中外港口规范对比研究Ⅱ：海堤越浪量标准

耿宝磊，王 眯2,，陈汉宝*，刘海源

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业 重点实验室，天津 300456; 2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京210098)

海堤是港口工程中常见的结构物，具有防潮、挡浪的功能，但当堤顶高程不足以抵抗大浪时，大量水体越过堤顶，甚至影响后方安全。由于越浪水体的时空分布不均匀性，各国规范中通常用平均值来表征，平均越浪量定义为单位时间波浪越过堤顶的单宽流量。“丝绸之路经济带”以及“21世纪海上丝绸之路”贯穿欧亚大陆，东连亚太经济圈，西入欧洲经济圈，港口工程国际化趋势日益显著，但由于不同国家地域文化、自然环境、发展历程等差异导致国内外港口规范各不相同，因此探寻规范差异成为一项重要的工作。

表1 《防波堤与护岸设计规范》中允许越浪量Tab.1 The allowable overtopping discharges in Code of Design for Breakwaters and Revetments

近年来，国内诸多学者对国内外港口相关规范进行了比较研究：夏运强等[1]综述了日、美、荷兰、中国规范对允许越浪量的规定，并在此基础上探讨性提出了港口工程允许越浪量；刘堃等[2]结合两个实例工程对比分析了《港口与航道水文规范》越浪量计算方法、断面物模、局部物模的差异；邱喜等[3]通过毛里塔尼亚工程对中、美、英国规范中越浪量计算方法进行比较；杨克勤等[4]具体分析了EurOtop、《港口与航道水文规范》、陈国平公式的差异。随着相关规范的完善，对海堤越浪量标准(包括允许越浪量限值和计算公式)的综合分析具有一定意义。本文综合对比分析了中英美日以及荷兰等国现行规范中海堤越浪量标准，为海内外港口设计工作提供参考。

1 各国规范中的允许越浪量要求

1.1 中国规范

表2 香港《Port Works Design Manual》 中允许越浪量Tab.2 The allowable overtopping discharges in Port Works Design Manual

(1)《防波堤与护岸设计规范》[5]第7.2.2条规定，对不同防护要求的斜坡堤护岸，其允许越浪量可按表1确定。该规范强调，护岸顶部允许越浪量的选取应结合工程总体布置、排水设施及结构型式和断面尺度等统筹考虑；恶劣天气时，岸顶通道上的人员、车辆均不得通行，以保证安全；特殊情况，经专题论证，其允许越浪量可适当增减。

(2)香港现行标准《Port Works Design Manual》[6]中对越浪量控制的标准见表2。

(3)现行地方标准《广东省海堤工程设计导则》[7]中对沿海堤防允许越浪量控制的标准见表3。

表 3 《广东省海堤工程设计导则》中允许越浪量Tab.3 The allowable overtopping discharges in Design guide for coastal levee project of Guangdong province

表4 日本护岸、海堤越浪量受灾限值Tab.4 Threshold rate of wave overtopping for inducing of damage

1.2 日本规范

日本港口设施技术标准与评述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[8]第二部分第二章指出，建筑物允许越浪量应综合考虑海堤的结构类型、后方陆域的重要程度、排水设施的容量等因素，视具体情况而定。具体规定如表4～表6所示。

表5 考虑海堤后方陆域使用情况的允许越浪量Tab.5 Allowable wave overtopping rate in view of state of land use

表6 考虑海堤后方陆域重要程度的允许越浪量Tab.6 Permissible wave of overtopping rate in view of degree of importance of hinterland

1.3 美国规范

美国港口规范《Coastal Engineering Manual》[9]第六部分第五章建议平均越浪量限值如图1所示。

在采用表1时应注意以下几点：

(1)即使是相同的越浪量，水撞击结构特定部位的强度很大程度上取决于结构形式和距离，最大强度可能达到平均越浪对应强度的两个量级；此外，越浪的可接受程度也与各地安全观念等人为因素有关。

(2)风引起的长距离溅浪可能会对后方陆域的货物造成损害、导致寒冷地区船舶上层建筑结冰。

(3)仅防浪功能的防波堤允许有较大的越浪量，但可能对系泊船舶造成一定损害。

(4)风浪的越浪量随波浪的变化而呈现出时间和空间上的不均匀性，台风期间的越浪量主要源于波浪的一小部分，而此时单波越浪量峰值可达平均越浪量的100倍。

图1 美国港口规范《Coastal Engineering Manual》 中允许平均越浪量限值Fig.1 Critical values of average overtopping discharges in Coastal Engineering Manual

