堤頂高程受限的海堤斷面優(yōu)化設計

麥宇雄

摘要：針對深圳機場三跑道海堤堤頂高程受機場航空限高制約，并同時需要滿足設計波浪條件下堤后越浪量標準的問題，根據(jù)直立式和斜坡式海堤結(jié)構(gòu)自身的水力學特性，分別采用胸墻挑檐和更換護面塊體類型的工程方法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，使得波浪作用下的堤后越浪量有所減少。采用波浪整體物理模型試驗對優(yōu)化前后的海堤結(jié)構(gòu)斷面設計方案在波浪作用下的越浪量進行驗證，分別統(tǒng)計分析了不同位置斷面處的實際越浪量。結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案在設計波浪作用下的越浪量相比未優(yōu)化結(jié)構(gòu)顯著減小。因此，合理的挑檐設計和護面人工塊體選型可以有效控制波浪作用下堤后的越浪量，在堤頂高度受限條件下充分提高堤后安全性。設計案例可為類似的工程設計提供參考。

關(guān)鍵詞：海岸動力學;航空限高;越浪量;挑檐式擋浪墻;扭王塊

中圖分類號：U656.31+3文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx04010

Abstract： In view of the problem that the seawall top elevation of the third runway of Shenzhen Airport is restricted by both the clearance limit and the overtopping volume standard behind the seawall， according to the different hydrodynamic characteristics of vertical structure and slope structure， the overtopping volume behind the seawall is reduced by adopting the engineering means of breast wall eaves and replacing the armor block type on the slope surface， respectively. After validating the optimized design scheme with experimental test by statistical analysis of actual overtopping at different cross sections， the validation results show that the overtopping of the optimized structure under the designed wave is significantly smaller than that of the original structure. The result shows that the reasonable eaves design and artificial block selection on slope surface can effectively reduce the wave overtopping volume， which can enhance the safety under the condition of limited top height of the embankment. The design case of this project can provide reference for similar engineering design.

Keywords：coastal dynamics; clearance limit; overtopping volume; eaves-type retaining wall; accropode

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人類的經(jīng)濟活動日趨頻繁，海岸工程的建設密度也隨之加大，其互相影響、互相干擾制約也日趨嚴重和復雜。另外，隨著全球氣候變化，極端災害天氣有加頻加劇的趨勢，對保護沿岸建筑不受波浪侵襲的海堤工程也提出了更高的要求。本文結(jié)合工程實例，研究在滿足堤后越浪量標準的前提下，受機場航空限高制約的海堤斷面方案，采用規(guī)范公式對斜坡堤堤頂高程和越浪量進行計算，采用經(jīng)驗公式對直立堤堤頂高程和越浪量進行計算，并采用波浪局部物理模型試驗方法對優(yōu)化方案進行驗證。

1工程概況

深圳機場三跑道擴建工程陸域形成及軟基處理工程位于深圳寶安國際機場已建二跑道以西，已建廣深沿江高速機場特大橋以東，規(guī)劃用海面積約2.927 km2，陸域形成面積約2.743 km2。三跑道外海堤總長約7 665 m，北外海堤長1 196 m，距離福永河對岸最小距離約260 m;西外海堤長5 687 m，距離廣深沿江高速機場特大橋距離為60～230 m，距離三跑道中心線距離約227 m;南外海堤長782 m，距離廣深沿江高速機場特大橋約130 m。平面布置圖見圖1。圖

本工程的海堤工程級別為1級，防洪（潮）標準為200年一遇，堤后允許越浪量小于0.02 m3/（m·s）。工程區(qū)域地質(zhì)條件復雜，場地軟弱土層厚度在3～14 m之間，且物理力學指標極差，受沿江高速機場特大橋限制，本工程建設導致的沿江高速橋墩附加位移需小于5 mm[1]，經(jīng)綜合分析并根據(jù)三維有限元軟件計算結(jié)果，距離沿江高速130 m以內(nèi)的外海堤采用直立堤結(jié)構(gòu)方案，其余外海堤采用斜坡堤結(jié)構(gòu)方案。本工程前期階段外海堤結(jié)構(gòu)方案如下。

直立堤采用斜撐鋼管組合板樁的結(jié)構(gòu)方案，斜撐樁采用Φ1 600 mm鋼管樁，斜率為3∶1，板樁墻采用Φ1 400 mm鋼管樁+鋼板樁的組合結(jié)構(gòu)，斜撐樁和鋼管板樁墻通過頂部現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺連為一體，承臺海側(cè)設置擋浪墻，墻頂高程7.27 m，堤后吹填砂形成陸域。前期直立堤結(jié)構(gòu)方案見圖2。

坡堤堤心采用1～500 kg塊石，海側(cè)邊坡1∶1.5，護面采用造價較省的3 t四腳空心塊[2]，護面塊體下設150～300 kg墊層塊石，坡腳設600～800 kg塊石棱體（兼作護底結(jié)構(gòu)），堤頂外側(cè)設置“L”型現(xiàn)澆混凝土擋浪墻，墻頂高程7.66 m，堤后吹填砂形成陸域。前期斜坡堤結(jié)構(gòu)方案見圖3。圖3前期斜坡堤方案

