不同海塘提标加固方法波浪模型试验研究

修海峰，董伟良，黄世昌，黄君宝，王永举，邵 杰

（1.岱山县农业农村局（水利局），浙江 岱山 316200；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

海塘工程作为沿海防御海洋灾害的主要载体，在保障沿海人民生命财产安全等方面发挥着积极作用。近年来，随着社会经济发展，各项基础设施的建设对海塘防御能力提出更高的要求，同时部分海塘年久失修，因此海塘提标加固十分必要。

目前海塘提标加固方法较多，如：块石消浪、护面加糙、挡浪墙加高、反弧形挡浪墙、挡浪墙后置、构筑潜堤等，各方法的消浪原理和消浪效果不尽相同。现有针对海塘提标加固的波浪研究成果偏少，而新建海塘越浪量影响因子研究较为成熟，所以提标加固的消浪效果基本参考新建海塘波浪研究成果。1992年章家昌通过模型试验提出海堤平均越浪量计算公式[1-2]，被1998版《海港水文规范》引用并沿用至JTS 145—2015《港口与航道水文规范》，2018年邵杰、许凡等人也分别通过波浪水槽试验系统研究斜坡式海堤结构尺度对越浪量的影响[3-4]。潜堤属于在堤前构筑一道防波堤，可削减来波能量，从而减小海塘越浪量，前人对此进行了相关研究。2018年彭程通过水槽试验研究不同波浪要素对潜堤波浪传播的影响[5]，边峰采用波浪断面物理模型试验研究矩形、梯形、三角形、半圆形4种结构形式潜堤的消浪效果[6]，2020年肖乐针对福建省长乐市外文武围垦海堤提级工程采用数值波浪水槽研究潜堤的消浪效果[7]。

由于海塘结构型式、地形地貌、水文条件、社会经济等差异，采用何种方法最适合当地情况，是目前海塘提标加固的重点问题。针对岱山县西南塘蟹文化产业园段海塘，选择直接加高挡浪墙、后置挡浪墙、铺设块石和构筑潜堤4种常见的提标加固方法进行波浪模型试验，研究各方法的消浪效果，综合比较分析其经济性和施工难度，据此选择最适合该海塘的提标加固方法。

2 物理模型设计

2.1 试验断面

海塘位于岱山经济开发区，总体呈U型布置，全长1 168 m，设计标准为20 a一遇，允许越浪。由于设计标准较低，拟提标加固至50 a一遇，允许越浪量控制在0.020 m3/（m · s）以下。海塘断面型式为混合式（见图1）：堤脚为1 000～1 200 kg抛填块石，坡度为1:3.0，顶高程为2.00 m；随后布置长7.00 m平台，由重600～800 kg理砌大块石组成，厚度为0.80 m；灌砌块石布置在理砌大块石平台后方，在灌砌块石上方布置埋石混凝土挡墙，挡墙前坡坡度为1:0.2，后坡坡度为1:0.4，挡墙顶高程为4.40 m；挡墙后方为混凝土道路，路面高程为3.20 m。

图1 海塘结构断面图 单位：m

2.2 试验布置

试验在不规则波水槽中进行，水槽长70.00 m，宽1.20 m，高1.70 m，首端采用伺服电机造波机系统，采用伺服电机驱动滚珠丝杠型式的推板式造波机。水槽试验段分割成宽为0.50 m和0.70 m两部分，0.50 m宽的部分用来安放模型断面和进行模型试验，另一部分用于扩散造波板的二次反射波。为消除波浪反射，在水槽末端设置1:7.0的消波滩，滩上装有格栅及浮动泡沫板，借以吸收波浪能量，消波设施性能良好，基本能消除反射波。试验不规则波谱采用JONSWAP谱，越浪量采用集水称质量法测量。考虑堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素，采用模型比尺λ=18。

2.3 试验方法

海塘初步选择直接加高挡浪墙、后置挡浪墙、铺设块石和构筑潜堤4种提标加固方法（见图2），波浪断面物理模型试验针对以上方法开展研究。其中挡浪墙顶宽0.35 m；潜堤顶宽3.50 m，前坡坡度为1:3.0，后坡坡度为1:2.5，潜堤后坡坡脚距塘脚7.00 m左右。波浪要素及水位组合：水位为50 a一遇，高潮位3.18 m，堤前水深d =4.18 m；波浪选择SW～WSW强浪向，有效波高为1.82 m，波长为29.04 m。

图2 海塘提标加固方法示意图

3 试验结果分析

3.1 加高挡浪墙

挡浪墙作为海塘防潮防浪的主要结构部位，改变波流水体传至海塘上部结构处的运动状况，消减一部分波浪能量，从而直接影响越浪量的大小。试验发现，当波高较大时，由于理砌块石平台上水深较浅，波形发生变化，前坡变陡后坡变缓，直至撞击到挡墙，由于挡墙前坡较陡，反射波较大，部分入射大波和反射波在理砌大块石平台上叠加，波高增大，部分产生破碎现象；当入射波高较大时，在理砌块石平台上直接产生破碎，由于挡墙前坡较陡，部分破碎水体撞击挡墙后沿挡墙继续上爬，部分水体向堤顶飞溅，当水体能量较大时产生越浪现象。图3为越浪量随新建挡浪墙高度变化的规律，反映了在海塘挡墙处直接加高挡浪墙的消浪效果。从图3中可以看出，随着挡浪墙的加高，越浪量也在逐渐减小，当挡浪墙顶高程为0.80 m左右时，海塘基本能满足越浪量≤0.020 m3/（m · s）的设防 要求。