1.4 英国规范

(1)英国海工建筑物标准《Maritime Structures》[10]第七部分第三章考虑挡浪墙后3 m处行人和车辆安全的允许平均越浪量如表7所示，同样提及单波越浪量可能达平均越浪量的100 倍。

表7 英国规范《Maritime Structures》中允许越浪量Tab.7 The allowable overtopping discharges in Maritime Structures

(2)《The Rock Manual》[11]中关于防波堤和护岸的允许越浪量如表8所示。

1.5 荷兰规范

荷兰护坡设计指南[12]中允许越浪量限值如表9所示。

表8 《The Rock Manual》中允许越浪量Tab.8 The allowable overtopping discharges in The Rock Manual

表9 荷兰护坡设计指南中允许越浪量Tab.9 Allowable overtopping discharges for dikes and revetments in the Netherlands

表10 各国规范中海堤允许越浪量标准汇总Tab.10 Summary of allowable overtopping discharges in national standards m3/(m·s)

1.6 各国规范对比分析

综合分析国内外港口相关规范，海堤允许越浪量标准一般从三个方面考虑，包括结构安全、交通安全、后方区域重要程度。但现行国内外规范侧重点不同，越浪限值存在差异，如表10所示。

各国标准中考虑结构安全的越浪量不高于0.05 m3/ (m·s)，并根据海堤具体型式而定；中国香港、欧洲国家标准中提及了堤后交通安全的允许越浪量；对于后方重要程度的考虑，中国现行《防波堤与护岸设计规范》和日本规范中对越浪限值有明确规定。总体而言，考虑结构安全的允许越浪量最大，后方区域重要程度次之，考虑交通安全的允许越浪量最小；国外规范中允许越浪量不超过0.2 m3/ (m·s)，国内规范相对保守要求不超过0.1 m3/ (m·s)。国内外规范中采用的允许越浪量均为平均越浪量，但正如国外规范所言“单波越浪可达平均越浪的百倍”，其破坏性不容忽视。

2 各国规范中的越浪量计算方法

2.1 中国规范

《港口与航道水文规范》[13]第10.2.4指出斜坡堤满足下列要求时，其越浪量可按式(1)和(2)计算。

无胸墙

(1)

有胸墙

(2)

式中：q为单位时间单位堤宽的越浪量，m3·m-1·s-1；Rc为堤顶在静水面以上的高度；Hs为有效波高；Tp为谱峰周期；d为堤前水深；g为重力加速度；π为圆周率；b1为坡肩宽度；A、B、KA是由坡度、护面结构决定的经验系数。

2.2 美国规范

美国港口规范《Coastal Engineering Manual》[9]第六章第五节详细介绍了多个适用于不同条件的越浪量公式，本文摘取常用的Owen公式(1980，1982)以及Van der Meer公式(1995)加以介绍。

(1)Owen公式是基于不可渗透斜坡在正向不规则波作用下得到的经验公式。

(3)

式中：Tom为平均波周期；Som为平均周期对应的深水波陡；γf为表层糙率，与护面结构有关；a、b是由坡度和肩滩宽决定的经验系数。

(2)Van der Meer公式是基于不可渗斜坡堤受粗糙护面保护，在短峰波、斜向浪作用下的经验公式。

ξop<2时

(4)

ξop>2时

(5)

2.3 EurOtop

欧洲堤防结构越浪手册《Manual on wave overtopping of sea defenses and related structures》[14]2016版提出了针对Rc/Hmo≤0.5情况下更精确的越浪量计算公式。

(1)可靠度设计

最大值

(6)

(2)安全性设计

最大值

(7)

2.4 各国规范越浪量公式对比分析

综合分析国内外港口相关规范中斜坡堤越浪量计算公式可知，海堤越浪量受波浪参数以及斜坡堤结构的影响，但各公式侧重点略有差异，汇总如表11所示。

表11 各国规范中越浪量公式考虑因素汇总表Tab.11 Summary of consideration factors for wave overtopping formula in national standards

由表可知，中美越浪公式一般采用有效波高，而EurOtop公式采用谱波高，对于浅水区两者几乎无差异，而在深水区两者相差可能达到15%；此外，各规范采用的波周期也有所差异，平均周期和谱峰周期并不等同，JONSWAP谱中平均波周期约为0.79～0.87倍谱峰周期，P-M谱中平均波周期约为0.71～0.82倍谱峰周期。在上述公式中，EurOtop考虑因素最全面，其作为Van der Meer的改进公式，能够更精确地计算堤顶低、波高大的情况。具体优劣，可进一步根据下列算例进行对比分析。

