基于消浪效果的潛堤優化設計

梁偉 陳木燦 陳振道 連石水

摘 要：對海南某工程潛堤結構提出設計思路，通過物理模型試驗方法，分析不同堤頂寬度潛堤的消浪效果，并進一步優化為雙潛堤結構。結果表明，雙潛堤結構具有較好的消浪效果，同時控制工程量。潛堤的優化過程和總結，可供類似工程參考。

關鍵詞：潛堤 消浪效果 優化設計

1.前言

潛堤是一種淹沒在水中的防護堤，主要以消浪作用在港口與海岸工程中得到廣泛的應用。國內外對潛堤的消浪效果進行了大量的研究，其波浪透射影響因素非常多，主要有淹沒深度、堤前水深、波高、波陡、結構形態、堤頂寬度等，導致堤后傳遞波高問題非常復雜。目前，潛堤堤后傳遞波高仍然主要通過物理模型試驗來測定。

《防波堤設計與施工規范》中拋石潛堤的傳遞波高計算公式反映堤頂越高，潛堤消浪效果越好，但該公式僅體現堤頂高程對消浪效果的影響；鄒紅霞通過模型試驗分析得淹沒水深越小，堤頂相對寬度越大，消浪效果越明顯；馮衛兵分析了淹沒水深，相對堤頂寬度和波陡對消浪效果的影響。以上成果都是對單潛堤的研究，而且擬合公式差異較大，本文根據工程實例，結合物理模型試驗結果，進行潛堤設計方案優化，總結潛堤結構對消浪效果的規律，可供類似工程參考。

2.項目概況

海南某人工島目標定位是打造高端旅游產品，為“國際旅游島”整體戰略目標貢獻力量。人工島布設一條南北貫通水道，詳見圖1，水道內規劃建設以游艇泊位，帆船泊位為主的水上娛樂休閑基礎設施。

水道南北向長約2km，水道內寬度范圍230m～530m，兩側內護岸為保證足夠活動水域，擬采用直立式圓沉箱結構。人工島外護岸采用斜坡式拋石結構，護面采用扭王字塊體，堤頂設置擋浪墻，為防止波浪集中，外護岸結構掩護至水道南側口門內約100m。

水道北側口門離岸約800m，波浪較小，寬約400m，滿足水體交換需要，可作為進出口通道；南側口門臨海，水深達到15m，波浪較大，寬約120m，縮窄口門以控制部分外海向水道內傳遞波浪。

極端高水位2.66m，設計高水位1.84m，設計低水位0.09m，極端低水位-0.65m。SSE向波浪為控制情況，設計波浪如表1，潛堤建設區域原泥面高程約-14m，下臥土層為細砂層及粘土層。

3.設計標準

水道內規劃建設高端水上娛樂基礎設施，游船的泊穩波浪條件成為潛堤設計的控制條件。水道內控制波浪要求采用游艇的系泊和作業標準：根據《游艇碼頭設計規范》，游艇系泊條件為極端高水位，50年一遇波浪H1%≤1.1m（順浪）；作業條件為設計高水位，2年一遇波浪H4%≤0.25m。

4.設計思路及方案優化

4.1設計思路

南側口門無潛堤時，外海波浪直接通過口門向水道內傳遞。由于口門寬度有限，且兩側護岸采用斜坡式結構，波浪向水道內傳遞呈現出逐漸衰減的趨勢，詳見圖2。在水道寬度較窄的范圍內（口門后距離約250m），波高值衰減明顯；在水道寬度擴大處（口門后距離約350m）以后，波高值區域平穩，極端高水位50年一遇H1%為2.08m；設計高水位2年一遇H4%為0.5m，不能滿足波浪控制標準，因此需要在南側口門采取措施進一步降低水道內波高值。

該工程擬在南側口門建設潛堤，其主要作用包括兩方面：一是漲落潮流可自由進入水道內，以保證水道內充分的水體交換；二是消弱外海波浪，使水道內波高達到游船泊穩要求，同時降低內護岸結構的波浪力，降低內護岸工程投資。

從平面布置上看，為防止波浪集中，潛堤布置在口門后距離50m處。根據南側口門的水文地形條件，綜合考慮工程投資，施工方便，工程結構銜接，消浪效果等因素，潛堤擬采用斜坡式結構。

