,節(jié)約工程投資,具有較大的現(xiàn)實意義。2)允許越浪的堤防設計的風險在于越浪量的大小和堤防的抗風浪能力,必須控制好安全的越浪量。3)國內(nèi)外對越浪量計算已有不少的研究成果,但在推廣使用中仍需謹慎,對于越浪計算公式的使用范圍、不同地區(qū)的波浪特性仍應深化研究。

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