Fig.3Original scheme of slope embankment

根據(jù)深圳機場三跑道擴建工程防洪排澇專題研究成果和防洪影響評估報告及政府主管部門批文，本工程直立式海堤和斜坡式海堤的擋浪墻頂高程分別不低于7.27 m和7.66 m。本工程外海堤前沿線距離深圳機場三跑道中心線距離為227 m，受機場跑道側(cè)向航空限高制約，海堤堤頂高程不能超過15 m安全限高線，同時考慮到海堤搶險通道的使用高度和富裕高度，海堤堤頂高程不宜超過7.86 m。

直立堤采用200年一遇高水位和200年一遇波浪進行計算，計算所得擋浪墻頂高程約8.5 m。按前期階段設計方案和7.27 m堤頂高程計算的直立堤頂越浪量約為0.069 5 m3/（m·s），不能滿足規(guī)范對越浪量的要求。

2.2應對策略

綜上，根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗公式計算的斜坡堤和直立堤堤頂高程均超過了深圳機場三跑道航空限高的堤頂高程，影響航空飛行安全，該堤頂高程不能采用。如按前期階段設計方案所用的堤頂高程和設計斷面，計算堤后越浪量又超過規(guī)范允許值。因此，需對海堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在滿足機場航空限高的前提下，優(yōu)化海堤設計斷面及其堤頂高程，滿足堤后越浪量允許值要求。

3方案優(yōu)化與模型試驗

3.1方案優(yōu)化

根據(jù)以上分析，直立堤的優(yōu)化方向：一是采用航空限高所要求的7.86 m作為直立堤堤頂高程;二是直立堤越浪量主要與擋浪墻形狀相關(guān)，可采用反弧形或挑檐式擋浪墻[6]。雖然挑檐式擋浪墻波浪力較大，但減少越浪量效果較好。由于理論計算的越浪量較大，因此擬采用挑檐式擋浪墻的方案，優(yōu)化方案見圖4。

斜坡堤的優(yōu)化方向：一是與直立堤一致，統(tǒng)一采用航空限高所要求的7.86 m作為堤頂高程;二是斜坡堤堤后越浪量主要受迎浪面斜坡坡度和護面塊體影響[7]，以及是否有消浪平臺有關(guān)，但由于本工程用海面積已基本確定，且從保護海洋環(huán)境的角度出發(fā)，應盡量減少用海面積，因此不宜采用消浪平臺和減緩斜坡坡度的工程措施來減少越浪量。本工程擬采用扭王塊護面代替四腳空心方塊的方案，優(yōu)化方案見圖5。

3.2模型的建立及試驗工況設定

工程區(qū)域外海主要浪向與外海堤軸線夾角較小，為精確測試斜向浪作用下的堤后越浪量，模擬波浪與外海堤的實際夾角，采用波浪局部整體物理模型試驗驗證優(yōu)化方案的合理性[8-9]。

波浪局部整體物理模型試驗在河海大學40 m×60 m×1.5 m的大型波浪港池中進行，港池一端裝有多向不規(guī)則波造波機系統(tǒng)，可按要求模擬規(guī)則波和各種譜型的不規(guī)則波[10]，港池四周裝有消浪設施以減小波浪的二次反射[11-12]，波高采用DJ-800型多功能數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)處理及分析[13-14]。

海堤試驗段長度約600 m，包括直立堤、斜坡堤及直立堤與斜坡堤的銜接段。為提高試驗精度、還原真實場景，模型還模擬了廣深沿江高速機場特大橋，試驗模型比尺為1∶30，采用的不規(guī)則波頻譜為JONSWAP譜[15]。采用集水稱重法測量堤頂平均越浪量，即一個完整的波序列作用產(chǎn)生的總越浪量除以波浪作用的總時間。試驗中對模型分段進行越浪量測試，每段長1 m左右。試驗模型及布置見圖6。

3.3試驗結(jié)果及優(yōu)化方案

試驗進行了100年、200年重現(xiàn)期的設計高潮位及相應的100年、200年重現(xiàn)期的波浪組合試驗，試驗越浪量結(jié)果見表1。

試驗結(jié)果表明，SSW-SW向波浪產(chǎn)生的越浪量大于S-SSE向波浪產(chǎn)生的越浪量，W-WSW向波浪雖然是正向作用，但由于波高較小，幾乎不產(chǎn)生越浪。最大越浪量出現(xiàn)在200年潮位及200年一遇波浪作用下，波向為SSW-SW，即波浪與海堤垂線夾角為30°時，直立堤最大越浪量為0.015 m3/（m·s），斜坡堤最大越浪量為0.012 m3/（m·s），滿足規(guī)范要求。

4結(jié)語

通過優(yōu)化海堤斷面和平面布置，并結(jié)合模型試驗驗證的方法，解決了限高條件下的海堤越浪量控制問題，取得了理想的設計效果。研究得到如下主要結(jié)論。

1）通過對比規(guī)范和經(jīng)驗公式計算的越浪量與波浪局部物理模型試驗結(jié)果的越浪量可以看出，規(guī)范和經(jīng)驗公式計算值稍大，結(jié)果偏于保守。

2）本工程斜坡堤采用扭王塊護面的優(yōu)化方案，比四腳空心方塊護面的初始方案消浪效果好，且能滿足規(guī)范要求，優(yōu)化方案合理可行。

3）本工程直立堤采用挑檐式擋浪墻方案可有效減小越浪量，優(yōu)化方案合理可行。

根據(jù)波浪局部物理模型試驗結(jié)果，波浪與海堤軸線夾角為30°的越浪量大于夾角為40°的越浪量，可以看出斜向波作用下，并不是波浪與海堤夾角越大越浪量就越大，對于斜向波作用下的越浪量還有待深入研究。

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