“一種海堤越浪回排結(jié)構(gòu)”技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

鐘 興，陳俊昂，王 帥

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

允許越浪是海堤工程建設(shè)中采用的常用選項(xiàng)[1-3]，對越浪水量處置方式一般采用以下2種：第1種是通過排水溝等設(shè)施收集越浪量后，排入堤后保護(hù)區(qū)水系或市政排水系統(tǒng)，但此舉會明顯加大工程保護(hù)區(qū)的排澇壓力，將間接導(dǎo)致保護(hù)區(qū)排水設(shè)施規(guī)模加大，增加建設(shè)成本；第2種是在防浪墻背側(cè)設(shè)置排水溝，并在排水溝中設(shè)置排水管通往海堤迎水坡外側(cè)，如專利號為CN201921427936.7的中國專利文獻(xiàn)所公開的“越浪堤防后坡排水系統(tǒng)”[4]，但此做法無法在高潮位情況下排水，需沿海堤設(shè)置較多的穿堤排水管，且排水管出口位于迎水坡上部；此外為了防止波浪通過排水管逆向流進(jìn)排水溝，還需在每個(gè)排水管出口設(shè)置類似拍門的裝置，對運(yùn)行管理帶來不便。

近年來為了解決生態(tài)和城市景觀等問題，同時(shí)避免海堤“圍城”，常通過加大工程堤后越浪量的方式降低設(shè)計(jì)堤頂高程，因此，尋找一種有利于越浪量自排，對海堤結(jié)構(gòu)影響小，且運(yùn)行管理方便的排浪結(jié)構(gòu)，對減輕保護(hù)區(qū)的排澇壓力和海堤的運(yùn)行管理無疑具有重大意義[5-6]。

2 新技術(shù)原理與核心摘要

“一種海堤越浪回排結(jié)構(gòu)”技術(shù)包括集浪溝、蓄浪井、防浪涌消能板和回排通道，該技術(shù)原理與核心創(chuàng)新點(diǎn)摘要如下[7](見圖1)。

剖面示意

1) 通過設(shè)置在海堤6堤頂?shù)募藴?收集沿途越浪水量，并排入到一定容量的蓄浪井2中，蓄浪井2收集越浪水量后井內(nèi)水面高度逐步升高，而海堤外側(cè)海域水面在風(fēng)浪的作用下呈波狀漲落，當(dāng)蓄浪井2內(nèi)的水面高度高于海域水面高度時(shí)，在水體重力的作用下，蓄浪井2內(nèi)收集的部分越浪水量順著防浪涌消能板4，通過回排通道5流至海域中，至井內(nèi)水面高度接近海域水面高度。

2) 在風(fēng)浪的波峰時(shí)段，海域水面高度升高，風(fēng)浪的壓力使海域底部的水體通過回排通道5流動(dòng)至蓄浪井2下部，此時(shí)水體流向與防浪涌消能板4正常流向逆反，消能板發(fā)揮消能作用，減少浪涌進(jìn)入到蓄浪井2上部。

按以上順序輪回，海堤越浪回排結(jié)構(gòu)不斷將越浪回排至海域中，而無需排入堤后保護(hù)區(qū)水系或市政排水系統(tǒng)，從而減少保護(hù)區(qū)的排水設(shè)施規(guī)模，一定程度上降低工程建設(shè)的成本。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

南沙新區(qū)靈山島尖南段海岸及濱海景觀帶建設(shè)工程[8]位于廣州市橫瀝鎮(zhèn)靈山島尖南段海岸，工程建設(shè)范圍西起靈山島南岸上橫瀝大橋處，沿島南岸東至島尖現(xiàn)狀堤防并折往北岸至現(xiàn)狀的靈山島尖涌北段河口，工程內(nèi)容包括按200年一遇的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)改建1級海堤長3.66 km，結(jié)合海岸布置的濱海景觀帶建設(shè)以及沿岸的水閘、泵站、碼頭等設(shè)施建設(shè)。靈山島尖位于南沙新區(qū)明珠灣區(qū)起步區(qū)，是廣東自貿(mào)區(qū)南沙片區(qū)的重要組成，處于粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，規(guī)劃總用地面積約3.55 km2，城市功能定位為面向世界的粵港澳全面合作高端商務(wù)示范區(qū)[9]。

