消浪肩台对斜坡式防波堤堤顶高程的影响

王 军，李雪野，陈 琦，郑 娟

(1.宁波市港航管理中心，浙江 宁波 315042；2.宁波中交水运设计研究有限公司，浙江 宁波 315040)

斜坡式防波堤是常见的港口构筑物，一般在水深小于15 m时采用，在水深大于15 m时可采用直立式防波堤或混合堤[1]。常见的斜坡堤主要结构包括堤心石、垫层、护面护底等。在基本断面形式确定的情况下，斜坡式防波堤的高度和宽度是影响造价的重要因素，而宽度和高度息息相关，因此，确定合理的防波堤高程是斜坡堤设计中的重中之重。

防波堤的主要功能为防浪，从理论上讲，斜坡堤的堤顶高程足够高，可以做到完全不越浪，但是经济代价十分巨大，而且对地基有一定的要求，可能会增加施工内容和施工难度。可见越浪量标准是影响水工建筑物结构形式的重要因素，它决定堤顶高程、消浪肩台高程和宽度等设计参数，并影响工程造价[2]。因此得到较准确的越浪量既是防波堤高程设计的重要前提，又是其验证的关键数据。

以国内某新建防波堤工程为基础，首先通过理论公式计算，对比分析有、无消浪肩台对斜坡堤堤顶越浪量的影响；然后通过理论公式对比分析有、无消浪肩台对斜坡堤堤顶高程的影响；最后通过断面物理模型试验进行验证，对比分析消浪肩台对斜坡式防波堤堤顶越浪量和高程的影响。

1 工程概况

某新建大型游艇码头位于开敞外海，须新建环抱式防波堤进行掩护，允许越浪，要求越浪不直接砸在水面上形成次生波，且越浪量不大于0.05 m3(m·s)，工程水文条件见表1。为了寻求最优堤顶高程断面，设计了多个断面，选取其中4个典型断面进行讨论，断面1a)为单坡无肩台断面，外侧坡比为1:2，护面采用扭王字块，单块质量10 t，下设500～1 000 kg块石垫层，设块石护底；堤心为抛填开山石(1～1 000 kg)；堤顶海侧设混凝土胸墙，胸墙顶高程为11.0 m，原泥面约-6 m，见图1a)。断面1b)在断面1a)的基础上，在高程3 m处增设宽11 m的消浪肩台，见图1b)。断面2a)斜坡堤胸墙顶高程降至8.5 m，外侧坡比为1:1.5，其他同断面1a)，见图1c)。断面2b)在断面2a)的基础上，在高程3 m处增设宽11 m的消浪肩台，见图1d)。

表1 设计水文要素

图1 4个断面设计(高程：m；尺寸：mm)

2 斜坡堤堤顶平均越浪量计算

2.1 JTS 145—2015《港口与航道水文规范》

(1)

2.2 欧洲越浪手册法(EurOtop)

当波浪破碎参数ξm-1，0≤ 5时，平均越浪量计算公式如下[3-4]：

(2)

(3)

(4)

式中：α为斜坡坡度；Hm0为谱峰波高(m)；Rc为堤顶距水面的高度；γb为防波堤肩台影响系数，适用范围为0.6～1.0；γf为防波堤面层粗糙度影响系数；γβ为波向影响系数；γv为防波堤断面综合影响系数，γv=1.35-0.007 8αwall，αwall为胸墙迎浪面的角度(°)。

2.3 越浪量计算结果

应用上述公式，计算4个设计断面的平均越浪量，工程实例超出式(1)的适用范围，EurOtop法(确定性设计公式)计算结果见表2。对比可见，在相同高程下，设有消浪肩台的断面能够显著降低越浪量。

表2 越浪量计算结果

3 斜坡堤堤顶高程计算

3.1JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》

根据《防波堤与护岸设计规范》相关规定，对有胸墙的斜坡式防波堤，堤顶高程按照是否允许越浪分别设计。

1)对要求基本不越浪的防波堤，胸墙顶高程宜定在设计高水位以上不小于1.0倍设计波高值处。

2)对不允许越浪防波堤参照不允许越浪的沿海港口护岸设计，有胸墙时的墙顶高程可按下式确定：

Zc=Hw+R+a

(5)

