海堤工程立體組合消浪關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

詹達(dá)美，龔春娟

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

重點(diǎn)海堤一般有位于開敞式海域、風(fēng)浪大等特點(diǎn)，因此重點(diǎn)海堤應(yīng)具備良好的消浪效果作用，以防波浪越頂破壞海堤。波浪爬高的主要影響因素有堤前水深、透水程度、海堤斜坡坡度、堤前波高以及坡面糙率等[1-4]，各國(guó)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究，得出的研究成果出入較大。因此，具體工程常需根據(jù)自身工程特性以及針對(duì)工程實(shí)際需求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。王?guó)玉[5]從新型結(jié)構(gòu)的透空式防波堤出發(fā)，分析不同條件對(duì)于透射系數(shù)和反射系數(shù)改變。張懷坤[6]在設(shè)計(jì)大壩護(hù)坡時(shí)使用糙塊加大護(hù)坡的消浪能力，得到消浪性能的重要參數(shù)糙滲系數(shù)K0，進(jìn)而可知粗糙護(hù)坡時(shí)波浪的爬高低于其他情況。盧永金等[7]對(duì)比工程實(shí)際應(yīng)用的規(guī)范與理論計(jì)算后發(fā)現(xiàn)兩種波浪爬高的計(jì)算結(jié)果相差很小，只是對(duì)于結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的處理略有差別。如今中國(guó)的海堤防浪護(hù)坡工程呈現(xiàn)出面廣量大的特點(diǎn)，為提高海堤防潮安全，進(jìn)行新型海堤消浪預(yù)制塊護(hù)坡研制以及消浪效果的試驗(yàn)研究是十分必要的。但目前研究采用的消浪塊體組合方式較為單一，沒有最大程度地發(fā)揮不同種類消浪塊體的優(yōu)勢(shì)，“一坡到底”的排列方式在保證安全的前提下沒有達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，降低了消浪塊體的工作效率，造成了材料浪費(fèi)。此外，由于物質(zhì)經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，人們對(duì)于海岸設(shè)計(jì)的生態(tài)性與景觀性有了新的需求。為此，急需開展海堤工程消浪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，提升海堤防護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性和生態(tài)景觀效果。

因此，本文研發(fā)了一種采用混凝土扭王字塊體、混凝土四腳空心塊體、鋼筋混凝土柵欄板、反弧型防浪墻等消浪防浪體的優(yōu)化組合技術(shù)，對(duì)海堤消浪措施的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，開展了消浪塊體的特性研究，探討了立體組合式消浪的布置特點(diǎn)，并且對(duì)立體組合式消浪技術(shù)的效果進(jìn)行了分析，最后結(jié)合工程應(yīng)用案例印證了本技術(shù)的可行性和良好效果，為類似工程提供了有益參考。

1 海堤護(hù)面消浪作用研究

1.1 波浪對(duì)海堤消浪措施的作用機(jī)理

海堤堤坡在沒有消浪的防護(hù)措施條件下會(huì)被波浪能破壞，直至破壞面到達(dá)斷面的平衡狀態(tài)。海堤被波浪破壞的主要原因如下：①海堤護(hù)坡的結(jié)構(gòu)重量或者厚度不夠，不可以很好地承受破波的射流沖擊或者坡面波動(dòng)的水流的沖刷或者內(nèi)壓力的浮托力；②由于邊坡沒有得到充分的保護(hù)，長(zhǎng)久時(shí)間下的沖擊，致使海堤破壞；③因?yàn)楹５痰牡添敻叱梯^低，且堤身的寬度不夠，堤身缺少合適的防護(hù)，最終破壞海堤。

1.2 消浪塊體特性研究

海堤臨海側(cè)坡面布設(shè)的消浪塊體種類有天然石材、人工混凝土塊體，天然石料更加經(jīng)濟(jì)，且耐久性能好，但消浪性能較差，人工消浪塊體能代替天然的石材，用自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)消能，降低爬高。扭王字塊體穩(wěn)定性較好，消能效果顯著，有雙層、多層擺放2種形式，多層擺放有增加厚度、增大孔隙率的作用，可以更好地護(hù)坡。四腳空心方塊的護(hù)坡穩(wěn)定性好，中間的透空使孔隙率增大，消浪效果更好，擺放后的四腳空心方塊更適合堤坡變形和利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合浪小水淺的地區(qū)。柵欄板以凹槽的造型形成反濾排水式，水流經(jīng)過凹槽的渦流作用會(huì)更改水流的流程，凹槽的孔隙消能可以消能、降低爬高，利于消浪以及安放的穩(wěn)定性。只依靠單體的穩(wěn)定性時(shí)連鎖作用不明顯，所以整體擺放的穩(wěn)定性有待考究。