經(jīng)堤防基本斷面型式比選論證，本項(xiàng)目除碼頭段以外，均采用了“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”技術(shù)[10]，在降低堤頂高程同時(shí)增加堤后越浪量。為了減少保護(hù)區(qū)的排澇壓力，工程同時(shí)采用了“一種海堤越浪回排結(jié)構(gòu)”，避免越浪量進(jìn)入工程堤后保護(hù)區(qū)。

本項(xiàng)目堤后保護(hù)區(qū)域?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，規(guī)劃地面平整高程為7.50 m左右，根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 51015—2014)，防浪墻高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮(水)位、波浪爬高及安全加高值確定，并應(yīng)高出設(shè)計(jì)高潮(水)位1.5～2.0 m，防浪墻頂高程按下式確定：

Zp=Hp+RF+A

(1)

式中：

Zp——設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程，m：

Hp——設(shè)計(jì)頻率的高潮(水)位，為7.93 m；

RF——按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值，(海堤按不允許越浪設(shè)計(jì)時(shí)取 ，按允許部分越浪設(shè)計(jì)時(shí)取 )，m；

A——安全加高值，本工程按按允許部分越浪設(shè)計(jì)取A=0.5 m。

經(jīng)計(jì)算，若不采取消浪措施，防浪墻頂高程將達(dá)到9.33～10.10 m。

若按上述計(jì)算結(jié)果確定防浪墻頂高程，防浪墻將高出規(guī)劃地面平均約1.83～2.60 m，將造成堤防“圍城”的境況，隔絕了城市、人、水，不符合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)愿景。本項(xiàng)目需營造共享開放的濱水空間景觀，通過設(shè)置低矮的防浪墻，則需設(shè)法化解應(yīng)防浪墻頂高度不足而帶來的水安全問題。

根據(jù)海堤設(shè)計(jì)規(guī)范堤頂高程的最低要求，對比復(fù)核設(shè)計(jì)潮水位的需要，土堤頂高程確定為8.50 m。風(fēng)暴潮通過植物、臺階等多種消浪措施降低風(fēng)浪爬高，設(shè)置多級消浪的平臺，有效降低波浪爬高，同時(shí)有效減少堤后越浪量。

3.2 越浪量的情況

項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，采用防洪堤波浪斷面和局部物理模型試驗(yàn)方法對越浪量進(jìn)行了測試。

試驗(yàn)依照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型(如圖2所示)，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)水位、波浪要素、試驗(yàn)斷面及試驗(yàn)設(shè)備條件等因素，斷面試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸呷?∶10[11]。

圖2 堤岸物理模型試驗(yàn)照片示意

波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，不規(guī)則波波譜取JONSWAP譜。將按模型比尺換算后的特征波要素輸入計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生造波訊號，控制造波機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)則波和不規(guī)則波序列。每組試驗(yàn)不規(guī)則波波數(shù)大于150個(gè)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。模型試驗(yàn)中波高和周期模擬值與設(shè)計(jì)值的誤差控制在±2%以內(nèi)。

迎浪面采用混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱頂部厚為300 mm的干砌條石海岸步道，頂高程為6.5 m，寬為6.0 m；其后海岸親水帶采用厚為400 mm預(yù)制瓶孔磚，寬為6.0 m；在末端設(shè)置第1道防浪墻，防浪墻頂高程為8.3 m，第1道防浪墻后寬為25.0 m的濱海綠化帶，在寬15.0 m處設(shè)置第2道防浪結(jié)構(gòu)，第2道防浪結(jié)構(gòu)頂高程為9.0 m。

在200年一遇水位及相應(yīng)200年一遇波浪(H13%=0.94 m,Tp=3.17 s)作用下，由于社區(qū)段堤岸第1道防浪墻頂高程較低為8.50 m，越浪較大，試驗(yàn)測得第1道防浪墻頂越浪量為1.6× 10-2m3/(m·s)。通過物理模型可知，本工程堤防長度為3.66 km，3 h(臺風(fēng)登錄潮位保持時(shí)間)的越浪量將是巨大的，如此大的越浪量進(jìn)入保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)將不堪重負(fù)。

