消浪肩臺對斜坡式防波堤堤頂高程的影響

王 軍，李雪野，陳 琦，鄭 娟

(1.寧波市港航管理中心，浙江 寧波 315042；2.寧波中交水運設計研究有限公司，浙江 寧波 315040)

斜坡式防波堤是常見的港口構筑物，一般在水深小于15 m時采用，在水深大于15 m時可采用直立式防波堤或混合堤[1]。常見的斜坡堤主要結構包括堤心石、墊層、護面護底等。在基本斷面形式確定的情況下，斜坡式防波堤的高度和寬度是影響造價的重要因素，而寬度和高度息息相關，因此，確定合理的防波堤高程是斜坡堤設計中的重中之重。

防波堤的主要功能為防浪，從理論上講，斜坡堤的堤頂高程足夠高，可以做到完全不越浪，但是經濟代價十分巨大，而且對地基有一定的要求，可能會增加施工內容和施工難度。可見越浪量標準是影響水工建筑物結構形式的重要因素，它決定堤頂高程、消浪肩臺高程和寬度等設計參數，并影響工程造價[2]。因此得到較準確的越浪量既是防波堤高程設計的重要前提，又是其驗證的關鍵數據。

以國內某新建防波堤工程為基礎，首先通過理論公式計算，對比分析有、無消浪肩臺對斜坡堤堤頂越浪量的影響；然后通過理論公式對比分析有、無消浪肩臺對斜坡堤堤頂高程的影響；最后通過斷面物理模型試驗進行驗證，對比分析消浪肩臺對斜坡式防波堤堤頂越浪量和高程的影響。

1 工程概況

某新建大型游艇碼頭位于開敞外海，須新建環抱式防波堤進行掩護，允許越浪，要求越浪不直接砸在水面上形成次生波，且越浪量不大于0.05 m3(m·s)，工程水文條件見表1。為了尋求最優堤頂高程斷面，設計了多個斷面，選取其中4個典型斷面進行討論，斷面1a)為單坡無肩臺斷面，外側坡比為1:2，護面采用扭王字塊，單塊質量10 t，下設500～1 000 kg塊石墊層，設塊石護底；堤心為拋填開山石(1～1 000 kg)；堤頂海側設混凝土胸墻，胸墻頂高程為11.0 m，原泥面約-6 m，見圖1a)。斷面1b)在斷面1a)的基礎上，在高程3 m處增設寬11 m的消浪肩臺，見圖1b)。斷面2a)斜坡堤胸墻頂高程降至8.5 m，外側坡比為1:1.5，其他同斷面1a)，見圖1c)。斷面2b)在斷面2a)的基礎上，在高程3 m處增設寬11 m的消浪肩臺，見圖1d)。

表1 設計水文要素

圖1 4個斷面設計(高程：m；尺寸：mm)

2 斜坡堤堤頂平均越浪量計算

2.1 JTS 145—2015《港口與航道水文規范》

(1)

2.2 歐洲越浪手冊法(EurOtop)

當波浪破碎參數ξm-1，0≤ 5時，平均越浪量計算公式如下[3-4]：

(2)

(3)

(4)

式中：α為斜坡坡度；Hm0為譜峰波高(m)；Rc為堤頂距水面的高度；γb為防波堤肩臺影響系數，適用范圍為0.6～1.0；γf為防波堤面層粗糙度影響系數；γβ為波向影響系數；γv為防波堤斷面綜合影響系數，γv=1.35-0.007 8αwall，αwall為胸墻迎浪面的角度(°)。

2.3 越浪量計算結果

應用上述公式，計算4個設計斷面的平均越浪量，工程實例超出式(1)的適用范圍，EurOtop法(確定性設計公式)計算結果見表2。對比可見，在相同高程下，設有消浪肩臺的斷面能夠顯著降低越浪量。

表2 越浪量計算結果

3 斜坡堤堤頂高程計算

3.1JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》

根據《防波堤與護岸設計規范》相關規定，對有胸墻的斜坡式防波堤，堤頂高程按照是否允許越浪分別設計。

1)對要求基本不越浪的防波堤，胸墻頂高程宜定在設計高水位以上不小于1.0倍設計波高值處。

2)對不允許越浪防波堤參照不允許越浪的沿海港口護岸設計，有胸墻時的墻頂高程可按下式確定：

Zc=Hw+R+a

(5)

