糙渗系数不同的复合式斜坡堤波浪爬高计算

于 洋，赵宏元，项雨略

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引 言

斜坡式海堤外坡通常为单坡或复坡，带有平台的复合式斜坡堤上坡和下坡采用相同护面结构，可根据规范计算得出折算坡度系数me，然后按单坡断面确定波浪爬高。在实际工程中，对于上坡、下坡为不同护面结构，规范中公式不再使用，通过对护面糙渗系数进行多种方式计算对比，得出较为合理的综合糙渗系数KΔe进行波浪爬高计算。

1 工程概况

横沙三期南堤东西走向，连接五期南大堤和老海塘，全长3 995 m，防洪标准为50年一遇高潮位（5.61 m）加10级风上限（28.4 m/s）组合。横沙三期南堤为袋装砂斜坡堤结构；堤顶路面2006年9月实施时为泥结碎石路面，路面宽度为6 m；内坡为草皮护坡，坡度1:3，内青坎高程4.0～3.5 m，宽20 m；外坡为带有平台的复合外坡，护面结构采用螺母块，在5.7 m处设灌砌块石平台，上坡坡度为1:3，下坡坡度为1:2；堤顶设置灌砌块石防浪墙。原海堤结构见图1。

图1 原海堤结构示意

为满足三期南堤防洪标准达到100年一遇，需进行达标设计。

2 海堤设计条件及难点

2.1 设计波要素

长江口大范围地形采用 2017年 12月实测地形，老海塘和横沙三期附近采用2018年7月实测地形，采用SWAN（Simulation Wave Nearshore）波浪模型计算横沙三期南堤堤前设计波要素（控制波向为SE～SSE向）。

表1 各波浪计算点设计波要素（100年一遇）

2.2 设计特点及难点

1）本工程为海堤达标工程，海堤防洪标准由50年一遇提高至100年一遇。

2）原海堤在老导堤结构基础上进行修建，本次进行再次修建，需对海堤堤身结构整体状况进行评价，再提出修建方案。堤身结构复杂，堤顶高程确定需综合考虑。

3）原海堤上坡螺母块护面结构部分破损，且部分灌砌石防浪墙开裂破损。

4）堤顶道路频繁通过卡车，堤顶荷载较大。

3 海堤结构方案

通过对已有监测数据进行分析评价，堤身状况良好。本工程重点为修复护面和防浪墙，提高防洪标准，并重建堤顶道路。

斜坡堤下坡螺母块护面状况良好，块体厚度满足100年一遇要求，维持原状；上坡螺母块护面已破损，且考虑景观要求，采用300 mm厚栅栏板结构；拆除原有灌砌石防浪墙，新建钢筋混凝土鹰嘴型防浪墙。海堤结构方案详见图2。

图2 新建海堤结构示意

对于上坡、下坡为不同护面结构，规范中公式不再适用，为准确确定堤顶标高，通过对护面糙渗系数进行多种方式组合计算对比，得出较为合理的综合糙渗系数KΔe，进行波浪爬高计算。

4 波浪爬高计算方法

4.1 方法一：分别按糙渗系数大值或小值计算

该海堤下坡护面结构为螺母块，糙渗系数为0.55；上坡护面结构为栅栏板，糙渗系数为 0.49。假设护面结构均为螺母块或栅栏板，根据规范，分别计算得出单一护面结构的波浪爬高结果，见表2。

表2 波浪爬高计算

根据规范分析可知，当下坡陡于上坡，静水位较平台越高，折算坡度系数扩大越小，爬高越大。本工程静水位稍高平台，Kb取值稍小，更接近上坡坡比m上，上坡占比稍多，因此按上坡糙渗系数占比稍高考虑，根据计算结构确定最终波浪爬高为8.970 m。

此方法计算以海堤规范中已有公式为基础，根据水位初判上坡、下坡所占比重，进行估算最终波浪爬高。计算过程中人为主观判断过多，降低结果可靠度。

4.2 方法二：加权平均求综合糙渗系数

方法二根据海堤外坡上坡、下坡坡长与糙渗系数加权平均计算得出综合糙渗系数KΔe。上坡坡上L上，下坡坡长L下，上坡糙渗系数KΔ上，下坡糙渗系数KΔ下，综合糙渗系数计算公式为：