為保障水體交換以及游客對海景的需求，潛堤設置為沒水堤，潛堤堤頂越低，其水體交換周期越短，交換效果越好，但其消浪效果也越差。考慮水道北側口門較寬，可滿足水體交換要求，南側口門主要控制外海傳遞波浪，潛堤堤頂設置一般選擇相對深度a/H=0.5為宜，因此確定其頂高程-0.5m。潛堤消浪效果的控制性因素為堤頂高程和堤頂寬度，堤頂高程已經確定，因此消浪主要從堤頂寬度考慮。

為達到水道內控制波浪標準，即極端高水位50年一遇H1%需消減47%，計高水位2年一遇H4%需消減50%，因此建設潛堤的透射系數應控制為0.5。當相對寬度B/H=1～2時，即堤頂寬度7.2～14.4m，潛堤消浪效果最為明顯，因此初步取堤頂寬度為15m。參考鄒紅霞擬合的潛堤在不規則波浪作用下的透射系數公式：

式中：Kt為透射系數；a為潛堤淹沒深度；B為潛堤頂寬；HS為有效波高。計算得透射系數詳見表2。

潛堤透射系數結果分析得：堤頂寬度15m時，可以達到較好的消浪效果。采用極端高水位50年一遇波浪時，潛堤堤頂寬度25m，透射系數可達到0.5，加寬堤頂可進一步降低透射系數；而采用設計高水位2年一遇波浪時，潛堤堤頂寬度20m以后透射系數維持不變。消浪趨勢存在一定矛盾，水道南側口門波浪影響復雜，或許存在未考慮的影響因素，因此擬采用物理模型試驗測定波高，進一步驗證潛堤消浪效果。

潛堤結構設計方案：堤頂高程-0.5m，堤頂寬度15m，堤心采用拋填開山石，護面32t扭王塊體，坡度1：1.5。詳見圖3。根據物模試驗結果，堤后波高值明顯降低，極端高水位50年一遇H1%波高值降低至1.42，波浪透射系數0.68；設計高水位2年一遇H4%波高值降低至0.36m，波浪透射系數0.72，潛堤消浪效果較為明顯，但仍然不能滿足波浪控制標準，需要對設計方案進一步優化。

4.2方案優化

優化方案一：單潛堤，頂寬25m。在設計方案的基礎上，加寬堤頂寬度。物模波浪試驗結果表明堤后波高值進一步降低，但是效果并不明顯，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.36，設計高水位2年一遇H4%波高值為0.29m。而優化方案一相比設計方案堤心石工程量增加38%，護面扭王塊工程量增加17%。

優化方案二：單潛堤，頂寬50m。在優化方案一的基礎上，繼續加寬堤頂寬度。物模試驗表明再加大寬度的潛堤進一步衰減波浪，但是收效甚微，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.08，設計高水位2年一遇H4%波高值為0.28m。堤后波高值接近控制標準，但工程量巨大，相比設計方案堤心石工程增加133%，護面扭王塊工程量增加59%，投入與收效嚴重不平衡。

優化方案三：雙潛堤，中心間距50m，單個堤頂寬8m。從優化方案一、二相對設計方案分析得：當堤頂相對寬度達到一定數值時，繼續增加堤頂寬度對堤后波高的影響程度越來越小。若繼續加寬堤頂寬度可進一步降低堤后波高值，但需求的工程量太大而不經濟。因此提出加寬波浪影響的有效寬度，扣除部分堤心，優化結構為雙潛堤的思路，詳見圖4，如此既能降低了堤后波高值，又控制了工程的增加。根據物模波浪試驗結果，極端高水位50年一遇H1%波高值為1.04，設計高水位2年一遇H4%波高值為0.16m，滿足波浪控制標準要求。相對設計方案，消浪效果作用明顯，堤心石增加工程量52%，護面扭王字塊體與優化方案二相當。各優化方案的消浪效果及工程量變化詳見表3。

從表3得出，雙潛堤方案具有較好的消浪效果，能滿足水道內游艇系泊及作業要求，同比寬單潛堤節省工程量，因此最終采用雙潛堤方案。

5.結語

（1）當單潛堤相對寬度增加到一定數值時，繼續增加相對寬度對堤后波高的影響的程度越來越小。

（2）相對單潛堤，有相同堤頂有效寬度的雙潛堤結構消浪效果更好。

（3）對掩護重要建筑物的潛堤結構設計，應進行物理模型試驗來測定波高值，使潛堤設計滿足使用要求，且經濟合理。

參考文獻：

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[2]鄒紅霞，陳國平.不規則波作用下潛堤頭設計系數的計算方法及統計分布[J].水運工程，2010（03）：11-16.

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