“一種海堤越浪回排結構”技術應用實踐

鐘 興，陳俊昂，王 帥

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

允許越浪是海堤工程建設中采用的常用選項[1-3]，對越浪水量處置方式一般采用以下2種：第1種是通過排水溝等設施收集越浪量后，排入堤后保護區水系或市政排水系統，但此舉會明顯加大工程保護區的排澇壓力，將間接導致保護區排水設施規模加大，增加建設成本；第2種是在防浪墻背側設置排水溝，并在排水溝中設置排水管通往海堤迎水坡外側，如專利號為CN201921427936.7的中國專利文獻所公開的“越浪堤防后坡排水系統”[4]，但此做法無法在高潮位情況下排水，需沿海堤設置較多的穿堤排水管，且排水管出口位于迎水坡上部；此外為了防止波浪通過排水管逆向流進排水溝，還需在每個排水管出口設置類似拍門的裝置，對運行管理帶來不便。

近年來為了解決生態和城市景觀等問題，同時避免海堤“圍城”，常通過加大工程堤后越浪量的方式降低設計堤頂高程，因此，尋找一種有利于越浪量自排，對海堤結構影響小，且運行管理方便的排浪結構，對減輕保護區的排澇壓力和海堤的運行管理無疑具有重大意義[5-6]。

2 新技術原理與核心摘要

“一種海堤越浪回排結構”技術包括集浪溝、蓄浪井、防浪涌消能板和回排通道，該技術原理與核心創新點摘要如下[7](見圖1)。

剖面示意

1) 通過設置在海堤6堤頂的集浪溝1收集沿途越浪水量，并排入到一定容量的蓄浪井2中，蓄浪井2收集越浪水量后井內水面高度逐步升高，而海堤外側海域水面在風浪的作用下呈波狀漲落，當蓄浪井2內的水面高度高于海域水面高度時，在水體重力的作用下，蓄浪井2內收集的部分越浪水量順著防浪涌消能板4，通過回排通道5流至海域中，至井內水面高度接近海域水面高度。

2) 在風浪的波峰時段，海域水面高度升高，風浪的壓力使海域底部的水體通過回排通道5流動至蓄浪井2下部，此時水體流向與防浪涌消能板4正常流向逆反，消能板發揮消能作用，減少浪涌進入到蓄浪井2上部。

按以上順序輪回，海堤越浪回排結構不斷將越浪回排至海域中，而無需排入堤后保護區水系或市政排水系統，從而減少保護區的排水設施規模，一定程度上降低工程建設的成本。

3 應用實踐

3.1 項目概況

南沙新區靈山島尖南段海岸及濱海景觀帶建設工程[8]位于廣州市橫瀝鎮靈山島尖南段海岸，工程建設范圍西起靈山島南岸上橫瀝大橋處，沿島南岸東至島尖現狀堤防并折往北岸至現狀的靈山島尖涌北段河口，工程內容包括按200年一遇的防洪(潮)標準達標改建1級海堤長3.66 km，結合海岸布置的濱海景觀帶建設以及沿岸的水閘、泵站、碼頭等設施建設。靈山島尖位于南沙新區明珠灣區起步區，是廣東自貿區南沙片區的重要組成，處于粵港澳大灣區的幾何中心，規劃總用地面積約3.55 km2，城市功能定位為面向世界的粵港澳全面合作高端商務示范區[9]。

經堤防基本斷面型式比選論證，本項目除碼頭段以外，均采用了“多功能生態海堤架構體系”技術[10]，在降低堤頂高程同時增加堤后越浪量。為了減少保護區的排澇壓力，工程同時采用了“一種海堤越浪回排結構”，避免越浪量進入工程堤后保護區。

本項目堤后保護區域為城市建設用地，規劃地面平整高程為7.50 m左右，根據《海堤工程設計規范》(GB/T 51015—2014)，防浪墻高程應根據設計高潮(水)位、波浪爬高及安全加高值確定，并應高出設計高潮(水)位1.5～2.0 m，防浪墻頂高程按下式確定：

Zp=Hp+RF+A

(1)

式中：

Zp——設計頻率的堤頂高程，m：

Hp——設計頻率的高潮(水)位，為7.93 m；

RF——按設計波浪計算的累積頻率為F的波浪爬高值，(海堤按不允許越浪設計時取 ，按允許部分越浪設計時取 )，m；

A——安全加高值，本工程按按允許部分越浪設計取A=0.5 m。

經計算，若不采取消浪措施，防浪墻頂高程將達到9.33～10.10 m。

若按上述計算結果確定防浪墻頂高程，防浪墻將高出規劃地面平均約1.83～2.60 m，將造成堤防“圍城”的境況，隔絕了城市、人、水，不符合本項目的設計理念和設計愿景。本項目需營造共享開放的濱水空間景觀，通過設置低矮的防浪墻，則需設法化解應防浪墻頂高度不足而帶來的水安全問題。

