“一种海堤越浪回排结构”技术应用实践

钟 兴，陈俊昂，王 帅

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

允许越浪是海堤工程建设中采用的常用选项[1-3]，对越浪水量处置方式一般采用以下2种：第1种是通过排水沟等设施收集越浪量后，排入堤后保护区水系或市政排水系统，但此举会明显加大工程保护区的排涝压力，将间接导致保护区排水设施规模加大，增加建设成本；第2种是在防浪墙背侧设置排水沟，并在排水沟中设置排水管通往海堤迎水坡外侧，如专利号为CN201921427936.7的中国专利文献所公开的“越浪堤防后坡排水系统”[4]，但此做法无法在高潮位情况下排水，需沿海堤设置较多的穿堤排水管，且排水管出口位于迎水坡上部；此外为了防止波浪通过排水管逆向流进排水沟，还需在每个排水管出口设置类似拍门的装置，对运行管理带来不便。

近年来为了解决生态和城市景观等问题，同时避免海堤“围城”，常通过加大工程堤后越浪量的方式降低设计堤顶高程，因此，寻找一种有利于越浪量自排，对海堤结构影响小，且运行管理方便的排浪结构，对减轻保护区的排涝压力和海堤的运行管理无疑具有重大意义[5-6]。

2 新技术原理与核心摘要

“一种海堤越浪回排结构”技术包括集浪沟、蓄浪井、防浪涌消能板和回排通道，该技术原理与核心创新点摘要如下[7](见图1)。

剖面示意

1) 通过设置在海堤6堤顶的集浪沟1收集沿途越浪水量，并排入到一定容量的蓄浪井2中，蓄浪井2收集越浪水量后井内水面高度逐步升高，而海堤外侧海域水面在风浪的作用下呈波状涨落，当蓄浪井2内的水面高度高于海域水面高度时，在水体重力的作用下，蓄浪井2内收集的部分越浪水量顺着防浪涌消能板4，通过回排通道5流至海域中，至井内水面高度接近海域水面高度。

2) 在风浪的波峰时段，海域水面高度升高，风浪的压力使海域底部的水体通过回排通道5流动至蓄浪井2下部，此时水体流向与防浪涌消能板4正常流向逆反，消能板发挥消能作用，减少浪涌进入到蓄浪井2上部。

按以上顺序轮回，海堤越浪回排结构不断将越浪回排至海域中，而无需排入堤后保护区水系或市政排水系统，从而减少保护区的排水设施规模，一定程度上降低工程建设的成本。

3 应用实践

3.1 项目概况

南沙新区灵山岛尖南段海岸及滨海景观带建设工程[8]位于广州市横沥镇灵山岛尖南段海岸，工程建设范围西起灵山岛南岸上横沥大桥处，沿岛南岸东至岛尖现状堤防并折往北岸至现状的灵山岛尖涌北段河口，工程内容包括按200年一遇的防洪(潮)标准达标改建1级海堤长3.66 km，结合海岸布置的滨海景观带建设以及沿岸的水闸、泵站、码头等设施建设。灵山岛尖位于南沙新区明珠湾区起步区，是广东自贸区南沙片区的重要组成，处于粤港澳大湾区的几何中心，规划总用地面积约3.55 km2，城市功能定位为面向世界的粤港澳全面合作高端商务示范区[9]。

经堤防基本断面型式比选论证，本项目除码头段以外，均采用了“多功能生态海堤架构体系”技术[10]，在降低堤顶高程同时增加堤后越浪量。为了减少保护区的排涝压力，工程同时采用了“一种海堤越浪回排结构”，避免越浪量进入工程堤后保护区。

本项目堤后保护区域为城市建设用地，规划地面平整高程为7.50 m左右，根据《海堤工程设计规范》(GB/T 51015—2014)，防浪墙高程应根据设计高潮(水)位、波浪爬高及安全加高值确定，并应高出设计高潮(水)位1.5～2.0 m，防浪墙顶高程按下式确定：

Zp=Hp+RF+A

(1)

式中：

Zp——设计频率的堤顶高程，m：

Hp——设计频率的高潮(水)位，为7.93 m；

RF——按设计波浪计算的累积频率为F的波浪爬高值，(海堤按不允许越浪设计时取 ，按允许部分越浪设计时取 )，m；

A——安全加高值，本工程按按允许部分越浪设计取A=0.5 m。

经计算，若不采取消浪措施，防浪墙顶高程将达到9.33～10.10 m。

若按上述计算结果确定防浪墙顶高程，防浪墙将高出规划地面平均约1.83～2.60 m，将造成堤防“围城”的境况，隔绝了城市、人、水，不符合本项目的设计理念和设计愿景。本项目需营造共享开放的滨水空间景观，通过设置低矮的防浪墙，则需设法化解应防浪墙顶高度不足而带来的水安全问题。

