海堤工程立体组合消浪关键技术及应用

詹达美，龚春娟

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

重点海堤一般有位于开敞式海域、风浪大等特点，因此重点海堤应具备良好的消浪效果作用，以防波浪越顶破坏海堤。波浪爬高的主要影响因素有堤前水深、透水程度、海堤斜坡坡度、堤前波高以及坡面糙率等[1-4]，各国学者对此进行了诸多研究，得出的研究成果出入较大。因此，具体工程常需根据自身工程特性以及针对工程实际需求设计出相应的试验模型。王国玉[5]从新型结构的透空式防波堤出发，分析不同条件对于透射系数和反射系数改变。张怀坤[6]在设计大坝护坡时使用糙块加大护坡的消浪能力，得到消浪性能的重要参数糙渗系数K0，进而可知粗糙护坡时波浪的爬高低于其他情况。卢永金等[7]对比工程实际应用的规范与理论计算后发现两种波浪爬高的计算结果相差很小，只是对于结构影响系数的处理略有差别。如今中国的海堤防浪护坡工程呈现出面广量大的特点，为提高海堤防潮安全，进行新型海堤消浪预制块护坡研制以及消浪效果的试验研究是十分必要的。但目前研究采用的消浪块体组合方式较为单一，没有最大程度地发挥不同种类消浪块体的优势，“一坡到底”的排列方式在保证安全的前提下没有达到经济最优化，降低了消浪块体的工作效率，造成了材料浪费。此外，由于物质经济生活水平的提高，人们对于海岸设计的生态性与景观性有了新的需求。为此，急需开展海堤工程消浪结构的优化创新设计，在满足结构安全的前提下，提升海堤防护结构的经济性、合理性和生态景观效果。

因此，本文研发了一种采用混凝土扭王字块体、混凝土四脚空心块体、钢筋混凝土栅栏板、反弧型防浪墙等消浪防浪体的优化组合技术，对海堤消浪措施的作用机理进行了分析，开展了消浪块体的特性研究，探讨了立体组合式消浪的布置特点，并且对立体组合式消浪技术的效果进行了分析，最后结合工程应用案例印证了本技术的可行性和良好效果，为类似工程提供了有益参考。

1 海堤护面消浪作用研究

1.1 波浪对海堤消浪措施的作用机理

海堤堤坡在没有消浪的防护措施条件下会被波浪能破坏，直至破坏面到达断面的平衡状态。海堤被波浪破坏的主要原因如下：①海堤护坡的结构重量或者厚度不够，不可以很好地承受破波的射流冲击或者坡面波动的水流的冲刷或者内压力的浮托力；②由于边坡没有得到充分的保护，长久时间下的冲击，致使海堤破坏；③因为海堤的堤顶高程较低，且堤身的宽度不够，堤身缺少合适的防护，最终破坏海堤。

1.2 消浪块体特性研究

海堤临海侧坡面布设的消浪块体种类有天然石材、人工混凝土块体，天然石料更加经济，且耐久性能好，但消浪性能较差，人工消浪块体能代替天然的石材，用自身的结构特点消能，降低爬高。扭王字块体稳定性较好，消能效果显著，有双层、多层摆放2种形式，多层摆放有增加厚度、增大孔隙率的作用，可以更好地护坡。四脚空心方块的护坡稳定性好，中间的透空使孔隙率增大，消浪效果更好，摆放后的四脚空心方块更适合堤坡变形和利于结构稳定，适合浪小水浅的地区。栅栏板以凹槽的造型形成反滤排水式，水流经过凹槽的涡流作用会更改水流的流程，凹槽的孔隙消能可以消能、降低爬高，利于消浪以及安放的稳定性。只依靠单体的稳定性时连锁作用不明显，所以整体摆放的稳定性有待考究。

文献[8]进行实验对比，发现最小爬高是扭王字块体的，爬高相近的是栅栏板、四脚空心方块，扭王字块的空隙消浪效果好，整体厚度大可以更好的防止波浪推进。实验结果显示，护面消浪体的结构类型和位置都会影响波浪的爬高，波浪上爬位置的消浪结构型式对爬高的影响更大。图1、2为无风、有风时越浪量大小，可知扭王字块体的越浪量是最小，栅栏板和四脚空心块体的越浪量相差不大。