3.3 技術(shù)應(yīng)用

為了有效減輕工程堤后保護(hù)區(qū)的排澇壓力，本項(xiàng)目提出了2道防浪墻及蓄浪空間的設(shè)想：即于堤頂防浪墻之前的景觀平臺外側(cè)，加設(shè)1道防浪墻，用于消減風(fēng)浪以降低風(fēng)浪至堤頂防浪墻時(shí)的爬高；同時(shí)，第1道防浪墻可形成對后方景觀帶的防護(hù)，避免景觀帶遭受常遇頻率潮水和風(fēng)浪的破壞。此外，利用第1道防浪墻與第2道防浪墻之間形成的空間，暫蓄越浪，并利用風(fēng)浪的間歇性通過排水措施自排回河道中，避免越浪流至堤后城市防護(hù)區(qū)，增加了城市防護(hù)區(qū)的排水量[12]。

本技術(shù)應(yīng)用主要對越浪量進(jìn)行收集，并建立與其相匹配的自排通道。通過在蓄浪空間低洼處設(shè)置堤防沿線集浪溝，并匯集越浪水量排入到蓄浪井中，蓄浪井收集越浪后井內(nèi)水面高度逐步升高，而海堤外側(cè)海域水面在風(fēng)浪的作用下呈波浪狀漲落，高度隨之起伏，當(dāng)蓄浪井內(nèi)的水面高度高于海域水面高度時(shí)，在水體重力的自然作用下，蓄浪井內(nèi)收集的部分越浪量通過回排通道回流至海域中，至井內(nèi)水面高度接近海域水面高度。在風(fēng)暴潮來臨期間，不停歇的收集和回排，有效減少了堤后越浪量(技術(shù)應(yīng)用斷面見圖3，技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)景照片見圖4)。

圖3 技術(shù)應(yīng)用斷面示意

圖4 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)景照片示意

3.4 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目通過應(yīng)用“一種海堤越浪回排結(jié)構(gòu)”，一是有效解決了堤防“圍城”過程中，降低設(shè)計(jì)堤頂高程而引起的較多的越浪量；二是運(yùn)行管理方便的排浪結(jié)構(gòu)，對減輕工程保護(hù)區(qū)的排澇壓力、提升海堤的運(yùn)行管理水平具有重大意義。

2017年臺風(fēng)“天鴿”、2018年臺風(fēng)“山竹”均在本工程所屬區(qū)域登錄，2次臺風(fēng)暴潮南沙站的實(shí)測水位分別為8.14 m、8.19 m，均高于本工程設(shè)計(jì)200年一遇水位(7.93 m，P=0.5%)。在本工程基本完工的情況下，得益于海堤的消浪、越浪回排體系，未發(fā)生堤后越浪進(jìn)入市政排水系統(tǒng)的情況，越浪量順暢自排至外江，有效保障了島內(nèi)排澇和防洪安全(如圖5所示)。

圖5 遭遇臺風(fēng)“山竹”時(shí)實(shí)景示意

4 結(jié)語

“一種海堤越浪回排結(jié)構(gòu)”能夠?qū)⒌谭涝嚼肆渴占笠宰耘诺男问交嘏诺胶Ｓ蛑校皇菬o需排入工程堤后保護(hù)區(qū)水系或市政排水系統(tǒng)，減少了工程保護(hù)區(qū)排水設(shè)施的規(guī)模，降低了工程整體建設(shè)成本；二是建造相對簡單，對海堤結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定影響較小，運(yùn)行管理也較為方便,具有良好的推廣應(yīng)用前景。本海堤越浪回排結(jié)構(gòu)同步在廣州市南沙區(qū)靈山島尖竹湖南側(cè)海堤工程[13]、廣州市南沙區(qū)明珠灣區(qū)慧谷片區(qū)(工業(yè)區(qū)涌至大角山)超級堤工程[14]進(jìn)行應(yīng)用。