防浪與胸墻高程控制設計優化

張金成

摘 要：護岸防護工程中防浪胸墻頂高程主要由潮位和波浪爬高確定，在臺風頻發的沿海地區，由于水深浪大，為了滿足防洪設計要求，采用傳統的海堤結構斷面，需要較高的堤頂及防浪強高度，嚴重影響景觀和后方土地開發利用。本文以某人工島項目為例，探討降低防浪墻頂高程和控制越浪的設計優化方案，為工程設計提供參考。

關鍵詞：防浪胸墻 頂高程 越浪控制

1.引言

防浪胸墻的頂高程主要由潮位和波浪爬高確定，波浪爬高的影響因素很多，主要有入射波要素、波向、風速、堤坡坡度、堤坡形式、護面結構、堤前水深等。有關波浪爬高和越浪量的研究成果很多。目前，海岸工程逐漸向外海浪大，掩護條件較差區域發展，往往會設置高大胸墻以控制越浪。雖然對陸域進行了有效防護，但綿長的高墻環繞，觀感差、壓抑，尤其在較小的場所，感覺尤甚。過往的設計主要考慮防浪功能要求，波浪稍大的海域，防浪胸墻高出地面多達3～5m。近年來，離岸人工島建設工程越來越多，大多以休閑觀光、旅游和房地產開發為目的，對環境、生態和景觀的要求如越來越高。如不能保持景觀特色、提高人的感觀，不利于項目開發，提高土地價值，甚至喪失開發價值。本文以某離岸人工島旅游地產項目為例，探討降低胸墻高墻和控制越浪的設計優化。

2.工程概況

人工島工程位于瓊州海峽東南部?？谑信c文昌市之間的鋪前灣水域，規劃用海面積約6.12km2，岸線長度20.4km，東西最長7.9km，南北最寬1.6km，距離陸地岸線為4.4km。平面布置如圖1所示。護岸安全等級為I級，場地防洪標準（重現期）取200年一遇高潮位，結構穩定按100年一遇高潮位和100年一遇波要素進行設計，允許越浪；越浪量控制標準按重現期為50年一遇高潮位和50年一遇波浪下小于0.05m3/（s.m）。根據地質報告顯示，各土層分布如下：粉細砂、中粗砂、淤泥質粉質粘土、粉質粘土。建設場地內表層絕大部分均為松散～稍密的粉細砂，平均厚度為12.70m，標準貫入試驗擊數為24.4擊。

（1）設計水位（以當地理論最低潮面為基準面）：

200年一遇高潮位：4.58m；

100年一遇高潮位：4.35m；

50年一遇高潮位：4.13m；

設計高水位：2.69m（10%高潮累積頻率）；

設計低水位：0.55m（90%低潮累積頻率）；

50年一遇低潮位：-0.18m。

（2）設計波浪（見表1）。

3.斷面設計方案

根據上述設計條件，初步設計四種斷面結構形式，分別為單坡斷面、寬肩臺斷面和雙防浪墻斷面。通過波浪斷面物理模型試驗，對三種設計斷面分別進行優化。試驗在長80m、寬1.0m、高1.5m的波浪水槽中進行，試驗采用不規則波和規則波，按正態重力相似準則設計模型模型長度比尺為λ=35。進行了不同潮位，波浪要素的組合試驗，分別觀察了外海坡護面結構、內海坡護面結構、擋浪墻等部位穩定性，并測量了堤頂越浪量。確定各設計斷面如下。

3.1單坡斷面方案

護岸采用拋石斜坡堤結構，胸墻頂高程為11.50m，堤頂標高為10.30m，堤心石采用10～1000kg，堤頂設置L型鋼筋混凝土胸墻。外坡坡面采用20t扭王字塊護面，扭王塊下設置塊石墊層，坡度為1：1.5，考慮到沖刷的影響，在坡腳處拋填護底塊石，護底塊石下鋪設土工格柵；拋石堤內坡外設有二片石墊層和混合倒濾層，混合倒濾層外鋪設兩層土工布，陸域吹填砂，高程為5.80m。3.2寬肩臺斷面方案