式中：Zc为岸段高程(m)；Hw为设计高水位(m)；a为富裕值；R为波浪爬高(m)，建议通过模型试验确定复杂斜坡式断面的波浪爬高值，对在静水位上、下半个波高范围内设置戗台、戗台宽度为0.5～2倍波高时，爬高可相应减小10%～15%。

3.2 GBT 51015—2014《海堤工程设计规范》

根据《海堤工程设计规范》相关规定，堤顶高程应根据设计高潮位、波浪爬高及安全加高值，并应按下式计算：

Zc=hP+RF+A

(6)

式中：Zc为设计频率的堤顶高程(m)；hP为设计频率的高潮位(m)；RF为按设计波浪计算的累积频率F的波浪爬高值；A为安全加高值。

3.3 《浙江省海塘工程技术规定》

根据《浙江省海塘工程技术规定》5.1.1条，塘顶高程计算公式如下：

ZP=HP+RF+ΔH

(7)

式中：ZP为设计频率的塘顶高程(m)；HP为设计频率的高潮位(m)；ΔH为安全加高值；RF为按设计波浪计算的累积频率F的波浪爬高值。

3.4 斜坡堤顶高程计算结果

由以上3个公式可见，波浪爬高是决定堤顶高程的关键因素，式(5)中规定设有符合规范要求的消浪肩台，波浪爬高可以减小10%～15%；对带有消浪肩台的斜坡堤，式(6)和式(7)均提出应将肩台的尺寸折算成断面的综合折算坡度，再利用折算坡度计算波浪爬高。应用上述公式，计算有、无消浪肩台斜坡堤断面的设计顶高程，结果见表3。对比可见，设置消浪肩台可显著降低斜坡堤堤顶高程。

表3 堤顶高程计算结果

4 物理模型试验

在保证结构稳定的前提下，为了验证消浪肩台在改善越浪量方面的效果，并与经验公式计算结果对比，针对防波堤顶高程确定的标准开展了结构断面物理模型试验[5]。模型试验分别针对有无消浪肩台的情况，测量了不规则波作用下防波堤堤顶越浪量情况，从而验证确定波堤顶高程的合理性和最优性。试验模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似，试验断面见图5，越浪量和高程验证结果见表4。

图2 越浪量物理模型试验

表4 越浪量试验结果

通过试验验证，在保证稳定的前提下，无肩台断面的堤顶高程需11 m才能满足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求，设置消浪肩台断面的堤顶高程8.5 m即可满足越浪量不大于0.05 m3(m·s)的要求。试验中斜坡堤通过增设消浪肩台可将顶高程降低22.7%。

5 工程量和造价

根据规范相关要求，断面2b)设置了长11 m的(0.5～2倍波高)消浪肩台，与断面1a)相较，降低了高度，但是增加了宽度，断面2b)的工程量有所增加，经计算，每延米造价分别为15.04万元和14.83万元，每延米造价增加约1.4%。本例中游艇码头防波堤需要综合考虑安全性和景观性，过高的堤顶高程不仅影响与现有陆域(高程约8 m)的连接，而且大大降低了亲水景观观赏效果，因此，在造价增加有限的情况下，推荐采用设计断面2b)。

6 结论

1)我国平均越浪量计算公式适用条件稍严格，对于复杂断面的越浪量，规范建议通过模型试验确定；EurOtop方法考虑因素比较全面。

2)海堤越浪和波浪爬高是比较复杂的水体运动，对于复杂断面，理论公式计算难以给出十分精确的结果，因此对于复杂防波堤断面，建议通过物理模型试验进行验证，从而精确优化堤顶高程设计。

3)理论计算和物理模型试验都证实，设有合适消浪肩台的防波堤可显著减少越浪量、降低波浪爬高，从而降低堤顶高程。

4)本文通过多种方法计算和确定防波堤顶高程，水利工程规范相较港口工程规范计算标准更高，对于重要港口工程，防波堤堤顶高程在满足港口工程规范的基础上，可适当参考水利工程规范综合确定。