中外港口規(guī)范對(duì)比研究Ⅱ：海堤越浪量標(biāo)準(zhǔn)

耿寶磊，王 瞇2,，陳漢寶*，劉海源

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè) 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456; 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098)

海堤是港口工程中常見的結(jié)構(gòu)物，具有防潮、擋浪的功能，但當(dāng)?shù)添敻叱滩蛔阋缘挚勾罄藭r(shí)，大量水體越過堤頂，甚至影響后方安全。由于越浪水體的時(shí)空分布不均勻性，各國(guó)規(guī)范中通常用平均值來表征，平均越浪量定義為單位時(shí)間波浪越過堤頂?shù)膯螌捔髁俊！敖z綢之路經(jīng)濟(jì)帶”以及“21世紀(jì)海上絲綢之路”貫穿歐亞大陸，東連亞太經(jīng)濟(jì)圈，西入歐洲經(jīng)濟(jì)圈，港口工程國(guó)際化趨勢(shì)日益顯著，但由于不同國(guó)家地域文化、自然環(huán)境、發(fā)展歷程等差異導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外港口規(guī)范各不相同，因此探尋規(guī)范差異成為一項(xiàng)重要的工作。

表1 《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》中允許越浪量Tab.1 The allowable overtopping discharges in Code of Design for Breakwaters and Revetments

近年來，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外港口相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了比較研究：夏運(yùn)強(qiáng)等[1]綜述了日、美、荷蘭、中國(guó)規(guī)范對(duì)允許越浪量的規(guī)定，并在此基礎(chǔ)上探討性提出了港口工程允許越浪量；劉堃等[2]結(jié)合兩個(gè)實(shí)例工程對(duì)比分析了《港口與航道水文規(guī)范》越浪量計(jì)算方法、斷面物模、局部物模的差異；邱喜等[3]通過毛里塔尼亞工程對(duì)中、美、英國(guó)規(guī)范中越浪量計(jì)算方法進(jìn)行比較；楊克勤等[4]具體分析了EurOtop、《港口與航道水文規(guī)范》、陳國(guó)平公式的差異。隨著相關(guān)規(guī)范的完善，對(duì)海堤越浪量標(biāo)準(zhǔn)(包括允許越浪量限值和計(jì)算公式)的綜合分析具有一定意義。本文綜合對(duì)比分析了中英美日以及荷蘭等國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中海堤越浪量標(biāo)準(zhǔn)，為海內(nèi)外港口設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 各國(guó)規(guī)范中的允許越浪量要求

1.1 中國(guó)規(guī)范

表2 香港《Port Works Design Manual》 中允許越浪量Tab.2 The allowable overtopping discharges in Port Works Design Manual

(1)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第7.2.2條規(guī)定，對(duì)不同防護(hù)要求的斜坡堤護(hù)岸，其允許越浪量可按表1確定。該規(guī)范強(qiáng)調(diào)，護(hù)岸頂部允許越浪量的選取應(yīng)結(jié)合工程總體布置、排水設(shè)施及結(jié)構(gòu)型式和斷面尺度等統(tǒng)籌考慮；惡劣天氣時(shí)，岸頂通道上的人員、車輛均不得通行，以保證安全；特殊情況，經(jīng)專題論證，其允許越浪量可適當(dāng)增減。

(2)香港現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《Port Works Design Manual》[6]中對(duì)越浪量控制的標(biāo)準(zhǔn)見表2。

(3)現(xiàn)行地方標(biāo)準(zhǔn)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[7]中對(duì)沿海堤防允許越浪量控制的標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表 3 《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中允許越浪量Tab.3 The allowable overtopping discharges in Design guide for coastal levee project of Guangdong province

表4 日本護(hù)岸、海堤越浪量受災(zāi)限值Tab.4 Threshold rate of wave overtopping for inducing of damage

1.2 日本規(guī)范

日本港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[8]第二部分第二章指出，建筑物允許越浪量應(yīng)綜合考慮海堤的結(jié)構(gòu)類型、后方陸域的重要程度、排水設(shè)施的容量等因素，視具體情況而定。具體規(guī)定如表4～表6所示。

表5 考慮海堤后方陸域使用情況的允許越浪量Tab.5 Allowable wave overtopping rate in view of state of land use

