帶肩臺(tái)坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)在海上人工島的應(yīng)用

鄧濤，龍俞辰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

對(duì)許多沿海城市而言，有限的土地資源與不斷擴(kuò)張的城市建設(shè)之間的矛盾日益顯著，需向海邊開辟新土地，填筑式人工島常被規(guī)劃為新型城市綜合體、升級(jí)改造大型機(jī)場(chǎng)、高端物流園、國(guó)際醫(yī)療旅游示范區(qū)等城市乃至國(guó)家重要窗口。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)為人工島高價(jià)值土地提供掩護(hù)，其后方一般設(shè)置有公共活動(dòng)空間或景觀帶，因此往往對(duì)護(hù)岸的頂標(biāo)高和越浪量有著嚴(yán)苛限制。研究表明[1-4]在迎浪斜坡上設(shè)置肩臺(tái)以削減波浪作用具有良好的效果，不僅能減少護(hù)岸結(jié)構(gòu)的越浪，還能增加護(hù)面塊石的穩(wěn)定性。因此在國(guó)內(nèi)外護(hù)岸或海堤工程建設(shè)中，在迎浪側(cè)設(shè)置肩臺(tái)較為普遍，特別在波浪較大條件下成為一種較好的解決方案。

針對(duì)肩臺(tái)對(duì)越浪量消減和護(hù)面塊石穩(wěn)定折減的計(jì)算，國(guó)標(biāo)尚無明確的計(jì)算方法，總結(jié)肩臺(tái)對(duì)越浪量以及穩(wěn)定性的計(jì)算方法，擬定滿足功能要求的肩臺(tái)寬度、肩臺(tái)標(biāo)高、選擇坡面塊石穩(wěn)定重量等，為帶肩臺(tái)的海堤和護(hù)岸設(shè)計(jì)提供依據(jù)十分必要。

1 帶肩臺(tái)的越浪分析方法

帶肩臺(tái)的復(fù)式海堤越浪量的計(jì)算，常用方法包括EurOtop II（2018）中經(jīng)驗(yàn)公式[5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]以及一些文獻(xiàn)計(jì)算方法[4]。EurOtop II（2018）越浪量公式考慮了肩臺(tái)、坡比、波陡、斜向浪、擋墻等多種因素的影響，其計(jì)算方法參見式（1）～式（5）。

平均越浪量為：

最大越浪量限值為：肩臺(tái)折減系數(shù)γb考慮了肩臺(tái)高程影響系數(shù)rdb和肩臺(tái)寬度影響系數(shù)rB，見式（3）～式（5）。

式中：q為單位時(shí)間單寬的平均越浪量，m3/（s·m）；Hm0為堤腳處入射波高，m；Rc為靜水位至堤頂?shù)拇怪备叨龋琺；B為肩臺(tái)的寬度，m；db為肩臺(tái)處水深，m，以水下為正；LB為肩臺(tái)上下1倍波高Hm0與坡面2個(gè)交點(diǎn)的水平長(zhǎng)度，m；γf為護(hù)面形式影響系數(shù)；γβ為波浪斜向入射系數(shù)；ξm-1，0為破波參數(shù)為波陡；γv為擋墻影響系數(shù)；γ*為擋墻的綜合影響系數(shù)；Ru2%為2%波浪爬高，m；α、β分別為護(hù)岸坡度及波浪斜向角；g為重力加速度。

結(jié)合式（1）～式（5），海側(cè)消浪肩臺(tái)對(duì)越浪量的影響表現(xiàn)為：1）越浪量隨著肩臺(tái)寬度的增加而減小，但隨著肩臺(tái)寬度達(dá)到2Hs后折減趨于平緩，一般規(guī)定[7]肩臺(tái)寬度宜為0.5～2.0倍設(shè)計(jì)波高；2）肩臺(tái)設(shè)置在靜水面時(shí)對(duì)越浪的減小最為顯著，隨著肩臺(tái)與靜水位距離的增大，對(duì)越浪折減的效果逐漸減弱，一般規(guī)定[7]肩臺(tái)高程宜定在設(shè)計(jì)高水位上下各0.5倍設(shè)計(jì)波高范圍以內(nèi)。

2 帶肩臺(tái)的護(hù)面穩(wěn)定分析方法

大量研究表明[8-9]，在海側(cè)設(shè)置肩臺(tái)不僅可以有效減少越浪量，還可以增強(qiáng)護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Van der Meer[8]通過引入塊石穩(wěn)定系數(shù)fi考慮肩臺(tái)折減作用，fi通過查圖得到，與肩臺(tái)寬度、肩臺(tái)水深以及上下坡度有關(guān)，但研究?jī)H針對(duì)肩臺(tái)位于水位或水位以下，且肩臺(tái)上下邊坡坡度限制為1∶5～1∶7。

