堤顶高程受限的海堤断面优化设计

麦宇雄

摘要：针对深圳机场三跑道海堤堤顶高程受机场航空限高制约，并同时需要满足设计波浪条件下堤后越浪量标准的问题，根据直立式和斜坡式海堤结构自身的水力学特性，分别采用胸墙挑檐和更换护面块体类型的工程方法对结构进行优化设计，使得波浪作用下的堤后越浪量有所减少。采用波浪整体物理模型试验对优化前后的海堤结构断面设计方案在波浪作用下的越浪量进行验证，分别统计分析了不同位置断面处的实际越浪量。结果表明，优化结构方案在设计波浪作用下的越浪量相比未优化结构显著减小。因此，合理的挑檐设计和护面人工块体选型可以有效控制波浪作用下堤后的越浪量，在堤顶高度受限条件下充分提高堤后安全性。设计案例可为类似的工程设计提供参考。

关键词：海岸动力学;航空限高;越浪量;挑檐式挡浪墙;扭王块

中图分类号：U656.31+3文献標志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx04010

Abstract： In view of the problem that the seawall top elevation of the third runway of Shenzhen Airport is restricted by both the clearance limit and the overtopping volume standard behind the seawall， according to the different hydrodynamic characteristics of vertical structure and slope structure， the overtopping volume behind the seawall is reduced by adopting the engineering means of breast wall eaves and replacing the armor block type on the slope surface， respectively. After validating the optimized design scheme with experimental test by statistical analysis of actual overtopping at different cross sections， the validation results show that the overtopping of the optimized structure under the designed wave is significantly smaller than that of the original structure. The result shows that the reasonable eaves design and artificial block selection on slope surface can effectively reduce the wave overtopping volume， which can enhance the safety under the condition of limited top height of the embankment. The design case of this project can provide reference for similar engineering design.

Keywords：coastal dynamics; clearance limit; overtopping volume; eaves-type retaining wall; accropode

随着社会经济发展，人类的经济活动日趋频繁，海岸工程的建设密度也随之加大，其互相影响、互相干扰制约也日趋严重和复杂。另外，随着全球气候变化，极端灾害天气有加频加剧的趋势，对保护沿岸建筑不受波浪侵袭的海堤工程也提出了更高的要求。本文结合工程实例，研究在满足堤后越浪量标准的前提下，受机场航空限高制约的海堤断面方案，采用规范公式对斜坡堤堤顶高程和越浪量进行计算，采用经验公式对直立堤堤顶高程和越浪量进行计算，并采用波浪局部物理模型试验方法对优化方案进行验证。

1工程概况

深圳机场三跑道扩建工程陆域形成及软基处理工程位于深圳宝安国际机场已建二跑道以西，已建广深沿江高速机场特大桥以东，规划用海面积约2.927 km2，陆域形成面积约2.743 km2。三跑道外海堤总长约7 665 m，北外海堤长1 196 m，距离福永河对岸最小距离约260 m;西外海堤长5 687 m，距离广深沿江高速机场特大桥距离为60～230 m，距离三跑道中心线距离约227 m;南外海堤长782 m，距离广深沿江高速机场特大桥约130 m。平面布置图见图1。图

本工程的海堤工程级别为1级，防洪（潮）标准为200年一遇，堤后允许越浪量小于0.02 m3/（m·s）。工程区域地质条件复杂，场地软弱土层厚度在3～14 m之间，且物理力学指标极差，受沿江高速机场特大桥限制，本工程建设导致的沿江高速桥墩附加位移需小于5 mm[1]，经综合分析并根据三维有限元软件计算结果，距离沿江高速130 m以内的外海堤采用直立堤结构方案，其余外海堤采用斜坡堤结构方案。本工程前期阶段外海堤结构方案如下。

直立堤采用斜撑钢管组合板桩的结构方案，斜撑桩采用Φ1 600 mm钢管桩，斜率为3∶1，板桩墙采用Φ1 400 mm钢管桩+钢板桩的组合结构，斜撑桩和钢管板桩墙通过顶部现浇钢筋混凝土承台连为一体，承台海侧设置挡浪墙，墙顶高程7.27 m，堤后吹填砂形成陆域。前期直立堤结构方案见图2。

坡堤堤心采用1～500 kg块石，海侧边坡1∶1.5，护面采用造价较省的3 t四脚空心块[2]，护面块体下设150～300 kg垫层块石，坡脚设600～800 kg块石棱体（兼作护底结构），堤顶外侧设置“L”型现浇混凝土挡浪墙，墙顶高程7.66 m，堤后吹填砂形成陆域。前期斜坡堤结构方案见图3。图3前期斜坡堤方案