表6 考慮海堤后方陸域重要程度的允許越浪量Tab.6 Permissible wave of overtopping rate in view of degree of importance of hinterland

1.3 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)港口規(guī)范《Coastal Engineering Manual》[9]第六部分第五章建議平均越浪量限值如圖1所示。

在采用表1時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)即使是相同的越浪量，水撞擊結(jié)構(gòu)特定部位的強(qiáng)度很大程度上取決于結(jié)構(gòu)形式和距離，最大強(qiáng)度可能達(dá)到平均越浪對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的兩個(gè)量級(jí)；此外，越浪的可接受程度也與各地安全觀念等人為因素有關(guān)。

(2)風(fēng)引起的長(zhǎng)距離濺浪可能會(huì)對(duì)后方陸域的貨物造成損害、導(dǎo)致寒冷地區(qū)船舶上層建筑結(jié)冰。

(3)僅防浪功能的防波堤允許有較大的越浪量，但可能對(duì)系泊船舶造成一定損害。

(4)風(fēng)浪的越浪量隨波浪的變化而呈現(xiàn)出時(shí)間和空間上的不均勻性，臺(tái)風(fēng)期間的越浪量主要源于波浪的一小部分，而此時(shí)單波越浪量峰值可達(dá)平均越浪量的100倍。

圖1 美國(guó)港口規(guī)范《Coastal Engineering Manual》 中允許平均越浪量限值Fig.1 Critical values of average overtopping discharges in Coastal Engineering Manual

1.4 英國(guó)規(guī)范

(1)英國(guó)海工建筑物標(biāo)準(zhǔn)《Maritime Structures》[10]第七部分第三章考慮擋浪墻后3 m處行人和車輛安全的允許平均越浪量如表7所示，同樣提及單波越浪量可能達(dá)平均越浪量的100 倍。

表7 英國(guó)規(guī)范《Maritime Structures》中允許越浪量Tab.7 The allowable overtopping discharges in Maritime Structures

(2)《The Rock Manual》[11]中關(guān)于防波堤和護(hù)岸的允許越浪量如表8所示。

1.5 荷蘭規(guī)范

荷蘭護(hù)坡設(shè)計(jì)指南[12]中允許越浪量限值如表9所示。

表8 《The Rock Manual》中允許越浪量Tab.8 The allowable overtopping discharges in The Rock Manual

表9 荷蘭護(hù)坡設(shè)計(jì)指南中允許越浪量Tab.9 Allowable overtopping discharges for dikes and revetments in the Netherlands

表10 各國(guó)規(guī)范中海堤允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)匯總Tab.10 Summary of allowable overtopping discharges in national standards m3/(m·s)

1.6 各國(guó)規(guī)范對(duì)比分析

綜合分析國(guó)內(nèi)外港口相關(guān)規(guī)范，海堤允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)一般從三個(gè)方面考慮，包括結(jié)構(gòu)安全、交通安全、后方區(qū)域重要程度。但現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范側(cè)重點(diǎn)不同，越浪限值存在差異，如表10所示。

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中考慮結(jié)構(gòu)安全的越浪量不高于0.05 m3/ (m·s)，并根據(jù)海堤具體型式而定；中國(guó)香港、歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中提及了堤后交通安全的允許越浪量；對(duì)于后方重要程度的考慮，中國(guó)現(xiàn)行《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》和日本規(guī)范中對(duì)越浪限值有明確規(guī)定。總體而言，考慮結(jié)構(gòu)安全的允許越浪量最大，后方區(qū)域重要程度次之，考慮交通安全的允許越浪量最小；國(guó)外規(guī)范中允許越浪量不超過0.2 m3/ (m·s)，國(guó)內(nèi)規(guī)范相對(duì)保守要求不超過0.1 m3/ (m·s)。國(guó)內(nèi)外規(guī)范中采用的允許越浪量均為平均越浪量，但正如國(guó)外規(guī)范所言“單波越浪可達(dá)平均越浪的百倍”，其破壞性不容忽視。

2 各國(guó)規(guī)范中的越浪量計(jì)算方法

2.1 中國(guó)規(guī)范

《港口與航道水文規(guī)范》[13]第10.2.4指出斜坡堤滿足下列要求時(shí)，其越浪量可按式(1)和(2)計(jì)算。

無胸墻

(1)