3 具体工程实例的比较分析

3.1 工程实例

(1)工程一。科伦坡海港城[15]防波堤采用扭王字块护面，坡度1：1.5，堤顶高程+4 m，泥面高程-17.5 m，设计方综合考虑后提出的越浪限值为：100 a一遇水位(+2.0 m)对应100 a一遇波浪作用时越浪量不超过50 L/(m·s)，MHWS水位(+0.7m)对应100 a一遇波浪作用时越浪量不超过1 L/(m·s)。波浪断面物理模型试验工况：工况一(d=19.5 m，Hs=5.8 m，Tp=13 s)、工况二(d=18.2 m，Hs=5.8 m，Tp=13 s)。

(2)工程二。唐山港曹妃甸港区[16]护岸采用斜坡堤结构，泥面高程-0.5 m，堤顶高程+7.2 m，护面采用S4栅栏板，坡度为1：2，设计方提出的护岸断面越浪量限值为0.05 m3/(m·s)。波浪物理模型试验工况：工况一(d=4.96 m，Hs=2.3 m，Tp=4.3 s)、工况二(d=5.08 m，Hs=2.3 m，Tp=4.3 s)。

(3)工程三。深中通道[17]是集超长海底隧道、超大跨海桥梁、深水人工岛、水下互通“四位”一体的集群工程，其中西人工岛部岛壁结构拟采用扭王字块护面斜坡堤，坡度1：1.5，堤顶高程+8.0 m，原泥面高程-13.87 m，越浪量标准：重现期300 a的高水位和重现期300 a的波浪组合条件下，越浪量不超过15 L/(m·s)；重现期100 a高水位和重现期100 a波浪组合作用下，越浪量不超过5 L/(m·s)。波浪物理模型试验工况：工况一(300 a一遇高水位+3.61 m，Hs=2.88 m，Tp=8.16 s)、工况二(100 a一遇高水位+3.34 m，Hs=2.49 m，Tp=7.60 s)。

(4)工程四。蓬莱西海岸海洋文化旅游产业聚集区工程[18]拟建海堤堤顶高程+7.5 m，海底高程-7.7 m，护面采用扭王字块，坡度1：1.5。试验工况：工况一(设计高水位+1.8 m，重现期50 a波浪Hs=4.1 m，Tp=11.25 s)、工况二(极端高水位+3.02 m，重现期10 a波浪Hs=3.2 m，Tp=9.88 s)。

表12公式计算与物模试验越浪量

Tab.12Waveovertoppingdischargesinformulacalculationandmodeltest L/(m·s)

工程实例港口与航道水文规范CEMOwenVan der MeerEurOtop概念设计安全设计物模试验工程一工况一6.0518.3624.3123.1629.1524.58工况二0.2581.091.051.211.650.67工程二工况一54.43.812.513.126.812.0工况二57.04.815.716.933.539.5工程三工况一30.813.910.612.426.713.26工况二17.54.12.42.25.84.97工程四工况一32.334.521.220.844.222.9工况二20.318.68.09.120.29.4工程五工况一32.032.725.032.753.629工况二5.20.60.20.20.6溅浪

(5)工程五。天津港大港区(南港)泰奥石化仓储物流项目[19]防潮堤采用斜坡堤，泥面高程+1.5 m，堤顶高程+7.2 m，护面采用栅栏板，坡度1：2.5。波浪物理模型试验工况：工况一(极端高水位+5.88 m，Hs=1.64 m，Tp=5.68 s)、工况二(设计高水位+4.3 m，Hs=1.62 m，Tp=5.68 s)。

3.2 结果分析

通过上述理论计算与物模试验的结果对比分析可知，由于系数的选取差异以及考虑因素的不均等，导致各公式产生计算差异，《港口与航道水文规范》公式计算结果最保守，EurOtop公式计算的平均越浪量与物模试验结果相比均在一个量级，且相差不大，更具参考性。值得注意的是，在运用公式时一定要注意其适用范围，越过范围则可能导致计算结果失真。

4 结语

随着“21世纪海上丝绸之路”重大倡议的提出，越来越多企业响应国家号召纷纷“走出去”开拓海外港口项目。在港口建筑物设计时，如何正确辨别国内外规范差异，合理选用相关公式，成为海外设计工作者面临的一项亟待解决的问题，本文综合分析了国内外港口相关规范中对海堤允许越浪量规定的差异，以及斜坡堤越浪量计算公式的差异，可为相关设计工作者提供参考。