根據海堤設計規范堤頂高程的最低要求，對比復核設計潮水位的需要，土堤頂高程確定為8.50 m。風暴潮通過植物、臺階等多種消浪措施降低風浪爬高，設置多級消浪的平臺，有效降低波浪爬高，同時有效減少堤后越浪量。

3.2 越浪量的情況

項目設計初期，采用防洪堤波浪斷面和局部物理模型試驗方法對越浪量進行了測試。

試驗依照《波浪模型試驗規程》相關規定，采用正態模型(如圖2所示)，按照Froude數相似律設計。根據設計水位、波浪要素、試驗斷面及試驗設備條件等因素，斷面試驗模型幾何比尺取為1∶10[11]。

圖2 堤岸物理模型試驗照片示意

波浪按重力相似準則模擬，不規則波波譜取JONSWAP譜。將按模型比尺換算后的特征波要素輸入計算機，產生造波訊號，控制造波機產生相應的規則波和不規則波序列。每組試驗不規則波波數大于150個，每組試驗重復3次。模型試驗中波高和周期模擬值與設計值的誤差控制在±2%以內。

迎浪面采用混凝土沉箱結構，沉箱頂部厚為300 mm的干砌條石海岸步道，頂高程為6.5 m，寬為6.0 m；其后海岸親水帶采用厚為400 mm預制瓶孔磚，寬為6.0 m；在末端設置第1道防浪墻，防浪墻頂高程為8.3 m，第1道防浪墻后寬為25.0 m的濱海綠化帶，在寬15.0 m處設置第2道防浪結構，第2道防浪結構頂高程為9.0 m。

在200年一遇水位及相應200年一遇波浪(H13%=0.94 m,Tp=3.17 s)作用下，由于社區段堤岸第1道防浪墻頂高程較低為8.50 m，越浪較大，試驗測得第1道防浪墻頂越浪量為1.6× 10-2m3/(m·s)。通過物理模型可知，本工程堤防長度為3.66 km，3 h(臺風登錄潮位保持時間)的越浪量將是巨大的，如此大的越浪量進入保護區，區內排水系統將不堪重負。

3.3 技術應用

為了有效減輕工程堤后保護區的排澇壓力，本項目提出了2道防浪墻及蓄浪空間的設想：即于堤頂防浪墻之前的景觀平臺外側，加設1道防浪墻，用于消減風浪以降低風浪至堤頂防浪墻時的爬高；同時，第1道防浪墻可形成對后方景觀帶的防護，避免景觀帶遭受常遇頻率潮水和風浪的破壞。此外，利用第1道防浪墻與第2道防浪墻之間形成的空間，暫蓄越浪，并利用風浪的間歇性通過排水措施自排回河道中，避免越浪流至堤后城市防護區，增加了城市防護區的排水量[12]。

本技術應用主要對越浪量進行收集，并建立與其相匹配的自排通道。通過在蓄浪空間低洼處設置堤防沿線集浪溝，并匯集越浪水量排入到蓄浪井中，蓄浪井收集越浪后井內水面高度逐步升高，而海堤外側海域水面在風浪的作用下呈波浪狀漲落，高度隨之起伏，當蓄浪井內的水面高度高于海域水面高度時，在水體重力的自然作用下，蓄浪井內收集的部分越浪量通過回排通道回流至海域中，至井內水面高度接近海域水面高度。在風暴潮來臨期間，不停歇的收集和回排，有效減少了堤后越浪量(技術應用斷面見圖3，技術應用現場實景照片見圖4)。

圖3 技術應用斷面示意

圖4 技術應用現場實景照片示意

3.4 應用效果

本項目通過應用“一種海堤越浪回排結構”，一是有效解決了堤防“圍城”過程中，降低設計堤頂高程而引起的較多的越浪量；二是運行管理方便的排浪結構，對減輕工程保護區的排澇壓力、提升海堤的運行管理水平具有重大意義。

2017年臺風“天鴿”、2018年臺風“山竹”均在本工程所屬區域登錄，2次臺風暴潮南沙站的實測水位分別為8.14 m、8.19 m，均高于本工程設計200年一遇水位(7.93 m，P=0.5%)。在本工程基本完工的情況下，得益于海堤的消浪、越浪回排體系，未發生堤后越浪進入市政排水系統的情況，越浪量順暢自排至外江，有效保障了島內排澇和防洪安全(如圖5所示)。

圖5 遭遇臺風“山竹”時實景示意

4 結語

“一種海堤越浪回排結構”能夠將堤防越浪量收集后以自排的形式回排到海域中，一是無需排入工程堤后保護區水系或市政排水系統，減少了工程保護區排水設施的規模，降低了工程整體建設成本；二是建造相對簡單，對海堤結構整體安全穩定影響較小，運行管理也較為方便,具有良好的推廣應用前景。本海堤越浪回排結構同步在廣州市南沙區靈山島尖竹湖南側海堤工程[13]、廣州市南沙區明珠灣區慧谷片區(工業區涌至大角山)超級堤工程[14]進行應用。