有胸墻

(2)

式中：q為單位時(shí)間單位堤寬的越浪量，m3·m-1·s-1；Rc為堤頂在靜水面以上的高度；Hs為有效波高；Tp為譜峰周期；d為堤前水深；g為重力加速度；π為圓周率；b1為坡肩寬度；A、B、KA是由坡度、護(hù)面結(jié)構(gòu)決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2 美國(guó)規(guī)范

美國(guó)港口規(guī)范《Coastal Engineering Manual》[9]第六章第五節(jié)詳細(xì)介紹了多個(gè)適用于不同條件的越浪量公式，本文摘取常用的Owen公式(1980，1982)以及Van der Meer公式(1995)加以介紹。

(1)Owen公式是基于不可滲透斜坡在正向不規(guī)則波作用下得到的經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)

式中：Tom為平均波周期；Som為平均周期對(duì)應(yīng)的深水波陡；γf為表層糙率，與護(hù)面結(jié)構(gòu)有關(guān)；a、b是由坡度和肩灘寬決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

(2)Van der Meer公式是基于不可滲斜坡堤受粗糙護(hù)面保護(hù)，在短峰波、斜向浪作用下的經(jīng)驗(yàn)公式。

ξop<2時(shí)

(4)

ξop>2時(shí)

(5)

2.3 EurOtop

歐洲堤防結(jié)構(gòu)越浪手冊(cè)《Manual on wave overtopping of sea defenses and related structures》[14]2016版提出了針對(duì)Rc/Hmo≤0.5情況下更精確的越浪量計(jì)算公式。

(1)可靠度設(shè)計(jì)

最大值

(6)

(2)安全性設(shè)計(jì)

最大值

(7)

2.4 各國(guó)規(guī)范越浪量公式對(duì)比分析

綜合分析國(guó)內(nèi)外港口相關(guān)規(guī)范中斜坡堤越浪量計(jì)算公式可知，海堤越浪量受波浪參數(shù)以及斜坡堤結(jié)構(gòu)的影響，但各公式側(cè)重點(diǎn)略有差異，匯總?cè)绫?1所示。

表11 各國(guó)規(guī)范中越浪量公式考慮因素匯總表Tab.11 Summary of consideration factors for wave overtopping formula in national standards

由表可知，中美越浪公式一般采用有效波高，而EurOtop公式采用譜波高，對(duì)于淺水區(qū)兩者幾乎無差異，而在深水區(qū)兩者相差可能達(dá)到15%；此外，各規(guī)范采用的波周期也有所差異，平均周期和譜峰周期并不等同，JONSWAP譜中平均波周期約為0.79～0.87倍譜峰周期，P-M譜中平均波周期約為0.71～0.82倍譜峰周期。在上述公式中，EurOtop考慮因素最全面，其作為Van der Meer的改進(jìn)公式，能夠更精確地計(jì)算堤頂?shù)汀⒉ǜ叽蟮那闆r。具體優(yōu)劣，可進(jìn)一步根據(jù)下列算例進(jìn)行對(duì)比分析。

3 具體工程實(shí)例的比較分析

3.1 工程實(shí)例

(1)工程一。科倫坡海港城[15]防波堤采用扭王字塊護(hù)面，坡度1：1.5，堤頂高程+4 m，泥面高程-17.5 m，設(shè)計(jì)方綜合考慮后提出的越浪限值為：100 a一遇水位(+2.0 m)對(duì)應(yīng)100 a一遇波浪作用時(shí)越浪量不超過50 L/(m·s)，MHWS水位(+0.7m)對(duì)應(yīng)100 a一遇波浪作用時(shí)越浪量不超過1 L/(m·s)。波浪斷面物理模型試驗(yàn)工況：工況一(d=19.5 m，Hs=5.8 m，Tp=13 s)、工況二(d=18.2 m，Hs=5.8 m，Tp=13 s)。

(2)工程二。唐山港曹妃甸港區(qū)[16]護(hù)岸采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，泥面高程-0.5 m，堤頂高程+7.2 m，護(hù)面采用S4柵欄板，坡度為1：2，設(shè)計(jì)方提出的護(hù)岸斷面越浪量限值為0.05 m3/(m·s)。波浪物理模型試驗(yàn)工況：工況一(d=4.96 m，Hs=2.3 m，Tp=4.3 s)、工況二(d=5.08 m，Hs=2.3 m，Tp=4.3 s)。

