淺談斜坡式濱海路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高的確定

■曾呈濤

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350000）

在濱海范圍內(nèi)，公路沿海岸或跨越海峽、海灣修筑的路堤，稱為濱海路堤，其特點(diǎn)主要在于海水受潮汐、波浪、海流、臺(tái)風(fēng)、海嘯等水文及氣象因素影響；按斷面型式可分為：斜坡式路堤、直墻式路堤。 路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高是公路設(shè)計(jì)中一項(xiàng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，直接影響到公路的使用功能、質(zhì)量、工程造價(jià)、占地面積和周圍景觀環(huán)境等，需要根據(jù)項(xiàng)目所處地形、地質(zhì)水文等自然條件確定。 在濱海路堤安全考慮中，設(shè)計(jì)標(biāo)高是非常重要的參數(shù)。 濱海路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高影響因素較多，也較為復(fù)雜，需結(jié)合公路、海堤等因素綜合考慮。 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)濱海路堤標(biāo)高提出具體要求，路肩設(shè)計(jì)高潮水位頻率為高速公路1/100、一級(jí)公路1/100、二級(jí)公路1/50、三級(jí)公路1/25、四級(jí)公路視具體情況確定，濱海路堤的設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)高出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，高潮水位頻率為計(jì)算潮水位+波浪侵襲高度+0.5 m 安全高度之和， 不能滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置防浪墻等[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于漳州市東山縣內(nèi)， 該縣東瀕臺(tái)灣海峽，西臨詔安灣，四面環(huán)海，海岸線長(zhǎng)約141 km，東山生態(tài)環(huán)島公路環(huán)東山島而建。 本項(xiàng)目為S503（聯(lián)十五線）東山環(huán)島路的一部分，是集交通、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、防洪防潮、旅游觀光等功能于一體的通道。 項(xiàng)目為一級(jí)公路兼城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，路線起于湖塘村（樁號(hào)K50+601.407），設(shè)湖塘互通與國(guó)省干線橫十一線交叉，之后路線往北，于西埔灣處上跨西埔灣特大橋，經(jīng)頂上村、下西坑村，后路線轉(zhuǎn)向東沿科技大道二期走廊布設(shè)，終于新厝村（樁號(hào)K61+060）， 路線里程10.46 km， 其中K58+120～K58+975 左外側(cè)臨海。

1.2 工程方案

K58+120～K58+975 段臨海側(cè)均采用斜坡式拋石路堤結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用換填法進(jìn)行處理，表層細(xì)砂及淤泥均需挖除，堤頂寬3 m。 堤身拋填10～300 kg堤心拋石， 堤身外側(cè)護(hù)面采用4.5 t 的扭王字塊石，坡度1∶1.5，護(hù)面層下設(shè)置230～450 kg 塊石墊層，厚800 mm。 坡腳設(shè)300～500 kg 拋石棱體，具體結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 海側(cè)結(jié)構(gòu)斷面

2 潮位、波浪侵襲高度計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)潮位

潮汐是由地球自轉(zhuǎn)及日月引力引起的，在低維度海區(qū)最為顯著。 如海邊灘地寬闊開敞而又坡度平緩，則潮汐的海水面漲落運(yùn)動(dòng)十分顯著。 對(duì)有潮汐的海岸，潮位的變化特征是確定濱海路堤各部分高程的重要依據(jù)。

設(shè)計(jì)潮位是海岸工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要水文數(shù)據(jù)， 它不僅直接影響堤防工程高程的確定，在建筑物類型的選擇和結(jié)構(gòu)計(jì)算中也扮演重要角色。 不同規(guī)模、等級(jí)和使用情況的海岸工程不同，所選用的設(shè)計(jì)潮位也不同。 設(shè)計(jì)潮位通常包括：設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端高水位和極端低水位, 其中設(shè)計(jì)高水位是確定路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高的主要參數(shù)。