Van Gent[9]通過一系列精心設(shè)計(jì)的物模實(shí)驗(yàn)，研究了肩臺(tái)的寬度、高程、以及坡度和波陡對(duì)塊石穩(wěn)定性的影響，通過引入肩臺(tái)位置系數(shù)γpos和寬度系數(shù)γberm，對(duì)Van der Meer塊石穩(wěn)定公式中破壞數(shù)Sd進(jìn)行修正，以此來考慮肩臺(tái)對(duì)塊石穩(wěn)定的有利作用。其中塊石破壞數(shù)Sd=Ae/Dn502，可理解為從侵蝕區(qū)滾落的邊長(zhǎng)為Dn50的塊石數(shù)量。

對(duì)于肩臺(tái)以上坡面：

對(duì)于肩臺(tái)以下坡面：

肩臺(tái)處：

式中：Dn50為塊石中值粒徑，m；Hs和H2%分別為有效波高和2%波高，m；Δ為相對(duì)密度；γpos和γberm分別為肩臺(tái)位置和肩臺(tái)寬度的折減系數(shù)；α為坡度；RB為肩臺(tái)侵蝕區(qū)寬度；N為入射波數(shù)量；P為結(jié)構(gòu)名義滲透系數(shù)；cplunging為卷躍破波系數(shù)；γR為肩臺(tái)侵蝕系數(shù)。

結(jié)合式（6）～式（12），肩臺(tái)對(duì)護(hù)面塊石穩(wěn)定性影響表現(xiàn)為：

1）肩臺(tái)以上坡面穩(wěn)定性。帶肩臺(tái)結(jié)構(gòu)的塊石穩(wěn)定性較單坡形式有明顯增強(qiáng)，其折減程度受肩臺(tái)高程、寬度、坡比以及坡陡的影響，肩臺(tái)和陡坡組合時(shí)較緩坡折減更多。

2）肩臺(tái)以下坡面穩(wěn)定性。當(dāng)肩臺(tái)高于或低于水位時(shí)，對(duì)下坡塊石均有折減作用；淹沒肩臺(tái)的折減系數(shù)與肩臺(tái)寬度和位置有關(guān)，而波陡以及坡比沒有發(fā)現(xiàn)明顯影響；出水肩臺(tái)的折減系數(shù)則與肩臺(tái)寬度、肩臺(tái)位置以及ξm-1，0有關(guān)；肩臺(tái)剛好在水位處時(shí)（db=0），沒有發(fā)現(xiàn)肩臺(tái)對(duì)下坡塊石穩(wěn)定有折減作用。

3）肩臺(tái)處穩(wěn)定性。肩臺(tái)破壞發(fā)生在海側(cè)坡肩處，坡肩處侵蝕寬度RB與下坡破壞數(shù)Sd以及肩臺(tái)位置有關(guān)，在肩臺(tái)侵蝕寬度外的穩(wěn)定性較好。

3 案例分析

3.1 工程概況

某工程位于菲律賓帕賽市，計(jì)劃填海形成3個(gè)大型人工島，項(xiàng)目陸域總回填面積約396 hm2，回填砂量近1億m3，為回填砂提供防護(hù)的斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)12.5 km，工程區(qū)水深-3～-10 m，項(xiàng)目平面圖見圖1。

圖1 實(shí)例填海項(xiàng)目平面布置圖Fig.1 Plan layout of reclamation project in the case study

項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50 a，護(hù)岸結(jié)構(gòu)不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪參數(shù)如表1所示，受臺(tái)風(fēng)浪影響以及護(hù)岸前沿水深較小的原因，設(shè)計(jì)波浪表現(xiàn)為波高較大且不同重現(xiàn)期的波高差異小。工程位于強(qiáng)震區(qū)，工程區(qū)域設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（475 a）的基巖地震峰值加速度PGA為0.4g，最大震級(jí)可達(dá)8.2級(jí)。

表1 護(hù)岸設(shè)計(jì)波浪及水位條件Table 1 Design wave and water level conditions of revetment

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

考慮越浪水體對(duì)護(hù)岸后方財(cái)產(chǎn)設(shè)施、行人安全以及排洪能力的影響，合同規(guī)定允許的越浪量標(biāo)準(zhǔn)為：1）1 a一遇波浪下允許越浪量為0.1×10-3m3/（s·m）；2）1 000 a一遇波浪下允許越浪量為10×10-3m3/（s·m）。

