波高取值對斜坡堤堤頂胸墻結構設計的影響分析

摘 要：目前，在斜坡堤堤頂設胸墻為我國常用的一種防浪結構，廣泛適用于筑港、海洋、城市護岸中。在堤頂設置胸墻的斜坡堤可以大大節約材料，堤頂可以做通道，也可以做碼頭。斜坡堤堤頂胸墻結構設計的穩定性對斜坡堤投入使用后的使用性能和安全有著重要的影響，而波高取值在一定程度上影響著斜坡堤設計的穩定性，文章將對波高取值對斜坡堤堤頂胸墻結構設計的影響進行分析。

關鍵詞：波高取值；斜坡提；胸墻結構設計；影響；實驗

在海岸或海洋工程中，必須考慮各種波浪要素對工程的影響。在斜坡堤堤頂設胸墻是重要的防波結構，不僅能夠有效防波浪沖擊，還具有施工簡單、對地基的不均勻沉降不敏感的優點。由于波高能夠刻畫波浪尺度，并對惡劣海況下工程結構物的安全性和經濟性進行有效的估量，因此在斜坡堤堤頂胸墻結構設計中，波高是必須考慮的因素，波高取值的統計研究對海岸沙灘的侵蝕以及斜坡堤堤頂胸墻結構設計的穩定性具有重要的意義。

1 波高計算方法

相關港口工程技術規范規定，斜坡堤堤頂胸墻頂的高程應在設計高水位以上1-1.25倍設計波高值處，而實際上，如果采用的設計波高值累計頻率標準不同，胸墻頂高程的計算結果也是不同的，這對胸墻結構的穩定性有著很大的影響，已建工程實驗研究也表明，胸墻頂高程的高低對胸墻結構的防浪功能和穩定性都有著較大的影響。因此，為了解決斜坡堤堤頂胸墻結構設計時面臨的波高取值的問題，保證胸墻結構的穩定性，確保整個工程的安全性，對設計波高取值進行深入的探討和研究非常有必要。

一般，設計波高計算方法有多種，早期采用的設計波高計算方法是總體樣本法，但是由于這種方法所選用的波高值并不能滿足數據的隨機性和獨立性，在現在已經很少被采用。年最大波高法具有計算簡單和方便的特點，且波高數據是隨機且獨立的，因此被廣泛應用，但是這種方法精度不夠，誤差較大，計算出的結果也不穩定，隨著科學技術的發展和人們對計算精度要求的不斷提高，這種方法的弊端日益暴露。波高閾值法采用某一極值波高以上的所有極值波高資料，對樣本容量做了擴充，能夠取得大浪年的次大值，克服了最大浪高法的缺點，但是這種方法仍然有著自身的缺點，比如確定閾值取值范圍比較復雜，在具體進行閾值確定的時候人為性較強，很多只是憑借經驗進行波高值的確定，導致計算結果存在著較大的誤差。年N大波法對波高閾值法進行了改進，這種方法不僅保證了樣本的容量，還使得每年采用的極值波高個數為一個常數，在一定程度上能夠減小計算結果誤差范圍。在實際工程中，可根據工程的實際情況將設計波高計算方法進行對比和分析，從中選擇出最為合適、最為精確也最為簡單的計算方法。

2 波高取值對斜坡堤堤頂胸墻結構設計的影響

相關技術規范規定，在計算斜坡式建筑物的穩定性和強度的時候，胸墻以及堤頂塊體設計波高的波列累積頻率標準應采用1%，護面塊石和塊體設計波高的波列累積頻率標準應采用13%，在計算護面塊石和塊體設計波高中，如果平均波高與水深的比值小于0.3，波列累積頻率標準應采用5%。相關海洋工程實踐表明，斜坡堤堤頂胸墻頂高程設計采用設計波高的波列累積頻率標準與護面塊石和塊體的標準是相同的。由于很多港口工程或海洋工程為外海深水工程，其平均波高與水深比小于0.3，采用不同標準的設計波高的波列累計頻率，斜坡堤堤頂胸墻結構設計也就會有所不同。下面以某斜坡堤工程為例，進行波高取值對斜坡堤堤頂胸墻結構設計影響的模擬實驗，進一步對斜坡堤堤頂胸墻結構穩定性問題進行探討。