(3)工程三。深中通道[17]是集超長(zhǎng)海底隧道、超大跨海橋梁、深水人工島、水下互通“四位”一體的集群工程，其中西人工島部島壁結(jié)構(gòu)擬采用扭王字塊護(hù)面斜坡堤，坡度1：1.5，堤頂高程+8.0 m，原泥面高程-13.87 m，越浪量標(biāo)準(zhǔn)：重現(xiàn)期300 a的高水位和重現(xiàn)期300 a的波浪組合條件下，越浪量不超過15 L/(m·s)；重現(xiàn)期100 a高水位和重現(xiàn)期100 a波浪組合作用下，越浪量不超過5 L/(m·s)。波浪物理模型試驗(yàn)工況：工況一(300 a一遇高水位+3.61 m，Hs=2.88 m，Tp=8.16 s)、工況二(100 a一遇高水位+3.34 m，Hs=2.49 m，Tp=7.60 s)。

(4)工程四。蓬萊西海岸海洋文化旅游產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)工程[18]擬建海堤堤頂高程+7.5 m，海底高程-7.7 m，護(hù)面采用扭王字塊，坡度1：1.5。試驗(yàn)工況：工況一(設(shè)計(jì)高水位+1.8 m，重現(xiàn)期50 a波浪Hs=4.1 m，Tp=11.25 s)、工況二(極端高水位+3.02 m，重現(xiàn)期10 a波浪Hs=3.2 m，Tp=9.88 s)。

表12公式計(jì)算與物模試驗(yàn)越浪量

Tab.12Waveovertoppingdischargesinformulacalculationandmodeltest L/(m·s)

工程實(shí)例港口與航道水文規(guī)范CEMOwenVan der MeerEurOtop概念設(shè)計(jì)安全設(shè)計(jì)物模試驗(yàn)工程一工況一6.0518.3624.3123.1629.1524.58工況二0.2581.091.051.211.650.67工程二工況一54.43.812.513.126.812.0工況二57.04.815.716.933.539.5工程三工況一30.813.910.612.426.713.26工況二17.54.12.42.25.84.97工程四工況一32.334.521.220.844.222.9工況二20.318.68.09.120.29.4工程五工況一32.032.725.032.753.629工況二5.20.60.20.20.6濺浪

(5)工程五。天津港大港區(qū)(南港)泰奧石化倉儲(chǔ)物流項(xiàng)目[19]防潮堤采用斜坡堤，泥面高程+1.5 m，堤頂高程+7.2 m，護(hù)面采用柵欄板，坡度1：2.5。波浪物理模型試驗(yàn)工況：工況一(極端高水位+5.88 m，Hs=1.64 m，Tp=5.68 s)、工況二(設(shè)計(jì)高水位+4.3 m，Hs=1.62 m，Tp=5.68 s)。

3.2 結(jié)果分析

通過上述理論計(jì)算與物模試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析可知，由于系數(shù)的選取差異以及考慮因素的不均等，導(dǎo)致各公式產(chǎn)生計(jì)算差異，《港口與航道水文規(guī)范》公式計(jì)算結(jié)果最保守，EurOtop公式計(jì)算的平均越浪量與物模試驗(yàn)結(jié)果相比均在一個(gè)量級(jí)，且相差不大，更具參考性。值得注意的是，在運(yùn)用公式時(shí)一定要注意其適用范圍，越過范圍則可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。

4 結(jié)語

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”重大倡議的提出，越來越多企業(yè)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召紛紛“走出去”開拓海外港口項(xiàng)目。在港口建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，如何正確辨別國(guó)內(nèi)外規(guī)范差異，合理選用相關(guān)公式，成為海外設(shè)計(jì)工作者面臨的一項(xiàng)亟待解決的問題，本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外港口相關(guān)規(guī)范中對(duì)海堤允許越浪量規(guī)定的差異，以及斜坡堤越浪量計(jì)算公式的差異，可為相關(guān)設(shè)計(jì)工作者提供參考。