式中：Zc為岸段高程(m)；Hw為設計高水位(m)；a為富裕值；R為波浪爬高(m)，建議通過模型試驗確定復雜斜坡式斷面的波浪爬高值，對在靜水位上、下半個波高范圍內設置戧臺、戧臺寬度為0.5～2倍波高時，爬高可相應減小10%～15%。

3.2 GBT 51015—2014《海堤工程設計規范》

根據《海堤工程設計規范》相關規定，堤頂高程應根據設計高潮位、波浪爬高及安全加高值，并應按下式計算：

Zc=hP+RF+A

(6)

式中：Zc為設計頻率的堤頂高程(m)；hP為設計頻率的高潮位(m)；RF為按設計波浪計算的累積頻率F的波浪爬高值；A為安全加高值。

3.3 《浙江省海塘工程技術規定》

根據《浙江省海塘工程技術規定》5.1.1條，塘頂高程計算公式如下：

ZP=HP+RF+ΔH

(7)

式中：ZP為設計頻率的塘頂高程(m)；HP為設計頻率的高潮位(m)；ΔH為安全加高值；RF為按設計波浪計算的累積頻率F的波浪爬高值。

3.4 斜坡堤頂高程計算結果

由以上3個公式可見，波浪爬高是決定堤頂高程的關鍵因素，式(5)中規定設有符合規范要求的消浪肩臺，波浪爬高可以減小10%～15%；對帶有消浪肩臺的斜坡堤，式(6)和式(7)均提出應將肩臺的尺寸折算成斷面的綜合折算坡度，再利用折算坡度計算波浪爬高。應用上述公式，計算有、無消浪肩臺斜坡堤斷面的設計頂高程，結果見表3。對比可見，設置消浪肩臺可顯著降低斜坡堤堤頂高程。

表3 堤頂高程計算結果

4 物理模型試驗

在保證結構穩定的前提下，為了驗證消浪肩臺在改善越浪量方面的效果，并與經驗公式計算結果對比，針對防波堤頂高程確定的標準開展了結構斷面物理模型試驗[5]。模型試驗分別針對有無消浪肩臺的情況，測量了不規則波作用下防波堤堤頂越浪量情況，從而驗證確定波堤頂高程的合理性和最優性。試驗模型按重力相似準則設計，結構斷面尺寸滿足幾何相似，試驗斷面見圖5，越浪量和高程驗證結果見表4。

圖2 越浪量物理模型試驗

表4 越浪量試驗結果

通過試驗驗證，在保證穩定的前提下，無肩臺斷面的堤頂高程需11 m才能滿足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求，設置消浪肩臺斷面的堤頂高程8.5 m即可滿足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求。試驗中斜坡堤通過增設消浪肩臺可將頂高程降低22.7%。

5 工程量和造價

根據規范相關要求，斷面2b)設置了長11 m的(0.5～2倍波高)消浪肩臺，與斷面1a)相較，降低了高度，但是增加了寬度，斷面2b)的工程量有所增加，經計算，每延米造價分別為15.04萬元和14.83萬元，每延米造價增加約1.4%。本例中游艇碼頭防波堤需要綜合考慮安全性和景觀性，過高的堤頂高程不僅影響與現有陸域(高程約8 m)的連接，而且大大降低了親水景觀觀賞效果，因此，在造價增加有限的情況下，推薦采用設計斷面2b)。

6 結論

1)我國平均越浪量計算公式適用條件稍嚴格，對于復雜斷面的越浪量，規范建議通過模型試驗確定；EurOtop方法考慮因素比較全面。

2)海堤越浪和波浪爬高是比較復雜的水體運動，對于復雜斷面，理論公式計算難以給出十分精確的結果，因此對于復雜防波堤斷面，建議通過物理模型試驗進行驗證，從而精確優化堤頂高程設計。

3)理論計算和物理模型試驗都證實，設有合適消浪肩臺的防波堤可顯著減少越浪量、降低波浪爬高，從而降低堤頂高程。

4)本文通過多種方法計算和確定防波堤頂高程，水利工程規范相較港口工程規范計算標準更高，對于重要港口工程，防波堤堤頂高程在滿足港口工程規范的基礎上，可適當參考水利工程規范綜合確定。