浅谈斜坡式滨海路堤设计标高的确定

■曾呈涛

（福建省交通规划设计院，福州 350000）

在滨海范围内，公路沿海岸或跨越海峡、海湾修筑的路堤，称为滨海路堤，其特点主要在于海水受潮汐、波浪、海流、台风、海啸等水文及气象因素影响；按断面型式可分为：斜坡式路堤、直墙式路堤。 路堤设计标高是公路设计中一项综合经济技术指标，直接影响到公路的使用功能、质量、工程造价、占地面积和周围景观环境等，需要根据项目所处地形、地质水文等自然条件确定。 在滨海路堤安全考虑中，设计标高是非常重要的参数。 滨海路堤设计标高影响因素较多，也较为复杂，需结合公路、海堤等因素综合考虑。 《公路路基设计规范》对滨海路堤标高提出具体要求，路肩设计高潮水位频率为高速公路1/100、一级公路1/100、二级公路1/50、三级公路1/25、四级公路视具体情况确定，滨海路堤的设计标高应高出相应标准，高潮水位频率为计算潮水位+波浪侵袭高度+0.5 m 安全高度之和， 不能满足要求时，应设置防浪墙等[1]。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目位于漳州市东山县内， 该县东濒台湾海峡，西临诏安湾，四面环海，海岸线长约141 km，东山生态环岛公路环东山岛而建。 本项目为S503（联十五线）东山环岛路的一部分，是集交通、经济建设、防洪防潮、旅游观光等功能于一体的通道。 项目为一级公路兼城市主干路，设计时速60 km/h，路线起于湖塘村（桩号K50+601.407），设湖塘互通与国省干线横十一线交叉，之后路线往北，于西埔湾处上跨西埔湾特大桥，经顶上村、下西坑村，后路线转向东沿科技大道二期走廊布设，终于新厝村（桩号K61+060）， 路线里程10.46 km， 其中K58+120～K58+975 左外侧临海。

1.2 工程方案

K58+120～K58+975 段临海侧均采用斜坡式抛石路堤结构，基础采用换填法进行处理，表层细砂及淤泥均需挖除，堤顶宽3 m。 堤身抛填10～300 kg堤心抛石， 堤身外侧护面采用4.5 t 的扭王字块石，坡度1∶1.5，护面层下设置230～450 kg 块石垫层，厚800 mm。 坡脚设300～500 kg 抛石棱体，具体结构断面见图1。

图1 海侧结构断面

2 潮位、波浪侵袭高度计算

2.1 设计潮位

潮汐是由地球自转及日月引力引起的，在低维度海区最为显著。 如海边滩地宽阔开敞而又坡度平缓，则潮汐的海水面涨落运动十分显著。 对有潮汐的海岸，潮位的变化特征是确定滨海路堤各部分高程的重要依据。

设计潮位是海岸工程设计中的一个重要水文数据， 它不仅直接影响堤防工程高程的确定，在建筑物类型的选择和结构计算中也扮演重要角色。 不同规模、等级和使用情况的海岸工程不同，所选用的设计潮位也不同。 设计潮位通常包括：设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位, 其中设计高水位是确定路堤设计标高的主要参数。

本工程海域无长期潮位观测资料，设计潮位计算采用短期同步差比法进行，即先用邻近东山海洋站的长期验潮资料计算该站的设计潮位，然后利用潮位观测期间获得的T1 下林尾站与东山海洋站的同步验潮资料进行高、低潮相关分析，换算得到下林尾的设计潮位，潮位站位置见图2。

图2 潮位站位置

为了解工程海域的潮汐变化规律，并为设计潮位计算提供基础资料，在下林尾海堤(T1站)进行30 d 的潮位观测。 对T1 下林尾站、30 d 的潮位实测资料进行特征值统计，得到其潮汐特征值见表1。

表1 潮位站潮汐特征值统计值

根据东山站近30 年(1981-2010 年)逐年年最高、最低潮位资料，用耿贝尔极值Ⅰ型分布律方法求得各重现期的高、低水位，计算结果见表2。

表2 东山站重现期水位结果

根据邻近的东山海洋站长期潮位观测资料及同期的潮位观测资料，推算潮位点的100 年和50年一遇的重现期高、低水位及设计高、低水位。 计算结果见表3，表中基面均为1985 国家高程基准。

表3 下林尾海域设计潮位计算结果

2.2 波浪侵袭高度

波浪侵袭高度，也称波浪爬高，是指潮水以波浪的形式传播前进， 在前进过程中波浪沿防浪墙建筑物挡水斜面爬升而高于静水面的现象， 建筑物上波浪上爬的最高点相对于静止水面的高度称为波浪的爬高值，见图3。 波浪与建筑物相互作用过程十分复杂， 且波浪对直墙式建筑物与斜坡式建筑物的作用不同。 对于斜坡式路堤，影响波浪爬高的因素很多，主要包括波高、波长、边坡坡率、边坡糙度等。 波浪侵袭高度计算要以设计波浪要素为基础。