模擬實驗

實驗對象：某防波堤斷面結構，防波堤為內直外斜結構，即斜坡堤，堤頂設置有直立的胸墻。

穩定性實驗參數：極端高水位為7.15m，波列累積頻率標準采用1%的波高為7.38m，波列累積頻率標準采用5%的波高為6.14m，周期為6.99，堤前水深為18.17m；設計高水位為5.98m，波列累積頻率標準采用1%的波高為7.21m，波列累積頻率標準采用5%的波高為6.26m，周期為6.99，堤前水深為17m。外坡護面隨機安放一層塊體，重為7.16t，坡比為1：1.5，堤頂高程為8m，胸墻頂高程為11.5m。

通過實驗發現，在設計高水位的時候，胸墻和塊體在波高為7.21m波浪的作用下均比較穩定；在極端高水位的時候，胸墻在波高為7.38m波浪的作用下出現了搖動并向后移動的現象，不能滿足胸墻穩定性的要求。可將胸墻做適當的調整，增加胸墻前趾的長度和底板的厚度，而斷面的其他部位不需做調整。通過修改，設計高水位時，在各種波高波浪的作用下，胸墻以及護面塊體均保持平穩，護腳和護底的塊石也保持平穩；極端高水位時，胸墻以及塊體在波浪作用下保持穩定，或者胸墻穩定，只有個別塊體會出現輕微振動的現象，但塊體并沒有發生滾落。可見，修改后的斜坡堤斷面能夠滿足波浪作用下穩定性要求，原斜坡堤斷面在極端高水位時，在某個波浪作用下，胸墻會出現搖動或移位現象，不能夠滿足穩定性要求。此外，波浪進入斜坡堤范圍內會發生顯著的變形并最終破碎，波高和波峰水體速度的增加使波浪具有很大的打擊壓力，如果胸墻沒有護面塊石或塊體作掩護，破碎的破浪直接打到胸墻上，就會對胸墻帶來很大的波壓力，而如果將胸墻上設置塊體，破浪會首先打在塊體上，一部分波壓力就會在塊體上釋放，打到胸墻上的波壓力就會相應變小，塊體肩寬越大，釋放的能量就會越多，打到胸墻上的波壓力就會減小。因此，斜坡堤堤頂胸墻結構設計必須考慮極端高水位時波浪對胸墻穩定性的影響，并不斷通過計算和實驗加大胸墻的斷面尺度和肩寬，增加胸墻對波浪的承載力。

另外，進行了加高頂高程的實驗，觀察越浪量的變化，實驗結果表明，在設計高水位條件下，五十年一遇的波浪量隨著高程的逐漸增加而有明顯的減少；在極端水位條件下越浪量的減少則沒有設計高水位條件下的明顯。越浪表現為濺浪時，對胸墻及塊體不會造成破壞。由此可見，加高胸墻頂高程對胸墻的穩定只有好處沒有壞處，同時，對越浪以及越浪對胸墻后方路面結構的影響也是有利的。

根據以上實驗，還總結了以下兩點建議：如果平均波高與水深比小于0.3，對于斜坡堤堤頂胸墻結構的頂高程設計可設計波高的波列累計頻率標準為5%；當胸墻的水深為負值的時候，胸墻的底高程可設在極端高水位附近。

3 結束語

總之，海洋或海岸工程中，斜坡堤堤頂胸墻是重要的防浪結構。由于斜坡堤堤頂胸墻的受力條件較為復雜，護面坡度、護面形式、波浪高等對胸墻承受的波浪力有較大的影響，而波高取值對斜坡堤堤頂胸墻結構設計的穩定性有著很大的影響，因此，必須根據港口或海洋工程的重要性和使用要求，對波高進行系統的研究和計算，使斜坡堤堤頂胸墻結構設計的穩定性達到標準，并通過實驗保證胸墻受力的合理性，從而確保胸墻的穩定性和工程的使用性能。

參考文獻

[1]于定勇，蘇耀.深水斜坡堤胸墻波浪力計算方法研究[J].中國海洋大學學報，2012，42（1-2）：136-140.

[2]蘇耀，曲藝，朱韶輝，等.深水斜坡堤胸墻波浪力研究進展[J].海岸工程，2011，21（9）：15-18.

[3]楊洪旗，柳玉良，陳兆林.斜坡堤胸墻波壓力的試驗與分析[J].海岸工程，2004，23（4）：1-7.

[4]陶山山，董勝，呂紅民.海洋工程設計波高的區間估計方法初探[C].2012年度海洋工程學術會議論文集，2012，53（2）：279-284.