基于全生命周期的設(shè)計(jì)理念，護(hù)岸結(jié)構(gòu)按照50 a設(shè)計(jì)年限以及25 a維護(hù)期進(jìn)行設(shè)計(jì)，1∶4緩坡的護(hù)面塊石采用穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：1）1 a重現(xiàn)期波浪，采用初始破壞標(biāo)準(zhǔn)，取Sd=2；2）25 a重現(xiàn)期波浪，選用破壞標(biāo)準(zhǔn)介于初始與中等破壞之間，取Sd=5.5；3）100 a和1 000 a重現(xiàn)期波浪采用中等破壞標(biāo)準(zhǔn)，取Sd分別為8和12。

3.3 護(hù)岸典型斷面

本項(xiàng)目為強(qiáng)浪區(qū)及強(qiáng)震區(qū)條件下建設(shè)的護(hù)岸工程，單坡的護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式無法滿足合同中限定的越浪量和塊石穩(wěn)定要求，因此采用了帶肩臺(tái)的砂芯坡式結(jié)構(gòu)，護(hù)岸典型斷面如圖2所示。海側(cè)肩臺(tái)的高程設(shè)置在0.5倍波高以內(nèi)，肩臺(tái)寬度設(shè)置為10 m（約2Hs），坡比定為1∶4以滿足強(qiáng)震下整體穩(wěn)定要求；結(jié)合理論計(jì)算，初步選擇護(hù)面塊石為1 000～3 000 kg大塊石，鋪設(shè)2層，其下方依次為60～300 kg墊層塊石，10～60 kg墊層塊石，并在回填砂和塊石之間鋪設(shè)1層土工布。

圖2 護(hù)岸典型斷面Fig.2 Typical cross-section of revetment

3.4 分析對(duì)比

針對(duì)圖2所示的護(hù)岸方案，采用理論分析和物模方法對(duì)不同肩臺(tái)方案進(jìn)行細(xì)化比選：1）試驗(yàn)斷面1：肩臺(tái)寬度為10 m，肩臺(tái)高程為-2.32 m，肩臺(tái)和護(hù)面塊石厚度均為2層；2）試驗(yàn)斷面2：肩臺(tái)寬度為10 m，肩臺(tái)高程加高到-0.46 m，肩臺(tái)處塊石加厚為4層。

表2顯示理論計(jì)算和實(shí)測(cè)越浪量表明，采用EurOtop（2018）考慮肩臺(tái)越浪量公式與實(shí)測(cè)值吻合較好；在+2.72 m水位組合1 000 a一遇波浪工況下，試驗(yàn)斷面2越浪量小于試驗(yàn)斷面1，表明當(dāng)肩臺(tái)高程位于設(shè)計(jì)水位附近時(shí)，肩臺(tái)對(duì)越浪的削減作用最佳，2個(gè)試驗(yàn)斷面均滿足合同的越浪標(biāo)準(zhǔn)。

表2 越浪物模實(shí)測(cè)及理論計(jì)算值Table 2 Measured value of physical model and calculated value of overtopping discharge

表3顯示的破壞數(shù)Sd的實(shí)測(cè)以及理論計(jì)算表明，設(shè)置肩臺(tái)后護(hù)面塊石穩(wěn)定性較單坡護(hù)岸大大增強(qiáng)，且肩臺(tái)對(duì)上坡穩(wěn)定性折減明顯優(yōu)于下坡；試驗(yàn)斷面1上下坡總破壞數(shù)Sd超出合同要求，試驗(yàn)斷面2雖然總破壞數(shù)Sd仍超出合同要求，但肩臺(tái)處塊石加厚到4層后，在極端波浪作用后隨著肩臺(tái)的變形形成更緩的穩(wěn)定變坡，且肩臺(tái)塊石變形后滿足最小2層的厚度，符合合同的定義安全功能要求，試驗(yàn)斷面2作為最終設(shè)計(jì)斷面。

表3 護(hù)面損壞程度Sd物模實(shí)測(cè)值及理論計(jì)算值Table 3 Measured value of physical model and calculated value of Sd

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了帶肩臺(tái)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的越浪量及護(hù)面塊石穩(wěn)定性的計(jì)算方法，并在某海外大型人工島護(hù)岸工程設(shè)計(jì)中使用。采用物模對(duì)2種肩臺(tái)的護(hù)岸方案進(jìn)行了細(xì)化比選和分析，表明設(shè)置消浪肩臺(tái)后減少了越浪量，同時(shí)增強(qiáng)了護(hù)面塊石的穩(wěn)定性，試驗(yàn)斷面2滿足了合同規(guī)定的較為嚴(yán)苛的越浪標(biāo)準(zhǔn)以及護(hù)面塊石穩(wěn)定要求。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為海上人工島等類似工程中對(duì)頂標(biāo)高和越浪有著嚴(yán)苛限制的護(hù)岸設(shè)計(jì)提供了思路。