允許部分越浪海堤設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用

孫永林

1 概述

隨著上海城市人口的持續(xù)增加和城市建設(shè)的不斷發(fā)展,土地需求與可利用灘涂資源稀缺的矛盾日益突出,大量的促淤和圈圍造地項(xiàng)目的快速實(shí)施使高灘資源趨于枯竭。目前上海地區(qū)均按不允許越浪海堤設(shè)計(jì),堤頂高程較高,投資相對(duì)較大,隨著圈圍工程不斷向深灘推進(jìn),地質(zhì)條件與施工條件變得更差,風(fēng)浪要素則隨著水深的增加而加大,若仍按此準(zhǔn)則設(shè)計(jì),圍堤工程的造價(jià)將更大,同時(shí)工程的實(shí)施難度也將大大增加。因此開展允許部分越浪的圍堤設(shè)計(jì)研究,降低堤身高度,節(jié)約工程造價(jià),具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

長興島電廠圩灘涂圈圍工程位于長興島東北側(cè),工程為上海地區(qū)首個(gè)按允許部分越浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)性海堤,本文結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)其圍堤斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式進(jìn)行探討。

2 允許越浪的海堤設(shè)計(jì)

海堤建設(shè)的主要目的就是抵御臺(tái)風(fēng)大浪的襲擊,保護(hù)堤后的財(cái)產(chǎn)安全,一般要求其強(qiáng)度和穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在大浪襲擊時(shí)海堤不受到損壞。一般的海堤堤頂高程設(shè)計(jì)時(shí)均將頂高程取為大于設(shè)計(jì)潮位加波浪爬高再加上安全超高的高程,即按不允許越浪的標(biāo)準(zhǔn)。在允許部分越浪的海堤設(shè)計(jì)時(shí),既要使海堤的堤頂高程達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和高度,使其達(dá)到防洪潮標(biāo)準(zhǔn),又要適當(dāng)降低堤頂高程允許部分越浪以達(dá)到節(jié)約投資的目的,因此需以越浪量為標(biāo)準(zhǔn),在允許越浪的同時(shí)將越浪水量控制在最大允許越浪量之內(nèi),同時(shí)還要解決越浪水體對(duì)堤身護(hù)面結(jié)構(gòu)、堤頂路面等方面的影響,以及堤后越浪水體如何及時(shí)排除以免影響圩內(nèi)土地使用等方面的問題。

2.1 堤(防浪墻)頂高程

長興島電廠圩段允許越浪部分的圍堤斷面按單坡斷面設(shè)計(jì),最大允許越浪量按0.05 m3/(s?m)控制。圍堤按3級(jí)堤防設(shè)計(jì),防洪標(biāo)準(zhǔn)取50年一遇高潮位(5.88 m)加10級(jí)風(fēng)中值(26.5 m/s)組合。

在確定堤頂設(shè)計(jì)高程的過程中,根據(jù)不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)堤頂高程(防浪墻頂高程)進(jìn)行了比較,見表1。圍堤典型斷面圖見圖1。

表1 防浪墻頂高程計(jì)算比較

由此比較,按允許越浪設(shè)計(jì)的堤(防浪墻)頂高程比按不允許越浪設(shè)計(jì)時(shí)降低較多,可大大節(jié)省堤身高度,以節(jié)約工程造價(jià)。

2.2 越浪量

海堤的越浪量是指1 m單位寬度海堤上每秒鐘波浪越過海堤的水量,單位為m3/(s?m)。越浪量過大時(shí)亦將影響堤防的安全,因此當(dāng)海堤按照允許部分越浪設(shè)計(jì)時(shí),確定堤頂高程后應(yīng)計(jì)算越浪量,計(jì)算采用的越浪量不應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定的允許越浪量0.05 m3/(s?m)。根據(jù)表1防浪墻頂高程計(jì)算比較表中允許部分越浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防浪墻頂高度8.15 m時(shí),按規(guī)范計(jì)算在設(shè)計(jì)工況下越浪量為0.001 2 m3/(s?m),小于規(guī)范規(guī)定的允許越浪量0.05 m3/(s?m),因此,經(jīng)過越浪量的試算可適當(dāng)降低堤頂高程,并根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,堤頂高程取設(shè)計(jì)高潮位以上0.5 m,即6.40 m,防浪墻頂高程下降到7.00 m。

2.3 堤頂及內(nèi)外坡護(hù)面

為了節(jié)省工程投資,故在堤防頂部盡量利用防浪墻高度來降低堤頂路面高程,結(jié)合景觀視線及規(guī)范要求,防浪墻采用埋石混 凝土防浪墻,高出堤頂路面高度0.6 m。

作為按允許部分越浪設(shè)計(jì)的圍堤,根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.7和8.5.8條,按允許部分越浪設(shè)計(jì)的堤防堤頂宜采用抗沖護(hù)面,按允許越浪量不大于 0.05 m3/(s?m)設(shè)計(jì)的堤防堤頂三面均應(yīng)有保護(hù)。因此,堤頂采用混凝土路面,路面向內(nèi)側(cè)形成2%的泄水坡度,內(nèi)坡采用干砌塊石護(hù)面。外側(cè)坡面根據(jù)本區(qū)域風(fēng)浪情況選用柵欄板護(hù)面形式。

2.4 堤內(nèi)排水措施

作為允許越浪的試驗(yàn)性項(xiàng)目,工程主堤按全線均越浪考慮,為解決越浪水體可以及時(shí)排除,避免對(duì)圍內(nèi)場地的影響,在堤后設(shè)順堤向隨塘河,將所有的越浪量都調(diào)蓄在隨塘河里,同時(shí)兼顧圍內(nèi)場地的雨水排放,隨塘河與已臨近已建圩區(qū)內(nèi)的排水涵閘連通,逢外海低潮位時(shí)通過涵閘排出。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

由于目前海堤越浪量和允許越浪量的計(jì)算方法不夠完善,采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的越浪量相差較大,按允許部分越浪設(shè)計(jì)的海堤應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn)確定堤頂高程是否合適,為此委托河海大學(xué)對(duì)圍堤斷面進(jìn)行了模型試驗(yàn),為工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。經(jīng)斷面模型試驗(yàn),在設(shè)計(jì)工況下越浪量為0.050 2 m3/(s?m),大于計(jì)算數(shù)值。

針對(duì)模型試驗(yàn)與理論計(jì)算之間的差異,亦說明了允許越浪問題本身的復(fù)雜性,關(guān)于越浪計(jì)算的公式至今還是在一定試驗(yàn)條件下及適用于各個(gè)地方的經(jīng)驗(yàn)公式,缺乏其通用性。而受試驗(yàn)條件、試驗(yàn)范圍等因素的限制,越浪量室內(nèi)試驗(yàn)成果也有一定的局限性,應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合本地區(qū)特征進(jìn)行更廣泛的調(diào)研和深入研究。

4 結(jié)論與探討

1)采用允許部分越浪的堤防設(shè)計(jì)可大大降低堤頂高度,節(jié)約工程投資,具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。2)允許越浪的堤防設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)在于越浪量的大小和堤防的抗風(fēng)浪能力,必須控制好安全的越浪量。3)國內(nèi)外對(duì)越浪量計(jì)算已有不少的研究成果,但在推廣使用中仍需謹(jǐn)慎,對(duì)于越浪計(jì)算公式的使用范圍、不同地區(qū)的波浪特性仍應(yīng)深化研究。

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[2]吳挺松,吳 蕾,王希賢.淺談海堤防浪墻頂高程設(shè)計(jì)[J].浙江水利科技,2008(3)：23-24.

[3]SL 435-2008,海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].