图1 无风时越浪量

图2 有风时越浪量

2 海堤立体组合式消浪技术研究

2.1 立体组合式消浪布置特点

目前国内外在海堤护面设计中大多采用一种消浪块体[9-12]，组合式块体的研究和应用较少，由于波浪在堤坡上不断变化，采用单一消浪块体不能很好的削弱波浪力，根据各种消浪块体的特点提出立体组合式消浪方法，研发了混凝土扭王字块体、混凝土四脚空心块体、钢筋混凝土栅栏板、反弧型防浪墙等消浪防浪体的优化组合技术，组合方式为在设计高潮位以下波浪底流速大的坡段安放消浪效果最好的混凝土扭王字块体，在设计高潮位的位置设置混凝土四脚空心块体增强消浪效果，设计高潮位以上为满足景观需求放置栅栏板，并且堤顶上用于挑浪的防浪墙为反弧型，立体组合消浪断面型式见图3。

图3 立体组合消浪断面型式

该项技术组合的摆放特点如下。

a)在设计高潮位以下混凝土扭王字块体单层与随机摆放相结合，结构稳定性高，与周围块体有很好的钩联效果，中国还没有双层安放的先例。组合技术突破性地采用双层安放扭王字块体，第一层采用单层规则安放，第二层采用随机安放，随机安放是根据第一层单层安放中存在空隙较大的位置由扭王字的中间构件插入空隙中，解决双层摆放的滚动问题，加强块体之间的钩联效果。

b)消浪平台置于设计高潮位上，四角空心块体的下部和扭王字块体相接，上部则和栅栏板相契合，块体的水动力稳定随着块体摩擦约束的增加而差异性减小。块体一方面直接承受波浪正向作用力，另一方面还承受经小直立墙挑浪后波浪回落冲击。

c)设计高水位以上考虑海堤的景观效果，采用栅栏板消浪，栅栏板以凹槽的造型形成反滤排水式。栅栏板块体是规则的，施工时可以沿坡面整齐摆放，而且对于有弧度的转脚位置可以根据现场实际情况现场浇筑成型，提高海堤坡面的齐整度。

d)堤顶设置反弧型防浪墙挑浪，可以进一步减少越浪量。

2.2 立体组合式消浪技术的效果分析

立体组合式消浪技术是根据波浪的大小、波浪在堤坡上上爬的运动轨迹，充分利用扭王字块体、四脚空心块体、栅栏板和反弧型防浪墙的特点，在坡面的不同位置设置不同的消浪块体，避免“一坡到底”，当水深超过一定深度后，“一坡到底”会要求更大型号吊机，立体组合式消浪技术更加经济和安全。该项技术的消浪效果主要体现在波浪爬高上，而影响波浪爬高最重要的因素是消浪块体的糙渗系数，规范[13]中均只给出了设置单一块体的取值，对于组合式的消浪措施的糙率系数尚未给出取值，为了能够定量计算立体组合式消浪的波浪爬高，需要进一步研究消浪糙率系数。

2.2.1立体组合式消浪糙率系数研究

根据相关文献[14-15]，立体组合式消浪技术的断面结构为上坡和下坡为不同消浪结构的复式断面，不符合规范公式的条件，为此，针对糙率系数的取值提出采用加权平均求综合糙率系数的方法。

该方法根据海堤外坡上坡坡长、平台宽度、下坡坡长与糙渗系数加权平均计算得出综合糙渗系数KΔe。上坡坡长Lu，平台宽度Lm，下坡坡长Ld，上坡糙渗系数KΔu，平台糙渗系数KΔm，下坡糙渗系数KΔd，综合糙渗系数计算方法见式(1)：

(1)

该方法计算波浪爬高，需先初步确定堤顶高程，从而确定上坡坡长、平台宽度和下坡坡长，再计算综合糙率系数，根据波浪爬高的计算结果再调整堤顶高程，反复试算求出合适的堤顶高程。该方法计算简单，实用性强，具有一定说服力。

2.2.2立体组合式消浪技术波浪爬高计算

立体组合式消浪是从水下、水上到堤顶的三位一体立体消浪系统，立体组合消浪断面型式见图4。为了研究立体组合式消浪技术对波浪爬高的影响，在保持坡比等要素不变的前提下将护面改成仅设栅栏板的传统消浪断面型式，对比分析不同护面形式对消浪效果的影响，计算方法采用《海堤工程设计规范》推荐的方法，具体计算结果见表1。

