斜坡式海堤工后沉降和越浪量研究*

葉 飛

(浙江省水利水電工程質量與安全管理中心，浙江 杭州 310012)

海堤地基多為軟土，建成后會產生很大的沉降量。地基沉降后波浪爬高越過堤頂的概率增加，并使越浪量增大，造成海堤損壞、財產損失和人員傷亡等嚴重后果。近年來，國內外學者對斜坡式海堤開展了平均越浪量現場或模型試驗研究，并與經驗公式進行對比分析。王登婷等[1]研究了風對海堤越浪量的影響，提出對經驗公式中的風校正因子進行修正；陳銘輝等[2]研究了斜坡堤平臺和坡肩護面類型對越浪量的影響，并推薦van der Meer公式對越浪量進行計算；朱嘉玲等[3]分析和討論了波浪入射方向與斜坡堤越浪量的關系，提出了修正的Hebsgaard越浪量公式；安蒙華等[4]建立了斜坡堤胸墻結構參數與越浪量之間的經驗公式；張博文等[5]基于海堤工程原型觀測的波浪要素和越浪量分析，推薦了海堤工程設計規范公式；周雅等[6]研究斜坡堤不同波要素和斷面尺度對平均越浪量的影響，認為陳國平公式計算結果更加準確；Mase等[7]針對日本海堤特點，提出陸地或極淺水中建造的海堤波浪爬高和越浪量的預測公式；Troch等[8]對碎石堆斜坡堤上的波浪量進行現場測量，認為van der Meer公式和基于Owen Besley的修正公式較好；Amir等[9]基于平滑傾斜海堤越浪試驗數據提出越浪量公式；Orimoloye等[10]研究單峰和雙峰波作用下斜坡堤的越浪特征，認為EuroOtop公式越浪量與單峰波結果一致，但雙峰波時需對EuroOtop公式進行修正；鐘杰等[11]研究涌浪作用下斜坡堤(單坡、無擋浪墻)的平均越浪量，推薦越浪量人工神經網絡計算方法；倪琦[12]研究斜坡堤越浪量的各影響因素，構建了基于人工智能算法的越浪量預測模型。

目前針對新建海堤越浪量及其影響因素的研究較多，但由于沉降或泥沙淤積導致海堤工后堤頂下降和堤前坡度發生明顯的變化影響了海堤越浪量，此時越浪量是否滿足規范要求，需要通過模型試驗進行驗證，因此開展海堤工后沉降和越浪量研究十分必要。本文以溫州淺灘一期圍涂斜坡式海堤為例，分析海堤工后堤頂沉降量以及沉降和泥沙淤積對斷面形式的影響，結合不同斷面的堤頂沉降量、堤前泥沙淤積情況和波浪因素，選擇典型模型試驗斷面研究平均越浪量，分析越浪量的影響因素，判定海堤工后越浪量是否滿足規范要求，為類似軟土地基海堤工后越浪量的研究提供參考。

1 工程概況

溫州淺灘一期圍涂斜坡式海堤位于甌江口靈昆島下游，由南圍堤、東圍堤、北圍堤和一座排水涵閘組成，具體位置見圖1，其中南圍堤長5 929.23 m，2007年1月開工，2011年6月完工；東圍堤長3 538.04 m，2006年3月開工，2010年10月完工；北圍堤長5 287.75 m，2003年4月開工，2006年3月完工。圍堤頂部均有防浪墻，堤頂高程按不允許越浪設計，設計潮位和波浪要素均為50 a一遇。海堤地基為淤泥軟土地基，造成海堤工后產生了不同程度的地基沉降。此外，甌江口上游來水帶來大量的泥沙，在堤前外海側形成了不同厚度的泥沙淤積。2020年對海堤不同斷面沉降量和泥沙淤積進行了測量。由于北圍堤內側已建設公路，其斷面形式已變為路基結合斷面，因此沉降量分析和越浪量研究主要以南圍堤和東圍堤為主。

圖1 工程平面布置

2 海堤工后沉降量分析

南圍堤防浪墻設計高程為8.3 m和9.1 m，工后高程在7.14～8.00 m，平均沉降量為1.19 m；沉降量最大斷面是S3+400斷面，為1.55 m；最小斷面是S1+620斷面，為0.84 m。東圍堤防浪墻設計高程為8.33 m和8.53 m，工后高程在7.15～7.62 m，平均沉降量為1.02 m；沉降量最大斷面是E2+030和E3+500斷面，為1.18 m；最小斷面是E4+070斷面，為0.90 m。堤頂不同斷面的沉降量見圖2。

圖2 海堤工后不同斷面堤頂沉降量

為了反映南圍堤和東圍堤堤頂沉降的不均勻程度，定義不均勻系數：

(1)

圖3、4為南圍堤和東圍堤的設計斷面和沉降斷面。由于沉降和泥沙淤積，使堤前水深和沉降斷面形式較設計時均發生了明顯的改變，堤前斷面坡度明顯變緩。從堤頂到堤底的坡度變化特點是：防浪墻坡度較陡，消浪平臺無坡度，護坡坡度較緩，泥沙淤積面坡度更緩，南圍堤S3+400和S4+600斷面的坡面四角空心方塊護面部分消失。張博文、Troch、Orimoloye、舒葉華等[13]和陳國平等[14]推薦了海堤工程設計規范公式、van der Meer系列公式(如EurOtop2007和EurOtop2018公式)、陳國平公式等對平均越浪量進行計算，但公式都有相應的使用范圍且主要用于新建海堤，預測海堤工后越浪量會產生很大的誤差。因此，本文擬通過模型試驗研究平均越浪量。