根据海堤设计规范堤顶高程的最低要求，对比复核设计潮水位的需要，土堤顶高程确定为8.50 m。风暴潮通过植物、台阶等多种消浪措施降低风浪爬高，设置多级消浪的平台，有效降低波浪爬高，同时有效减少堤后越浪量。

3.2 越浪量的情况

项目设计初期，采用防洪堤波浪断面和局部物理模型试验方法对越浪量进行了测试。

试验依照《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型(如图2所示)，按照Froude数相似律设计。根据设计水位、波浪要素、试验断面及试验设备条件等因素，断面试验模型几何比尺取为1∶10[11]。

图2 堤岸物理模型试验照片示意

波浪按重力相似准则模拟，不规则波波谱取JONSWAP谱。将按模型比尺换算后的特征波要素输入计算机，产生造波讯号，控制造波机产生相应的规则波和不规则波序列。每组试验不规则波波数大于150个，每组试验重复3次。模型试验中波高和周期模拟值与设计值的误差控制在±2%以内。

迎浪面采用混凝土沉箱结构，沉箱顶部厚为300 mm的干砌条石海岸步道，顶高程为6.5 m，宽为6.0 m；其后海岸亲水带采用厚为400 mm预制瓶孔砖，宽为6.0 m；在末端设置第1道防浪墙，防浪墙顶高程为8.3 m，第1道防浪墙后宽为25.0 m的滨海绿化带，在宽15.0 m处设置第2道防浪结构，第2道防浪结构顶高程为9.0 m。

在200年一遇水位及相应200年一遇波浪(H13%=0.94 m,Tp=3.17 s)作用下，由于社区段堤岸第1道防浪墙顶高程较低为8.50 m，越浪较大，试验测得第1道防浪墙顶越浪量为1.6× 10-2m3/(m·s)。通过物理模型可知，本工程堤防长度为3.66 km，3 h(台风登录潮位保持时间)的越浪量将是巨大的，如此大的越浪量进入保护区，区内排水系统将不堪重负。

3.3 技术应用

为了有效减轻工程堤后保护区的排涝压力，本项目提出了2道防浪墙及蓄浪空间的设想：即于堤顶防浪墙之前的景观平台外侧，加设1道防浪墙，用于消减风浪以降低风浪至堤顶防浪墙时的爬高；同时，第1道防浪墙可形成对后方景观带的防护，避免景观带遭受常遇频率潮水和风浪的破坏。此外，利用第1道防浪墙与第2道防浪墙之间形成的空间，暂蓄越浪，并利用风浪的间歇性通过排水措施自排回河道中，避免越浪流至堤后城市防护区，增加了城市防护区的排水量[12]。

本技术应用主要对越浪量进行收集，并建立与其相匹配的自排通道。通过在蓄浪空间低洼处设置堤防沿线集浪沟，并汇集越浪水量排入到蓄浪井中，蓄浪井收集越浪后井内水面高度逐步升高，而海堤外侧海域水面在风浪的作用下呈波浪状涨落，高度随之起伏，当蓄浪井内的水面高度高于海域水面高度时，在水体重力的自然作用下，蓄浪井内收集的部分越浪量通过回排通道回流至海域中，至井内水面高度接近海域水面高度。在风暴潮来临期间，不停歇的收集和回排，有效减少了堤后越浪量(技术应用断面见图3，技术应用现场实景照片见图4)。

图3 技术应用断面示意

图4 技术应用现场实景照片示意

3.4 应用效果

本项目通过应用“一种海堤越浪回排结构”，一是有效解决了堤防“围城”过程中，降低设计堤顶高程而引起的较多的越浪量；二是运行管理方便的排浪结构，对减轻工程保护区的排涝压力、提升海堤的运行管理水平具有重大意义。

2017年台风“天鸽”、2018年台风“山竹”均在本工程所属区域登录，2次台风暴潮南沙站的实测水位分别为8.14 m、8.19 m，均高于本工程设计200年一遇水位(7.93 m，P=0.5%)。在本工程基本完工的情况下，得益于海堤的消浪、越浪回排体系，未发生堤后越浪进入市政排水系统的情况，越浪量顺畅自排至外江，有效保障了岛内排涝和防洪安全(如图5所示)。

图5 遭遇台风“山竹”时实景示意

4 结语

“一种海堤越浪回排结构”能够将堤防越浪量收集后以自排的形式回排到海域中，一是无需排入工程堤后保护区水系或市政排水系统，减少了工程保护区排水设施的规模，降低了工程整体建设成本；二是建造相对简单，对海堤结构整体安全稳定影响较小，运行管理也较为方便,具有良好的推广应用前景。本海堤越浪回排结构同步在广州市南沙区灵山岛尖竹湖南侧海堤工程[13]、广州市南沙区明珠湾区慧谷片区(工业区涌至大角山)超级堤工程[14]进行应用。