图4 传统栅栏板消浪断面型式

消浪效果的对比主要是对比爬高，由规范[16]可知，由mu、md为 2.0，折算坡度系数me可按式(2)计算。

a)当▽m=md-mu=0，即上、下坡度一致时：

(2)

b)系数Kb可按式(3)计算：

(3)

式中mu、md——平台以上、以下的斜坡坡率，mu、md为 2.0；dw——平台上的水深，m；B——平台宽度，m；L——波长，m。

2.2.3正向规则波在单一坡度时爬高

R=KΔR1

(4)

式中R——波浪在坡面的爬高，m；KΔ——与斜坡护面结构型式有关的糙渗系数，按照上述立体组合式消浪糙渗系数计算公式，平均糙渗系数KΔ取 0.48，栅栏板消浪糙渗系数取0.49；R1——KΔ=1、H=1 m时的爬高，可根据规范公式计算确定。

2.2.4波高H

H取累计频率为H1%的波高，见表1。

表1 波浪爬高参数

表1的计算结果表明，采用立体组合式消浪体系的波浪爬高为2.40 m，传统消浪体系的波浪爬高为2.55 m，采用立体组合式消浪方法比传统方法降低波浪爬高约为15 cm，比例达 6.25%。从上述结果可知，在保证岸线景观效应的前提下，立体组合式消浪体系具有更好的消浪效果。

3 工程应用案例

六月海堤位于深圳市大鹏新区下沙社区，整段海堤呈弧形突出海岸线。受2008年“黑格比”台风的影响损毁状况严重(图5)，300 m 海堤堤身裂缝、缺口随处可见，多处出现较大的孔洞，堤坝基础被掏空，堤脚前趾外露，防浪墙被风浪卷走，现状海堤已经难以再次抵御强台风的侵袭，对堤后建筑物构成严重威胁。

图5 六月海堤严重受损

陆地一侧紧靠六月酒店，场平高程为 4.80～5.50 m，且已固化，海堤重建需兼顾酒店的视觉感受和实际使用需求，不可大幅度增加堤顶高程。因此，本工程的技术难点是在狭窄空间内提高堤前消浪处理效率，最大限度降低堤顶高程。

六月海堤依据地形特点采用复式结构断面进行重建，设计潮位以下采用1∶2干砌石护坡，块石单体质量为 300～400 kg；设计潮位以上采用C40钢筋混凝土护坡，护坡上部设反弧形防浪墙。海堤的消浪体系采用立体组合式结构，干砌石护坡坡面摆放两层扭王字块消浪块体，单体重量为 4 t；堤前马道设置四角空心块，单体重量为 4 t；钢筋混凝土护坡坡面设置 C40 格栅板，上部为反弧形防浪墙，经计算，设计堤顶高程为 5.67～6.50 m。

六月海堤于2014年完工，至今已有6年时间，在此期间承受了2016 年“妮妲”、2017 年“天鸽”、2018 年“山竹”的重重考验，重建海堤及堤前消浪设施未被损毁，立体消浪设施发挥了较好的消浪防冲作用，实现了波浪在堤前的有效破碎，将波浪拦截在临海一侧，在有效保护堤后六月酒店安全的前提下，最大限度降低了堤顶高程，避免阻隔观海视线，满足酒店的使用需求，达到了预期的工程效果(图6)。

图6 六月海堤实施效果对比

4 结语

a)为了更科学地优化海堤抵御波浪破坏的技术方法，并提升海堤生态与景观功能，在考虑波浪的大小及运动轨迹特点的基础上，本文提出了一种采用混凝土扭王字块体、混凝土四脚空心块体、钢筋混凝土栅栏板、反弧型防浪墙等消浪防浪体的优化组合技术，在坡面的不同位置设置不同的消浪块体，充分利用每种消浪块体的特点，提高海堤结构经济性和安全性。

b)根据采用立体组合式消浪技术的断面结构为上坡和下坡为不同消浪结构的复式断面的特点，提出采用加权平均求综合糙率系数的方法，进而对比计算分析了采用立体组合式消浪技术和仅设栅栏板消浪方式的护坡波浪爬高效果差异，立体组合式消浪体系具有更好的消浪效果。

c)六月海堤工程案例实践经验表明，立体消浪设施发挥了较好的消浪防冲作用，在有效保护堤后结构安全的前提下，最大限度降低了堤顶高程，避免阻隔观海视线，满足景观需求，达到了预期的工程效果。