文獻(xiàn)[8]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)最小爬高是扭王字塊體的，爬高相近的是柵欄板、四腳空心方塊，扭王字塊的空隙消浪效果好，整體厚度大可以更好的防止波浪推進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，護(hù)面消浪體的結(jié)構(gòu)類型和位置都會(huì)影響波浪的爬高，波浪上爬位置的消浪結(jié)構(gòu)型式對(duì)爬高的影響更大。圖1、2為無風(fēng)、有風(fēng)時(shí)越浪量大小，可知扭王字塊體的越浪量是最小，柵欄板和四腳空心塊體的越浪量相差不大。

圖1 無風(fēng)時(shí)越浪量

圖2 有風(fēng)時(shí)越浪量

2 海堤立體組合式消浪技術(shù)研究

2.1 立體組合式消浪布置特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外在海堤護(hù)面設(shè)計(jì)中大多采用一種消浪塊體[9-12]，組合式塊體的研究和應(yīng)用較少，由于波浪在堤坡上不斷變化，采用單一消浪塊體不能很好的削弱波浪力，根據(jù)各種消浪塊體的特點(diǎn)提出立體組合式消浪方法，研發(fā)了混凝土扭王字塊體、混凝土四腳空心塊體、鋼筋混凝土柵欄板、反弧型防浪墻等消浪防浪體的優(yōu)化組合技術(shù)，組合方式為在設(shè)計(jì)高潮位以下波浪底流速大的坡段安放消浪效果最好的混凝土扭王字塊體，在設(shè)計(jì)高潮位的位置設(shè)置混凝土四腳空心塊體增強(qiáng)消浪效果，設(shè)計(jì)高潮位以上為滿足景觀需求放置柵欄板，并且堤頂上用于挑浪的防浪墻為反弧型，立體組合消浪斷面型式見圖3。

圖3 立體組合消浪斷面型式

該項(xiàng)技術(shù)組合的擺放特點(diǎn)如下。

a)在設(shè)計(jì)高潮位以下混凝土扭王字塊體單層與隨機(jī)擺放相結(jié)合，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，與周圍塊體有很好的鉤聯(lián)效果，中國(guó)還沒有雙層安放的先例。組合技術(shù)突破性地采用雙層安放扭王字塊體，第一層采用單層規(guī)則安放，第二層采用隨機(jī)安放，隨機(jī)安放是根據(jù)第一層單層安放中存在空隙較大的位置由扭王字的中間構(gòu)件插入空隙中，解決雙層擺放的滾動(dòng)問題，加強(qiáng)塊體之間的鉤聯(lián)效果。

b)消浪平臺(tái)置于設(shè)計(jì)高潮位上，四角空心塊體的下部和扭王字塊體相接，上部則和柵欄板相契合，塊體的水動(dòng)力穩(wěn)定隨著塊體摩擦約束的增加而差異性減小。塊體一方面直接承受波浪正向作用力，另一方面還承受經(jīng)小直立墻挑浪后波浪回落沖擊。

c)設(shè)計(jì)高水位以上考慮海堤的景觀效果，采用柵欄板消浪，柵欄板以凹槽的造型形成反濾排水式。柵欄板塊體是規(guī)則的，施工時(shí)可以沿坡面整齊擺放，而且對(duì)于有弧度的轉(zhuǎn)腳位置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)澆筑成型，提高海堤坡面的齊整度。