图3 斜坡上波浪爬高

2.2.1 设计波浪

海水有规律的波动运动称为波浪或海浪。 海洋中最常见的波浪是由风产生的， 称为风浪或风成浪。 设计常用的波浪要素有：（1）波高：波峰与波谷高低之差；（2）波长L：连续2 个波峰之间的距离；（3）周期：两相邻波峰通过某一点所需要的时间；（4）波速：波浪传递速度。 波浪资料是滨海路堤设计的主要依据，直接关系到路堤的高度。

设计波浪的标准包括设计波浪的重现期和设计波浪的波列累积频率。 设计波浪的重现期，指某一特定波列累积频率的波浪平均多少年出现1 次，代表波浪要素的长期统计分布规律。 设计波浪重现期的标准主要反映建筑物的使用年限和重要性。 根据《公路路基设计手册》，设计波浪的重现期原则同设计高潮水位[2]。 波列累积频率是指波列中某个波浪要素（如波高）不小于某一数值的波浪个数占该波浪波列总个数的百分数； 代表波浪要素水文短期（以几十分钟计）统计分布规律，在该统计期内，可以认为海面处于定常状态，或者说波浪要素的平均状态不随时间变化。 设计波浪的累积频率标准主要反映波浪对不同类型建筑物的不同作用性质。

本工程未进行临时波浪观测，对工程区的波况特征分析主要采用邻近的东山海洋站的实测波浪资料，东山海洋站位于福建省东山县铜陵镇，波浪观测点位置距工程区约20 km。 设计波浪采用外海深水波进行波浪浅水传播变形计算得到。

根据厦门海洋工程勘察设计研究院水文计算报告，对代表工程点的设计波浪要素进行计算得到，极端高潮位条件下100 年一遇波浪要素如下： 计算点水深为6.87 m， 波高H1%为3.60 m， 波高H5%为3.07 m，波高H13%为2.67 m，周期T 为9.3 s，波长L 为72.22 m。

2.2.2 斜坡式路堤波浪侵袭高度的计算方法

波浪对斜坡式路堤作用的计算方法应满足下列要求：（1）波浪正向作用；（2）斜坡坡率1∶m，m 为1～5；（3）建筑物前水深d 为1.5H～5.0H；（4）建筑物前底坡i≤1/50。对于斜坡式路堤设计波浪的爬高R，《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）[3]有关规定计算如下：

式中：

R——波浪爬高（m），从静水位起算，向上为正；

K△——与斜坡护面结构型式有关的糙渗系数，扭王字块护面取K△=0.47；

R1——K△＝1，H＝1 m 时的波浪爬高（m）；

H——建筑物所在处进行波的波高（m），取累计频率为13%的波高；

M——与斜坡的坡度m 值有关的函数；

（R1）m——相应于某一d/L 时的爬高最大值（m）；

R（M）——爬高函数；

m—斜坡坡度系数，斜坡坡度为1∶m；

L——波长（m）；

d——建筑物前水深（m）；

K1、K2、K3——系数，分别取K1＝1.24，K2＝1.029，K3＝4.98。

3 设计标高计算结果

根据波浪爬高计算公式及项目水文数据进行波浪侵袭高度计算， 计算结果如下：M 为4.74，R（M）为0.51，（R1）m 为2.39 m，R1为1.90 m，爬高R 为2.38 m。

项目采用百年一遇的高潮位作为设计标准，设计时的计算潮水位参考下林尾的设计潮位，取2.58 m，波浪侵袭高度2.38 m，东山环岛路滨海路堤段K58+120～K58+975 路堤合理高度≥设计潮位+波浪侵袭高度+0.5 m 安全高度=2.58 m+2.38 m+0.5 m=5.46 m

4 结论

本研究通过对滨海路堤设计标高主要参数进行分析，并结合实际案例确定了工程项目的合理设计标高，得到以下结论，可为今后类似滨海路堤设计标高确定提供参考。

（1）滨海路堤多建造于海滩或水上，常受风、浪、海流等其他水文、气象因素的影响，设计需紧密结合水文、气象条件及地理环境，合理确定其设计标高。

（2）波浪侵袭高度是波浪动力条件和海堤结构形式综合作用的反映，在现行的《公路路基设计规范》中未对其具体计算方法进行说明，可参照《港口与航道水文规范》中斜坡式建筑物上的波浪爬高的计算方法进行确定。

（3）由于受控制点标高的限制，东山环岛路滨海路堤段K58+120～K58+975 部分标段的设计标高无法达到计算的合理高度，需设置防浪墙，防止波浪对道路的影响。