图3 越浪量随新建挡浪墙高度变化规律图

3.2 后置挡浪墙

挡浪墙多数布置在塘顶靠海侧，塘顶能形成受保护的道路，方便行人车辆通行；也有部分海塘将挡浪墙布置在塘顶靠陆侧，使得越浪水体与塘顶作用后再与挡浪墙作用，塘顶起到消浪平台的作用，能够减小越浪量。图4为挡浪墙高度P为0.36 ，0.54，0.78 ，0.90 m时后移至不同位置处对应的越浪量。从试验结果可知，挡浪墙后置能够有效减少越浪量，相同越浪量条件下挡浪墙位置越靠陆侧，挡浪墙所需高度越低。

图4 越浪量随挡浪墙位置变化规律图

3.3 铺设块石

图5 为越浪量随块石顶高程变化规律。从图5中可以看出，随着块石铺设层数增加，越浪量逐渐减小，块石消浪效果越好。理砌大块石平台顶部铺设重200～250 kg、直径约50 cm块石，一方面使得塘前水深减小，入射波浪在该处破碎更剧烈，能量耗散更多，块石层起到消浪平台的作用，从而降低挡浪墙前波浪；另一方面由于海塘挡浪墙坡度较小，近似于直墙，波浪反射明显，块石降低入射波高的同时也降低了反射波，所以最终叠加的波浪要素小于无块石情况。当铺设1层块石后，块石顶高程约2.50 m，此时越浪量可以减小至0.017 m3/（m · s）左右；铺设2层块石后块石顶高程约3.00 m，此时越浪量可以减小至0.010 m3/（m · s）左右。

图5 越浪量随大块石顶高程变化规律图

3.4 构筑潜堤

潜堤是设置在堤前一定距离的一种低于或超过潮水位、起消减波能作用的堤坝。当波浪行进翻越潜堤时，因堤顶处水深骤减使波浪破碎，消耗大量波能，从而使堤后波高衰减。潜堤轴线一般与所修建海堤轴线平行，可减小波浪能量。图6为越浪量随潜堤顶高程变化的规律。潜堤采用重200～300 kg块石抛填，从图6中可以看出，随着潜堤顶高程增加，越浪量逐渐减小，但相对于无潜堤条件，越浪量减小幅度较小，对海塘防浪能力提升较少。

图6 越浪量随潜堤顶高程变化规律图

3.5 综合分析

潜堤陆侧堤脚离海塘脚距离一般大于0.5倍波长。由于用海限制，潜堤海侧堤脚布置在用海红线附近，潜堤离海塘较近，同时受空间限制，潜堤顶宽度较小。试验中可以观察到，入射大波基本可以穿过潜堤和海塘相互作用，所以塘前构筑潜堤对本海塘越浪量减小效果并不明显。并且构筑潜堤需要较多满足一定重量的大块石，潜堤材料很难获取，另外在塘前滩地施工难度大、投资大且消浪效果不明显。

铺设块石可以显著耗散波浪能量，减低越浪量，提升海塘防浪能力，但块石和波浪相互作用强烈，对块石自身稳定性和块石顶高程提出较高的要求，需要采购较多大重量块石，对于本海塘提标加固工程而言，工程量大，施工难度也较大。

挡浪墙后置可以有效减低越浪量，所需挡浪墙高度较低，但挡浪墙后置会使后方道路变窄，缩小可使用面积，对于土地资源本身紧张的岱山县不是很合适的提标方法，且原塘身为塘渣填筑，位置后移无法固定挡浪墙结构，其结构稳定性存在问题，需对塘身结构进行部分更改才能满足要求，增大了投资。

在挡浪墙顶部直接加高可以有效减小越浪量，施工简单、投资小，但挡浪墙高度偏高，视野受到影响。考虑到本海塘外侧为码头作业区，经综合比较最终采用直接加高挡浪墙的提标加固方法。

4 结 语

针对岱山县西南塘蟹文化产业园段海塘，采用波浪模型试验方法，对新建挡浪墙、后置挡浪墙、铺设块石和构筑潜堤4种提标加固方法进行研究，具体结论如下：

（1）在现有海塘顶构造新挡浪墙可以显著降低越浪量，越浪量随挡浪墙高度增加而减小，随挡浪墙位置后移也同样减小。在满足相同越浪量条件下，后置挡浪墙能够减小所需挡浪墙高度，但后置挡浪墙需要综合考虑挡浪墙自身结构设计和堤顶可使用面积等问题。

（2）在塘前布置大块石消浪，越浪量能够显著降低，但对块石自身稳定性要求高，工程量偏大。

（3）在使用海域范围有限的情况下，构筑离岸近、堤顶窄的潜堤并不能起到很好的消浪效果，且潜堤所需土石方量较大，存在工程投资大、施工难度大等问题，需进行深入研究。