本工程海域無長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料，設(shè)計(jì)潮位計(jì)算采用短期同步差比法進(jìn)行，即先用鄰近東山海洋站的長(zhǎng)期驗(yàn)潮資料計(jì)算該站的設(shè)計(jì)潮位，然后利用潮位觀測(cè)期間獲得的T1 下林尾站與東山海洋站的同步驗(yàn)潮資料進(jìn)行高、低潮相關(guān)分析，換算得到下林尾的設(shè)計(jì)潮位，潮位站位置見圖2。

圖2 潮位站位置

為了解工程海域的潮汐變化規(guī)律，并為設(shè)計(jì)潮位計(jì)算提供基礎(chǔ)資料，在下林尾海堤(T1站)進(jìn)行30 d 的潮位觀測(cè)。 對(duì)T1 下林尾站、30 d 的潮位實(shí)測(cè)資料進(jìn)行特征值統(tǒng)計(jì)，得到其潮汐特征值見表1。

表1 潮位站潮汐特征值統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)東山站近30 年(1981-2010 年)逐年年最高、最低潮位資料，用耿貝爾極值Ⅰ型分布律方法求得各重現(xiàn)期的高、低水位，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 東山站重現(xiàn)期水位結(jié)果

根據(jù)鄰近的東山海洋站長(zhǎng)期潮位觀測(cè)資料及同期的潮位觀測(cè)資料，推算潮位點(diǎn)的100 年和50年一遇的重現(xiàn)期高、低水位及設(shè)計(jì)高、低水位。 計(jì)算結(jié)果見表3，表中基面均為1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。

表3 下林尾海域設(shè)計(jì)潮位計(jì)算結(jié)果

2.2 波浪侵襲高度

波浪侵襲高度，也稱波浪爬高，是指潮水以波浪的形式傳播前進(jìn)， 在前進(jìn)過程中波浪沿防浪墻建筑物擋水斜面爬升而高于靜水面的現(xiàn)象， 建筑物上波浪上爬的最高點(diǎn)相對(duì)于靜止水面的高度稱為波浪的爬高值，見圖3。 波浪與建筑物相互作用過程十分復(fù)雜， 且波浪對(duì)直墻式建筑物與斜坡式建筑物的作用不同。 對(duì)于斜坡式路堤，影響波浪爬高的因素很多，主要包括波高、波長(zhǎng)、邊坡坡率、邊坡糙度等。 波浪侵襲高度計(jì)算要以設(shè)計(jì)波浪要素為基礎(chǔ)。

圖3 斜坡上波浪爬高

2.2.1 設(shè)計(jì)波浪

海水有規(guī)律的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)稱為波浪或海浪。 海洋中最常見的波浪是由風(fēng)產(chǎn)生的， 稱為風(fēng)浪或風(fēng)成浪。 設(shè)計(jì)常用的波浪要素有：（1）波高：波峰與波谷高低之差；（2）波長(zhǎng)L：連續(xù)2 個(gè)波峰之間的距離；（3）周期：兩相鄰波峰通過某一點(diǎn)所需要的時(shí)間；（4）波速：波浪傳遞速度。 波浪資料是濱海路堤設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，直接關(guān)系到路堤的高度。

設(shè)計(jì)波浪的標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)波浪的波列累積頻率。 設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期，指某一特定波列累積頻率的波浪平均多少年出現(xiàn)1 次，代表波浪要素的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。 設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)主要反映建筑物的使用年限和重要性。 根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)》，設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期原則同設(shè)計(jì)高潮水位[2]。 波列累積頻率是指波列中某個(gè)波浪要素（如波高）不小于某一數(shù)值的波浪個(gè)數(shù)占該波浪波列總個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)； 代表波浪要素水文短期（以幾十分鐘計(jì)）統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，在該統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，可以認(rèn)為海面處于定常狀態(tài)，或者說波浪要素的平均狀態(tài)不隨時(shí)間變化。 設(shè)計(jì)波浪的累積頻率標(biāo)準(zhǔn)主要反映波浪對(duì)不同類型建筑物的不同作用性質(zhì)。