d)堤頂設(shè)置反弧型防浪墻挑浪，可以進(jìn)一步減少越浪量。

2.2 立體組合式消浪技術(shù)的效果分析

立體組合式消浪技術(shù)是根據(jù)波浪的大小、波浪在堤坡上上爬的運(yùn)動(dòng)軌跡，充分利用扭王字塊體、四腳空心塊體、柵欄板和反弧型防浪墻的特點(diǎn)，在坡面的不同位置設(shè)置不同的消浪塊體，避免“一坡到底”，當(dāng)水深超過一定深度后，“一坡到底”會(huì)要求更大型號(hào)吊機(jī)，立體組合式消浪技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)和安全。該項(xiàng)技術(shù)的消浪效果主要體現(xiàn)在波浪爬高上，而影響波浪爬高最重要的因素是消浪塊體的糙滲系數(shù)，規(guī)范[13]中均只給出了設(shè)置單一塊體的取值，對(duì)于組合式的消浪措施的糙率系數(shù)尚未給出取值，為了能夠定量計(jì)算立體組合式消浪的波浪爬高，需要進(jìn)一步研究消浪糙率系數(shù)。

2.2.1立體組合式消浪糙率系數(shù)研究

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，立體組合式消浪技術(shù)的斷面結(jié)構(gòu)為上坡和下坡為不同消浪結(jié)構(gòu)的復(fù)式斷面，不符合規(guī)范公式的條件，為此，針對(duì)糙率系數(shù)的取值提出采用加權(quán)平均求綜合糙率系數(shù)的方法。

該方法根據(jù)海堤外坡上坡坡長(zhǎng)、平臺(tái)寬度、下坡坡長(zhǎng)與糙滲系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算得出綜合糙滲系數(shù)KΔe。上坡坡長(zhǎng)Lu，平臺(tái)寬度Lm，下坡坡長(zhǎng)Ld，上坡糙滲系數(shù)KΔu，平臺(tái)糙滲系數(shù)KΔm，下坡糙滲系數(shù)KΔd，綜合糙滲系數(shù)計(jì)算方法見式(1)：

(1)

該方法計(jì)算波浪爬高，需先初步確定堤頂高程，從而確定上坡坡長(zhǎng)、平臺(tái)寬度和下坡坡長(zhǎng)，再計(jì)算綜合糙率系數(shù)，根據(jù)波浪爬高的計(jì)算結(jié)果再調(diào)整堤頂高程，反復(fù)試算求出合適的堤頂高程。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定說服力。

2.2.2立體組合式消浪技術(shù)波浪爬高計(jì)算

立體組合式消浪是從水下、水上到堤頂?shù)娜灰惑w立體消浪系統(tǒng)，立體組合消浪斷面型式見圖4。為了研究立體組合式消浪技術(shù)對(duì)波浪爬高的影響，在保持坡比等要素不變的前提下將護(hù)面改成僅設(shè)柵欄板的傳統(tǒng)消浪斷面型式，對(duì)比分析不同護(hù)面形式對(duì)消浪效果的影響，計(jì)算方法采用《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的方法，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 傳統(tǒng)柵欄板消浪斷面型式

消浪效果的對(duì)比主要是對(duì)比爬高，由規(guī)范[16]可知，由mu、md為 2.0，折算坡度系數(shù)me可按式(2)計(jì)算。

a)當(dāng)▽m=md-mu=0，即上、下坡度一致時(shí)：

(2)

b)系數(shù)Kb可按式(3)計(jì)算：

(3)

式中mu、md——平臺(tái)以上、以下的斜坡坡率，mu、md為 2.0；dw——平臺(tái)上的水深，m；B——平臺(tái)寬度，m；L——波長(zhǎng)，m。

2.2.3正向規(guī)則波在單一坡度時(shí)爬高

R=KΔR1

(4)

式中R——波浪在坡面的爬高，m；KΔ——與斜坡護(hù)面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)，按照上述立體組合式消浪糙滲系數(shù)計(jì)算公式，平均糙滲系數(shù)KΔ取 0.48，柵欄板消浪糙滲系數(shù)取0.49；R1——KΔ=1、H=1 m時(shí)的爬高，可根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算確定。

2.2.4波高H

H取累計(jì)頻率為H1%的波高，見表1。

表1 波浪爬高參數(shù)