寬肩臺斷面優化主要是胸墻前肩臺高程從11m降到5.8m，肩臺寬度由原來設置2個扭王字塊加寬到6個扭王字塊，寬達15.4m，其他構造與單坡式斷面一致。

3.3雙防浪墻斷面方案

該斷面設兩道防浪墻，第一道防浪墻前仍為2個扭王字塊寬度，頂高程從8.5m降到8.0m，第二道防浪墻頂高程仍為8.5m，兩防浪墻間的平臺前端采用寬3.0m、厚0.4m的柵欄板，后端采用寬1.0m、厚0.4m的柵欄板，中間采用500～800kg大塊石理砌。

4.設計斷面分析比較

單坡斷面防浪墻高程與陸域回填高程差5.7m，沿岸高胸墻阻擋導致景觀全無，感觀壓抑，很難通過陸域景觀設計改造來滿足旅游地產開發項目的要求，因此降低胸墻高度的優化設計是重點問題。

寬肩臺斷面是在靜水位設置寬肩臺，加劇波浪破碎，減少波浪爬高和越浪量。斷面模型試驗表明，靜水位附近較寬肩臺對波浪有較好的抑制效果，胸墻頂高程從11.5m降到10.0m，在滿足波浪越浪量控制標準情況下，起到了在低胸墻下減少越浪量的效果，但防浪墻高程與陸域回填高程差仍有4.2m，且肩臺寬度較大，胸墻前扭王字塊結構的肩臺難以利用，扭王字塊個體大，造價也較高，存在進一步優化的可能。

雙防浪墻斷面是利用第一道防浪墻及其肩臺使波浪基本破碎，減少越浪水體，大部分水體受抑制而落在第二道防浪墻前。斷面模型試驗表明，由于越過第一道胸墻后波浪破碎，其沖擊力較小，因此，采用柵欄板和大塊石理砌即可滿足穩定要求。同時，大部分水體跌落于第二道胸墻前，而其下為透水性良好的塊石，直接流回海里，也減少了后方排澇要求，第二道胸墻后的越浪量仍然在控制的越浪量范圍。兩胸墻間平臺高程較低，在無臺風情況較為親水，可以充分利用，規劃人群觀海走廊、休閑設施等。防浪墻高程與陸域回填高程差減小到2.7m。

波浪斷面物理模型試驗越浪量如表2，斷面造價如表3。

5.結論

（1）單坡斷面造價適中，但需設置較高的防浪墻擋浪，完全擋住海島景觀。本工程防浪墻頂高程達11.5m，而陸域高程5.8m，高差達5.7m。銜接過渡較難，若靠提高陸域標高解決，工程量很大。

（2）寬肩臺的設置可以抑制波浪的爬高和越浪量，降低胸墻高度，較容易解決擋浪墻與陸域的銜接問題，但需要浪費靠岸的一些土地，而且造價略高。一般靠近岸邊風浪仍較大，靠岸布置建筑物也并不合適，因此，若做好岸邊土地規劃利用，寬肩臺布置也是能接受的。

（3）雙防浪墻設計可以采用較低胸墻而提高觀海人群的感觀，胸墻頂高程僅8.5m，與陸域相差2.7m，銜接過渡較為容易，而且雙胸墻間可以作為親水觀海走廊。

參考文獻：

[1]陳國平，王錚，袁文喜等.不規則波作用下波浪爬高計算方法[J].水運工程，2010（2）： 23-30.

[2]Owen M W， Steele AAJ. Effectiveness of recurved wavereturn wall[R]. Wallingford： Hydraulics Research， 1991.[3]Van der Meer，J.W. and Janssen，J.P.F.M.，1995.Wave run-up and wave overtopping at dikes， ASCE，Ch.1：1-27.

[4]陳國平，?？谑腥缫鈲u工程波浪斷面物理模型試驗，河海大學，2012.endprint