本工程未進(jìn)行臨時(shí)波浪觀測(cè)，對(duì)工程區(qū)的波況特征分析主要采用鄰近的東山海洋站的實(shí)測(cè)波浪資料，東山海洋站位于福建省東山縣銅陵鎮(zhèn)，波浪觀測(cè)點(diǎn)位置距工程區(qū)約20 km。 設(shè)計(jì)波浪采用外海深水波進(jìn)行波浪淺水傳播變形計(jì)算得到。

根據(jù)廈門海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院水文計(jì)算報(bào)告，對(duì)代表工程點(diǎn)的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行計(jì)算得到，極端高潮位條件下100 年一遇波浪要素如下： 計(jì)算點(diǎn)水深為6.87 m， 波高H1%為3.60 m， 波高H5%為3.07 m，波高H13%為2.67 m，周期T 為9.3 s，波長(zhǎng)L 為72.22 m。

2.2.2 斜坡式路堤波浪侵襲高度的計(jì)算方法

波浪對(duì)斜坡式路堤作用的計(jì)算方法應(yīng)滿足下列要求：（1）波浪正向作用；（2）斜坡坡率1∶m，m 為1～5；（3）建筑物前水深d 為1.5H～5.0H；（4）建筑物前底坡i≤1/50。對(duì)于斜坡式路堤設(shè)計(jì)波浪的爬高R，《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）[3]有關(guān)規(guī)定計(jì)算如下：

式中：

R——波浪爬高（m），從靜水位起算，向上為正；

K△——與斜坡護(hù)面結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的糙滲系數(shù)，扭王字塊護(hù)面取K△=0.47；

R1——K△＝1，H＝1 m 時(shí)的波浪爬高（m）；

H——建筑物所在處進(jìn)行波的波高（m），取累計(jì)頻率為13%的波高；

M——與斜坡的坡度m 值有關(guān)的函數(shù)；

（R1）m——相應(yīng)于某一d/L 時(shí)的爬高最大值（m）；

R（M）——爬高函數(shù)；

m—斜坡坡度系數(shù)，斜坡坡度為1∶m；

L——波長(zhǎng)（m）；

d——建筑物前水深（m）；

K1、K2、K3——系數(shù)，分別取K1＝1.24，K2＝1.029，K3＝4.98。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算結(jié)果

根據(jù)波浪爬高計(jì)算公式及項(xiàng)目水文數(shù)據(jù)進(jìn)行波浪侵襲高度計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果如下：M 為4.74，R（M）為0.51，（R1）m 為2.39 m，R1為1.90 m，爬高R 為2.38 m。

項(xiàng)目采用百年一遇的高潮位作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算潮水位參考下林尾的設(shè)計(jì)潮位，取2.58 m，波浪侵襲高度2.38 m，東山環(huán)島路濱海路堤段K58+120～K58+975 路堤合理高度≥設(shè)計(jì)潮位+波浪侵襲高度+0.5 m 安全高度=2.58 m+2.38 m+0.5 m=5.46 m

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)濱海路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高主要參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際案例確定了工程項(xiàng)目的合理設(shè)計(jì)標(biāo)高，得到以下結(jié)論，可為今后類似濱海路堤設(shè)計(jì)標(biāo)高確定提供參考。

（1）濱海路堤多建造于海灘或水上，常受風(fēng)、浪、海流等其他水文、氣象因素的影響，設(shè)計(jì)需緊密結(jié)合水文、氣象條件及地理環(huán)境，合理確定其設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（2）波浪侵襲高度是波浪動(dòng)力條件和海堤結(jié)構(gòu)形式綜合作用的反映，在現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中未對(duì)其具體計(jì)算方法進(jìn)行說明，可參照《港口與航道水文規(guī)范》中斜坡式建筑物上的波浪爬高的計(jì)算方法進(jìn)行確定。

（3）由于受控制點(diǎn)標(biāo)高的限制，東山環(huán)島路濱海路堤段K58+120～K58+975 部分標(biāo)段的設(shè)計(jì)標(biāo)高無法達(dá)到計(jì)算的合理高度，需設(shè)置防浪墻，防止波浪對(duì)道路的影響。