Fig.3Original scheme of slope embankment

根据深圳机场三跑道扩建工程防洪排涝专题研究成果和防洪影响评估报告及政府主管部门批文，本工程直立式海堤和斜坡式海堤的挡浪墙顶高程分别不低于7.27 m和7.66 m。本工程外海堤前沿线距离深圳机场三跑道中心线距离为227 m，受机场跑道侧向航空限高制约，海堤堤顶高程不能超过15 m安全限高线，同时考虑到海堤抢险通道的使用高度和富裕高度，海堤堤顶高程不宜超过7.86 m。

直立堤采用200年一遇高水位和200年一遇波浪进行计算，计算所得挡浪墙顶高程约8.5 m。按前期阶段设计方案和7.27 m堤顶高程计算的直立堤顶越浪量约为0.069 5 m3/（m·s），不能满足规范对越浪量的要求。

2.2应对策略

综上，根据规范和经验公式计算的斜坡堤和直立堤堤顶高程均超过了深圳机场三跑道航空限高的堤顶高程，影响航空飞行安全，该堤顶高程不能采用。如按前期阶段设计方案所用的堤顶高程和设计断面，计算堤后越浪量又超过规范允许值。因此，需对海堤结构进行优化，在满足机场航空限高的前提下，优化海堤设计断面及其堤顶高程，满足堤后越浪量允许值要求。

3方案优化与模型试验

3.1方案优化

根据以上分析，直立堤的优化方向：一是采用航空限高所要求的7.86 m作为直立堤堤顶高程;二是直立堤越浪量主要与挡浪墙形状相关，可采用反弧形或挑檐式挡浪墙[6]。虽然挑檐式挡浪墙波浪力较大，但减少越浪量效果较好。由于理论计算的越浪量较大，因此拟采用挑檐式挡浪墙的方案，优化方案见图4。

斜坡堤的优化方向：一是与直立堤一致，统一采用航空限高所要求的7.86 m作为堤顶高程;二是斜坡堤堤后越浪量主要受迎浪面斜坡坡度和护面块体影响[7]，以及是否有消浪平台有关，但由于本工程用海面积已基本确定，且从保护海洋环境的角度出发，应尽量减少用海面积，因此不宜采用消浪平台和减缓斜坡坡度的工程措施来减少越浪量。本工程拟采用扭王块护面代替四脚空心方块的方案，优化方案见图5。

3.2模型的建立及试验工况设定

工程区域外海主要浪向与外海堤轴线夹角较小，为精确测试斜向浪作用下的堤后越浪量，模拟波浪与外海堤的实际夹角，采用波浪局部整体物理模型试验验证优化方案的合理性[8-9]。

波浪局部整体物理模型试验在河海大学40 m×60 m×1.5 m的大型波浪港池中进行，港池一端装有多向不规则波造波机系统，可按要求模拟规则波和各种谱型的不规则波[10]，港池四周装有消浪设施以减小波浪的二次反射[11-12]，波高采用DJ-800型多功能数据采集仪进行数据处理及分析[13-14]。

海堤试验段长度约600 m，包括直立堤、斜坡堤及直立堤与斜坡堤的衔接段。为提高试验精度、还原真实场景，模型还模拟了广深沿江高速机场特大桥，试验模型比尺为1∶30，采用的不规则波频谱为JONSWAP谱[15]。采用集水称重法测量堤顶平均越浪量，即一个完整的波序列作用产生的总越浪量除以波浪作用的总时间。试验中对模型分段进行越浪量测试，每段长1 m左右。试验模型及布置见图6。

3.3试验结果及优化方案

试验进行了100年、200年重现期的设计高潮位及相应的100年、200年重现期的波浪组合试验，试验越浪量结果见表1。

试验结果表明，SSW-SW向波浪产生的越浪量大于S-SSE向波浪产生的越浪量，W-WSW向波浪虽然是正向作用，但由于波高较小，几乎不产生越浪。最大越浪量出现在200年潮位及200年一遇波浪作用下，波向为SSW-SW，即波浪与海堤垂线夹角为30°时，直立堤最大越浪量为0.015 m3/（m·s），斜坡堤最大越浪量为0.012 m3/（m·s），满足规范要求。

4结语

通过优化海堤断面和平面布置，并结合模型试验验证的方法，解决了限高条件下的海堤越浪量控制问题，取得了理想的设计效果。研究得到如下主要结论。

1）通过对比规范和经验公式计算的越浪量与波浪局部物理模型试验结果的越浪量可以看出，规范和经验公式计算值稍大，结果偏于保守。

2）本工程斜坡堤采用扭王块护面的优化方案，比四脚空心方块护面的初始方案消浪效果好，且能满足规范要求，优化方案合理可行。

3）本工程直立堤采用挑檐式挡浪墙方案可有效减小越浪量，优化方案合理可行。

根据波浪局部物理模型试验结果，波浪与海堤轴线夹角为30°的越浪量大于夹角为40°的越浪量，可以看出斜向波作用下，并不是波浪与海堤夹角越大越浪量就越大，对于斜向波作用下的越浪量还有待深入研究。

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