经计算综合糙渗系数为0.5175。根据规范求得折算坡度系数 3.705，然后按单坡断面计算得出波浪爬高，见表2，最终确定堤顶高程为8.985。

该方法需计算波浪爬高，需先初步确定堤顶高程，从而确定上坡坡长，再计算综合糙渗系数，根据计算结果再调整坡顶高程，反复试算求出核实的堤顶高程。本工程堤顶前沿线已确定，上坡长度即确定，因此不需反复试算。该方法计算简单，实用性强，具有一定说服力，但是该方法未考虑水位及实际波浪爬高坡长占比问题，降低结果可靠度。

4.3 方法三：糙渗系数反推坡比

单坡斜坡堤波浪爬高计算根据不同糙渗系数、不同坡比得出不同波浪爬高，根据单坡波浪爬高计算方法，先计算糙渗系数0.49，坡比1:3情况波浪爬高为9.448 m，反推糙渗系数为0.55时，坡比多少时才能得到同样波浪爬高，计算得出坡比为1:3.3时，得到相同波浪爬高，再求出折算坡度系数3.9997，按糙渗系数0.55计算得出最终波浪爬高，见表2，确定堤顶高程为8.89 m，计算结果稍小。

此方法在计算波浪爬高时，糙渗系数与波浪爬高为线性关系，在反推坡比时，爬高与坡比不是线性关系，求得结果差距较大，可靠性较低，结果仅供参考。

4.4 方法四：借鉴国外公式推导综合糙渗系数

根据荷兰防洪咨询委员会（TAW）2002年发布的 EurOtop Manual，TAW（2002a）公式计算波浪爬高使用平均坡度来计算碎波参数。对于多个坡度的边坡和平台的组合，可分别计算平均坡度和平台的影响，平均坡度根据公式（2）、（3）计算，计算时忽略平台的影响，平台对波浪爬高的影响系数另计。

图3 平均坡度计算示意

式中：Ru2%为 2 %超值概率的波浪爬高；Hm0为堤脚处的浪高；B为平台宽度。

公式（2）直接根据平台上下1.5倍波高，计算得出平均坡度。公式（3）平台上坡高度根据波浪爬高确定，下坡直接取 1.5倍波高。Ru2%为计算目标所求的波浪爬高，Ru2%值未知，先假设Ru2%=1.5Hm0，再进行迭代计算，直至波浪爬高计算公式收敛为止。

考虑静水位的影响在平台对波浪爬高影响系数中。TAW（2002a）公式在确定平均坡度方面具有较大参考价值。在方案二基础上，根据 TAW（2002a）公式确定平均坡度方法确定上坡、下坡坡长，重新计算综合糙渗系数。

采用公式（3）需经过反复多个公式迭代计算，计算过程较复杂，本工程参考公式（2）方法计算上坡、下坡坡长，得出综合糙渗系数计算公式如下：

根据公式（4）计算，，按单坡断面计算得出波浪爬高，见表2，确定堤顶高程为8.97。本方法较方法二更合理，不会因上坡、下坡坡长相差较大对结果影响较大。折算坡度系数me考虑了静水位与平台相对位置关系对波浪爬高的影响，且本工程静水位与平台高程相近，该方法更为合理。

5 结 语

1）通过对四种波浪爬高计算方法结果分析，方法四计算结果最为合理，本工程静水位与平台位置接近，上坡、下坡直接取1.5倍设计波高对应坡长加权平均求得综合糙渗系数更为合理，得出最终波浪爬高可信度最高。

2）本工程设计波要素中设计波高较小，上述几种计算方法求得结果相差较小。经试算较大设计波高，可得出上述计算方法波浪爬高结果逻辑关系依然成立。

3）平台对波浪爬高的影响，通过求折算坡度系数me进行消除，其中考虑了静水位与平台位置相对关系影响。但静水位与平台相对位置对综合糙渗系数的影响不得而知，尤其当静水位与平台高程相差较大时，其影响也越大。建议通过物理模型试验核算波浪爬高计算准确性。

4）本工程考虑老导堤则为三级复坡，最下面坡度暂按带压载海堤断面考虑计算。

5）本工程堤顶设置防浪墙，但堤身高度较高，设计潮位不高，暂不考虑防浪墙影响。