圖3 南圍堤設計斷面和沉降斷面(高程：m；尺寸：mm)

3 模型試驗

3.1 試驗布置

試驗在長波浪水槽中進行，水槽長50 m、寬0.8 m、深1.0 m。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規則波造波機，由計算機控制模型試驗所需要的波浪要素。水槽縱向分為兩部分，每部分寬均為0.4 m，一部分布置海堤工后試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。

3.2 模型設計和測量方法

試驗采用正態模型，按重力相似準則設計。模型比尺根據場地條件和工程的平面尺寸進行確定，坡面四腳空心方塊采用水泥加鐵粉配制，質量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程要求。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，波高采用電容式數字波高儀測量。平均越浪量采用有機玻璃接水箱收集并測量水質量，每個斷面試驗3次，取3次測量平均值作為結果。

3.3 試驗水位和波浪模擬

試驗斷面水位為50 a一遇設計高潮位5.07 m，南圍堤和東圍堤不同堤段的波浪要素見表1。試驗采用不規則波JONSWAP波譜，試驗開始前需要進行波浪要素率定，將造波機產生的波要素和設計波要素進行比較，滿足規范規定的允許誤差。

表1 試驗設計波浪要素

3.4 模型試驗斷面的選擇

從圖3可知，南海堤泥沙淤積最嚴重的斷面為S3+400，結合堤頂沉降量確定S0+360、S1+170、S3+400和S4+600這4個典型斷面進行模型試驗。從圖4可知，東圍堤泥沙淤積最多的斷面為E0+200，結合堤頂沉降量確定E0+200和E2+030兩個典型斷面進行模型試驗。考慮泥沙淤積以細沙為主，且經過多年淤積固結，泥沙淤積面可認為是不可滲透光滑條件。對選擇的典型斷面開展越浪量模型試驗，S0+360和S1+170斷面模型比尺取1:10，時間比尺取3.162；S3+400和S4+600斷面模型比尺取1：20，時間比尺取4.472；E0+200和E2+030斷面模型比尺取1:15，時間比尺取3.873。

圖4 東圍堤設計斷面和沉降斷面(高程：m；尺寸：mm)

4 海堤工后平均越浪量分析

由于海堤所在區域波浪為斜向波，在斷面試驗中未考慮波浪入射角β的影響，因此需要對平均越浪量進行修正。波浪斜向入射系數Or計算公式如下[15]：

Or=1-0.000 152β2

(2)

式(2)的適用范圍為0°<β≤60°，當β>60°時，取60°計算。表2給出了南圍堤和東圍堤典型斷面越浪量測量和修正結果。

由表2可知，從整體上看，南圍堤的越浪量要小于東圍堤。對于南圍堤，S3+400和S4+600斷面具有相同的波浪要素和堤頂超高，且堤前坡度變化相差不大，但S3+400斷面的越浪量較大，堤頂有躍浪，原因在于S3+400斷面的堤前水深較大，水深增大導致越浪量增大；S0+360和S1+170斷面的越浪量相同，堤頂有少量躍浪，雖然S1+170斷面堤頂超高大于S0+360斷面，堤頂超高使越浪量減小，但S1+170斷面的堤前水深大于S0+360斷面，而坡陡卻小于S0+360斷面，堤前水深增加和坡陡減小導致越浪量增大，因此綜合考慮堤前水深、堤頂超高和坡陡對越浪量的影響，兩個斷面越浪量相同。對于東圍堤，E2+030和E0+200斷面具有相同的波浪要素并且坡度變化相差不大，但E2+030斷面的平均越浪量明顯高于E0+200斷面、堤頂有越浪，原因在于E2+030斷面不僅堤頂超高比E0+200斷面小，而且堤前水深也較E0+200斷面大。

《浙江省海塘工程技術規定》中關于“允許部分越浪海塘的越浪量計算”規定，設計頻率波浪下的最大允許越浪量為0.05 m3/(s·m)。南圍堤和東圍堤在50 a一遇設計高潮位和波浪條件下，海堤工后平均越浪量均能滿足規范的要求。另外，在波浪連續作用3 h下，南圍堤S3+400和 S4+600斷面四角空心方塊表面整體未發現明顯變形，不喪失護坡功能，因此判定斷面護坡整體穩定。

5 結論

1)南圍堤堤頂沉降量最大斷面是S3+400斷面、最小斷面是S1+620斷面，東圍堤堤頂沉降量最大斷面是E2+030和E3+500斷面、最小斷面是E4+070斷面，南圍堤堤頂沉降量不均勻程度要大于東圍堤。

2)南圍堤和東圍堤的堤頂沉降和泥沙淤積導致斷面形式發生了明顯變化，堤前坡度明顯變緩，南圍堤斷面護面四角空心方塊部分消失。

3)南圍堤平均越浪量最大斷面是S3+400斷面、最小斷面是S0+360和S1+170斷面，越浪量主要取決于堤前水深、堤頂超高和坡陡等影響因素；東圍堤平均越浪量最大斷面是E2+030斷面，越浪量主要取決于堤頂超高和堤前水深等影響因素。南圍堤和東圍堤的平均越浪量在0.001 8～0.024 m3/(s·m)，均小于0.05 m3/(s·m)，能夠滿足規范要求。