大型人工島護岸堤頂高程計算探討

◎ 葉躍飛 中交水運規劃設計院有限公司洪斌 宏大建設集團有限公司

?

大型人工島護岸堤頂高程計算探討

◎ 葉躍飛 中交水運規劃設計院有限公司洪斌 宏大建設集團有限公司

針對日益增多的大型人工島工程，目前交通行業缺乏對人工島護岸堤頂高程的計算規范。本論文提出人工島護岸堤頂合理頂高程的計算理論和驗證方法，可為工程設計提供參考。

人工島 越浪量 護岸堤頂高程

1.引言

近年來，隨著房地產行業的快速發展，土地價格一路高漲，越來越多的房地產商將目光投向大海，通過填海造陸形成優質寶貴的土地資源。

為保證人工島的安全性以及考慮到房地產商對工程投資的敏感性，合理確定護岸堤頂高程顯得尤為重要。

目前國內有交通運輸部和水利水電部都頒布了計算圍堰（護岸）堤頂高程的規范，但是計算結果很多時候偏差較大。針對人工島護岸堤頂高程的確定，目前行業里沒有明確的計算公式。本論文總計近年來海南人工島的設計工作，結合委托科研單位的模型試驗研究結果，提出對人工島護岸合理頂高程的計算理論和驗證方法。

2.計算方法和過程

2.1計算思路

人工島護岸主要功能是為后方陸域形成提供條件，陸域場地標高以滿足使用要求，考慮人工島主要用于開發旅游休閑度假等居住功能，一方面要確保后方生命財產的安全，另一方面要盡量節省工程投資，因此人工島護岸可按允許少量越浪設計。

本論文擬采用兩種規范計算護岸頂高程，并通過控制越浪量來大致確定擋浪墻頂高程。最后通過波浪物理模型試驗來驗證并優化護岸結構的安全性及擋浪墻頂高程。

本論文以海南某大型人工島的1號島為例（圖1），對護岸堤頂高程計算進行探討。

2.2計算過程

（1）按《港口及航道護岸工程設計與施工規范》（JTJ300-2000）計算。根據規范，允許上浪的沿海港口護岸，頂高程宜定在設計高水位以上0.8～1.0倍設計波高處，并應高出極端高水位。護岸頂高程Zc由下式確定：

考慮到近年來登陸到海南的臺風呈頻率越來越大、強度越來越高的趨勢，一般來說，對于防護等級較高的大型人工島，在投資不明顯增加的前提下，建議采用雙百年標準，即按100年一遇的高水位和100年一遇的波浪H13％考慮。而對于沒有特殊要求的一般護岸、可按規范選取。

（2）按《海堤工程設計規范》（SL435-2008）計算。堤頂高程根據設計高水位、波浪爬高及安全加高值按下式計算，并應高出設計高水位1.5～2.0m。

式中：ZP—設計頻率的堤頂高程，m；

hp—設計頻率的高潮位；

RF—按設計波浪計算的累計頻率為F的波浪爬高值（海堤按不允許越浪設計時F=2％，按允許部分越浪設計時取F=13％）；

A—安全加高值，查下表，本工程取0.4m。

本公式中最關鍵的是波浪爬高值的確定。根據《海港總體設計規范》的正向規則波在斜坡式建筑物上的波浪爬高公式計算：

圖1　人工島護岸計算點示意圖

表1　1號人工島堤頂高程計算表

表2　1號人工島堤頂高程計算表

表3　1號人工島越浪量計算表

表4　各人工島護岸頂高程一覽表

式中：R—波浪爬高（m），從靜水位起算，向上為正；

R1—KD=1，H=1m時的波浪爬高（m）；

（R1）m—相應于某一d/L爬高最大值；

M—與斜坡的m值有關的函數，取1.5；

R（M）—爬高函數；

K1、K2、K3—系數，分別取1.24、1.029、4.98。

K△—與斜坡護面結構型式有關的糙滲系數，扭王字塊取0.47，柵欄板取0.49。

2.3計算結果比較

以上兩種規范計算公式及結果都是基于在100年一遇高潮位、100年一遇設計波浪情況下基本不越浪的情況，可看出按港工規范計算，1號島護岸頂高程為7.3～8.88m，按水利部海堤設計規范計算，1號島護岸頂高程為7.45～10.26m。兩種結果對比發現，按海堤設計規范高程計算值普遍高于港工規范計算值。

2.4堤頂高程初步確定

人工島護岸投資占工程投資的比重較大，因此，在滿足人工島防護安全的前提下，應盡量降低頂高程，以節省工程造價。

根據當地波浪情況，人工島強浪向為SW向，人工島外側波浪較大，內側波浪較小，因此按人工島對波浪的掩護效果，宜分區確定護岸頂高程。

根據上述分析，按50年一遇標準下允許越浪量0.08m3/（s·m）對護岸頂高程進行試算。

以下按越浪量計算公式對此高程下的越浪量進行初步復核計算。

2.5越浪量復核計算

斜坡堤頂有防浪墻時，如圖2所示，堤頂的越浪量可按上式計算：

式中：Q—越浪量，即單位時間單位堤寬的越浪水體體積，m3/（s·m），允許越浪量按使用要求考慮；

Hc'—堤頂在靜水面以上的高度，m；

B—經驗系數，當m取1.5時，B取0.6時；

KA—護面結構影響系數，扭王字塊取0.4，柵欄板取0.6；

TP—譜峰周期，TP=1.33。

2.6物模試驗驗證

根據各人工島波浪條件的差異，進行了波浪整體物理模型試驗及護岸斷面波浪物理模型試驗研究。其中，波浪斷面物理模型試驗選取2個典型護岸位置及斷面方案進行了試驗。

從D1-2在100年一遇水位+100年一遇波高組合情況下，D1-2頂高程7.8m的越浪量為0.081m3/（s·m）。對D1-2斷面的擋浪墻反弧進行了優化，并將頂高程降至7.5m的越浪量為0.085m3/（s·m）。

從D1-7在100年一遇水位+100年一遇波高組合情況下，D1-2頂高程6.0m的越浪量為0.075m3/（s·m）。

2.7堤頂高程最終確定

根據以上計算、模型試驗結論，僅在D1-2斷面在高程降至7.5m后越浪量為0.085m3/s/m，略大于設計標準。但考慮到節約工程造價，設計認為在解決好越浪堤后的排水后，越浪量也基本可以接受。根據人工島各區域對波浪的掩護程度，劃分為開敞區、半掩護區和有掩護區，因此綜合確定各島護岸頂高程如表4。

3.結論

本論文總結某大型人工島的設計工作，提出人工島護岸合理頂高程的計算理論和驗證方法，該計算方法可為工程設計提供參考。

［1］JTS 145-2-2013，海港水文規范［S］.

［2］JTJ 300-2000，港口及航道護岸工程設計與施工規范［S］.

［3］JTS 154-1-2011，防波堤設計與施工規范［S］.

［4］SL 435-2008，海堤工程設計規范［S］.