大型人工岛护岸堤顶高程计算探讨

◎ 叶跃飞 中交水运规划设计院有限公司洪斌 宏大建设集团有限公司



大型人工岛护岸堤顶高程计算探讨

◎ 叶跃飞 中交水运规划设计院有限公司洪斌 宏大建设集团有限公司

针对日益增多的大型人工岛工程，目前交通行业缺乏对人工岛护岸堤顶高程的计算规范。本论文提出人工岛护岸堤顶合理顶高程的计算理论和验证方法，可为工程设计提供参考。

人工岛 越浪量 护岸堤顶高程

1.引言

近年来，随着房地产行业的快速发展，土地价格一路高涨，越来越多的房地产商将目光投向大海，通过填海造陆形成优质宝贵的土地资源。

为保证人工岛的安全性以及考虑到房地产商对工程投资的敏感性，合理确定护岸堤顶高程显得尤为重要。

目前国内有交通运输部和水利水电部都颁布了计算围堰（护岸）堤顶高程的规范，但是计算结果很多时候偏差较大。针对人工岛护岸堤顶高程的确定，目前行业里没有明确的计算公式。本论文总计近年来海南人工岛的设计工作，结合委托科研单位的模型试验研究结果，提出对人工岛护岸合理顶高程的计算理论和验证方法。

2.计算方法和过程

2.1计算思路

人工岛护岸主要功能是为后方陆域形成提供条件，陆域场地标高以满足使用要求，考虑人工岛主要用于开发旅游休闲度假等居住功能，一方面要确保后方生命财产的安全，另一方面要尽量节省工程投资，因此人工岛护岸可按允许少量越浪设计。

本论文拟采用两种规范计算护岸顶高程，并通过控制越浪量来大致确定挡浪墙顶高程。最后通过波浪物理模型试验来验证并优化护岸结构的安全性及挡浪墙顶高程。

本论文以海南某大型人工岛的1号岛为例（图1），对护岸堤顶高程计算进行探讨。

2.2计算过程

（1）按《港口及航道护岸工程设计与施工规范》（JTJ300-2000）计算。根据规范，允许上浪的沿海港口护岸，顶高程宜定在设计高水位以上0.8～1.0倍设计波高处，并应高出极端高水位。护岸顶高程Zc由下式确定：

考虑到近年来登陆到海南的台风呈频率越来越大、强度越来越高的趋势，一般来说，对于防护等级较高的大型人工岛，在投资不明显增加的前提下，建议采用双百年标准，即按100年一遇的高水位和100年一遇的波浪H13％考虑。而对于没有特殊要求的一般护岸、可按规范选取。

（2）按《海堤工程设计规范》（SL435-2008）计算。堤顶高程根据设计高水位、波浪爬高及安全加高值按下式计算，并应高出设计高水位1.5～2.0m。

式中：ZP—设计频率的堤顶高程，m；

hp—设计频率的高潮位；

RF—按设计波浪计算的累计频率为F的波浪爬高值（海堤按不允许越浪设计时F=2％，按允许部分越浪设计时取F=13％）；

A—安全加高值，查下表，本工程取0.4m。

本公式中最关键的是波浪爬高值的确定。根据《海港总体设计规范》的正向规则波在斜坡式建筑物上的波浪爬高公式计算：

图1　人工岛护岸计算点示意图

表1　1号人工岛堤顶高程计算表

表2　1号人工岛堤顶高程计算表

表3　1号人工岛越浪量计算表

表4　各人工岛护岸顶高程一览表

式中：R—波浪爬高（m），从静水位起算，向上为正；

R1—KD=1，H=1m时的波浪爬高（m）；

（R1）m—相应于某一d/L爬高最大值；

M—与斜坡的m值有关的函数，取1.5；

R（M）—爬高函数；

K1、K2、K3—系数，分别取1.24、1.029、4.98。

K△—与斜坡护面结构型式有关的糙渗系数，扭王字块取0.47，栅栏板取0.49。

2.3计算结果比较

以上两种规范计算公式及结果都是基于在100年一遇高潮位、100年一遇设计波浪情况下基本不越浪的情况，可看出按港工规范计算，1号岛护岸顶高程为7.3～8.88m，按水利部海堤设计规范计算，1号岛护岸顶高程为7.45～10.26m。两种结果对比发现，按海堤设计规范高程计算值普遍高于港工规范计算值。

2.4堤顶高程初步确定

人工岛护岸投资占工程投资的比重较大，因此，在满足人工岛防护安全的前提下，应尽量降低顶高程，以节省工程造价。

根据当地波浪情况，人工岛强浪向为SW向，人工岛外侧波浪较大，内侧波浪较小，因此按人工岛对波浪的掩护效果，宜分区确定护岸顶高程。

根据上述分析，按50年一遇标准下允许越浪量0.08m3/（s·m）对护岸顶高程进行试算。

以下按越浪量计算公式对此高程下的越浪量进行初步复核计算。

2.5越浪量复核计算

斜坡堤顶有防浪墙时，如图2所示，堤顶的越浪量可按上式计算：

式中：Q—越浪量，即单位时间单位堤宽的越浪水体体积，m3/（s·m），允许越浪量按使用要求考虑；

Hc'—堤顶在静水面以上的高度，m；

B—经验系数，当m取1.5时，B取0.6时；

KA—护面结构影响系数，扭王字块取0.4，栅栏板取0.6；

TP—谱峰周期，TP=1.33。

2.6物模试验验证

根据各人工岛波浪条件的差异，进行了波浪整体物理模型试验及护岸断面波浪物理模型试验研究。其中，波浪断面物理模型试验选取2个典型护岸位置及断面方案进行了试验。

从D1-2在100年一遇水位+100年一遇波高组合情况下，D1-2顶高程7.8m的越浪量为0.081m3/（s·m）。对D1-2断面的挡浪墙反弧进行了优化，并将顶高程降至7.5m的越浪量为0.085m3/（s·m）。

从D1-7在100年一遇水位+100年一遇波高组合情况下，D1-2顶高程6.0m的越浪量为0.075m3/（s·m）。

2.7堤顶高程最终确定

根据以上计算、模型试验结论，仅在D1-2断面在高程降至7.5m后越浪量为0.085m3/s/m，略大于设计标准。但考虑到节约工程造价，设计认为在解决好越浪堤后的排水后，越浪量也基本可以接受。根据人工岛各区域对波浪的掩护程度，划分为开敞区、半掩护区和有掩护区，因此综合确定各岛护岸顶高程如表4。

3.结论

本论文总结某大型人工岛的设计工作，提出人工岛护岸合理顶高程的计算理论和验证方法，该计算方法可为工程设计提供参考。

［1］JTS 145-2-2013，海港水文规范［S］.

［2］JTJ 300-2000，港口及航道护岸工程设计与施工规范［S］.

［3］JTS 154-1-2011，防波堤设计与施工规范［S］.

［4］SL 435-2008，海堤工程设计规范［S］.