表1的計(jì)算結(jié)果表明，采用立體組合式消浪體系的波浪爬高為2.40 m，傳統(tǒng)消浪體系的波浪爬高為2.55 m，采用立體組合式消浪方法比傳統(tǒng)方法降低波浪爬高約為15 cm，比例達(dá) 6.25%。從上述結(jié)果可知，在保證岸線景觀效應(yīng)的前提下，立體組合式消浪體系具有更好的消浪效果。

3 工程應(yīng)用案例

六月海堤位于深圳市大鵬新區(qū)下沙社區(qū)，整段海堤呈弧形突出海岸線。受2008年“黑格比”臺(tái)風(fēng)的影響損毀狀況嚴(yán)重(圖5)，300 m 海堤堤身裂縫、缺口隨處可見，多處出現(xiàn)較大的孔洞，堤壩基礎(chǔ)被掏空，堤腳前趾外露，防浪墻被風(fēng)浪卷走，現(xiàn)狀海堤已經(jīng)難以再次抵御強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的侵襲，對(duì)堤后建筑物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖5 六月海堤嚴(yán)重受損

陸地一側(cè)緊靠六月酒店，場(chǎng)平高程為 4.80～5.50 m，且已固化，海堤重建需兼顧酒店的視覺感受和實(shí)際使用需求，不可大幅度增加堤頂高程。因此，本工程的技術(shù)難點(diǎn)是在狹窄空間內(nèi)提高堤前消浪處理效率，最大限度降低堤頂高程。

六月海堤依據(jù)地形特點(diǎn)采用復(fù)式結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行重建，設(shè)計(jì)潮位以下采用1∶2干砌石護(hù)坡，塊石單體質(zhì)量為 300～400 kg；設(shè)計(jì)潮位以上采用C40鋼筋混凝土護(hù)坡，護(hù)坡上部設(shè)反弧形防浪墻。海堤的消浪體系采用立體組合式結(jié)構(gòu)，干砌石護(hù)坡坡面擺放兩層扭王字塊消浪塊體，單體重量為 4 t；堤前馬道設(shè)置四角空心塊，單體重量為 4 t；鋼筋混凝土護(hù)坡坡面設(shè)置 C40 格柵板，上部為反弧形防浪墻，經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)堤頂高程為 5.67～6.50 m。

六月海堤于2014年完工，至今已有6年時(shí)間，在此期間承受了2016 年“妮妲”、2017 年“天鴿”、2018 年“山竹”的重重考驗(yàn)，重建海堤及堤前消浪設(shè)施未被損毀，立體消浪設(shè)施發(fā)揮了較好的消浪防沖作用，實(shí)現(xiàn)了波浪在堤前的有效破碎，將波浪攔截在臨海一側(cè)，在有效保護(hù)堤后六月酒店安全的前提下，最大限度降低了堤頂高程，避免阻隔觀海視線，滿足酒店的使用需求，達(dá)到了預(yù)期的工程效果(圖6)。

圖6 六月海堤實(shí)施效果對(duì)比

4 結(jié)語

a)為了更科學(xué)地優(yōu)化海堤抵御波浪破壞的技術(shù)方法，并提升海堤生態(tài)與景觀功能，在考慮波浪的大小及運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種采用混凝土扭王字塊體、混凝土四腳空心塊體、鋼筋混凝土柵欄板、反弧型防浪墻等消浪防浪體的優(yōu)化組合技術(shù)，在坡面的不同位置設(shè)置不同的消浪塊體，充分利用每種消浪塊體的特點(diǎn)，提高海堤結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性。

b)根據(jù)采用立體組合式消浪技術(shù)的斷面結(jié)構(gòu)為上坡和下坡為不同消浪結(jié)構(gòu)的復(fù)式斷面的特點(diǎn)，提出采用加權(quán)平均求綜合糙率系數(shù)的方法，進(jìn)而對(duì)比計(jì)算分析了采用立體組合式消浪技術(shù)和僅設(shè)柵欄板消浪方式的護(hù)坡波浪爬高效果差異，立體組合式消浪體系具有更好的消浪效果。

c)六月海堤工程案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，立體消浪設(shè)施發(fā)揮了較好的消浪防沖作用，在有效保護(hù)堤后結(jié)構(gòu)安全的前提下，最大限度降低了堤頂高程，避免阻隔觀海視線，滿足景觀需求，達(dá)到了預(yù)期的工程效果。