斜坡式海堤工后沉降和越浪量研究*

叶 飞

(浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，浙江 杭州 310012)

海堤地基多为软土，建成后会产生很大的沉降量。地基沉降后波浪爬高越过堤顶的概率增加，并使越浪量增大，造成海堤损坏、财产损失和人员伤亡等严重后果。近年来，国内外学者对斜坡式海堤开展了平均越浪量现场或模型试验研究，并与经验公式进行对比分析。王登婷等[1]研究了风对海堤越浪量的影响，提出对经验公式中的风校正因子进行修正；陈铭辉等[2]研究了斜坡堤平台和坡肩护面类型对越浪量的影响，并推荐van der Meer公式对越浪量进行计算；朱嘉玲等[3]分析和讨论了波浪入射方向与斜坡堤越浪量的关系，提出了修正的Hebsgaard越浪量公式；安蒙华等[4]建立了斜坡堤胸墙结构参数与越浪量之间的经验公式；张博文等[5]基于海堤工程原型观测的波浪要素和越浪量分析，推荐了海堤工程设计规范公式；周雅等[6]研究斜坡堤不同波要素和断面尺度对平均越浪量的影响，认为陈国平公式计算结果更加准确；Mase等[7]针对日本海堤特点，提出陆地或极浅水中建造的海堤波浪爬高和越浪量的预测公式；Troch等[8]对碎石堆斜坡堤上的波浪量进行现场测量，认为van der Meer公式和基于Owen Besley的修正公式较好；Amir等[9]基于平滑倾斜海堤越浪试验数据提出越浪量公式；Orimoloye等[10]研究单峰和双峰波作用下斜坡堤的越浪特征，认为EuroOtop公式越浪量与单峰波结果一致，但双峰波时需对EuroOtop公式进行修正；钟杰等[11]研究涌浪作用下斜坡堤(单坡、无挡浪墙)的平均越浪量，推荐越浪量人工神经网络计算方法；倪琦[12]研究斜坡堤越浪量的各影响因素，构建了基于人工智能算法的越浪量预测模型。

目前针对新建海堤越浪量及其影响因素的研究较多，但由于沉降或泥沙淤积导致海堤工后堤顶下降和堤前坡度发生明显的变化影响了海堤越浪量，此时越浪量是否满足规范要求，需要通过模型试验进行验证，因此开展海堤工后沉降和越浪量研究十分必要。本文以温州浅滩一期围涂斜坡式海堤为例，分析海堤工后堤顶沉降量以及沉降和泥沙淤积对断面形式的影响，结合不同断面的堤顶沉降量、堤前泥沙淤积情况和波浪因素，选择典型模型试验断面研究平均越浪量，分析越浪量的影响因素，判定海堤工后越浪量是否满足规范要求，为类似软土地基海堤工后越浪量的研究提供参考。

1 工程概况

温州浅滩一期围涂斜坡式海堤位于瓯江口灵昆岛下游，由南围堤、东围堤、北围堤和一座排水涵闸组成，具体位置见图1，其中南围堤长5 929.23 m，2007年1月开工，2011年6月完工；东围堤长3 538.04 m，2006年3月开工，2010年10月完工；北围堤长5 287.75 m，2003年4月开工，2006年3月完工。围堤顶部均有防浪墙，堤顶高程按不允许越浪设计，设计潮位和波浪要素均为50 a一遇。海堤地基为淤泥软土地基，造成海堤工后产生了不同程度的地基沉降。此外，瓯江口上游来水带来大量的泥沙，在堤前外海侧形成了不同厚度的泥沙淤积。2020年对海堤不同断面沉降量和泥沙淤积进行了测量。由于北围堤内侧已建设公路，其断面形式已变为路基结合断面，因此沉降量分析和越浪量研究主要以南围堤和东围堤为主。

图1 工程平面布置

2 海堤工后沉降量分析

南围堤防浪墙设计高程为8.3 m和9.1 m，工后高程在7.14～8.00 m，平均沉降量为1.19 m；沉降量最大断面是S3+400断面，为1.55 m；最小断面是S1+620断面，为0.84 m。东围堤防浪墙设计高程为8.33 m和8.53 m，工后高程在7.15～7.62 m，平均沉降量为1.02 m；沉降量最大断面是E2+030和E3+500断面，为1.18 m；最小断面是E4+070断面，为0.90 m。堤顶不同断面的沉降量见图2。

图2 海堤工后不同断面堤顶沉降量

为了反映南围堤和东围堤堤顶沉降的不均匀程度，定义不均匀系数：

(1)

图3、4为南围堤和东围堤的设计断面和沉降断面。由于沉降和泥沙淤积，使堤前水深和沉降断面形式较设计时均发生了明显的改变，堤前断面坡度明显变缓。从堤顶到堤底的坡度变化特点是：防浪墙坡度较陡，消浪平台无坡度，护坡坡度较缓，泥沙淤积面坡度更缓，南围堤S3+400和S4+600断面的坡面四角空心方块护面部分消失。张博文、Troch、Orimoloye、舒叶华等[13]和陈国平等[14]推荐了海堤工程设计规范公式、van der Meer系列公式(如EurOtop2007和EurOtop2018公式)、陈国平公式等对平均越浪量进行计算，但公式都有相应的使用范围且主要用于新建海堤，预测海堤工后越浪量会产生很大的误差。因此，本文拟通过模型试验研究平均越浪量。

图3 南围堤设计断面和沉降断面(高程：m；尺寸：mm)

3 模型试验

3.1 试验布置

试验在长波浪水槽中进行，水槽长50 m、宽0.8 m、深1.0 m。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机，由计算机控制模型试验所需要的波浪要素。水槽纵向分为两部分，每部分宽均为0.4 m，一部分布置海堤工后试验断面，另一部分用以消除波浪的二次反射。

3.2 模型设计和测量方法

试验采用正态模型，按重力相似准则设计。模型比尺根据场地条件和工程的平面尺寸进行确定，坡面四脚空心方块采用水泥加铁粉配制，质量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程要求。模型高程用水准仪控制，长度用钢尺测量，波高采用电容式数字波高仪测量。平均越浪量采用有机玻璃接水箱收集并测量水质量，每个断面试验3次，取3次测量平均值作为结果。

3.3 试验水位和波浪模拟

试验断面水位为50 a一遇设计高潮位5.07 m，南围堤和东围堤不同堤段的波浪要素见表1。试验采用不规则波JONSWAP波谱，试验开始前需要进行波浪要素率定，将造波机产生的波要素和设计波要素进行比较，满足规范规定的允许误差。

表1 试验设计波浪要素

3.4 模型试验断面的选择

从图3可知，南海堤泥沙淤积最严重的断面为S3+400，结合堤顶沉降量确定S0+360、S1+170、S3+400和S4+600这4个典型断面进行模型试验。从图4可知，东围堤泥沙淤积最多的断面为E0+200，结合堤顶沉降量确定E0+200和E2+030两个典型断面进行模型试验。考虑泥沙淤积以细沙为主，且经过多年淤积固结，泥沙淤积面可认为是不可渗透光滑条件。对选择的典型断面开展越浪量模型试验，S0+360和S1+170断面模型比尺取1:10，时间比尺取3.162；S3+400和S4+600断面模型比尺取1：20，时间比尺取4.472；E0+200和E2+030断面模型比尺取1:15，时间比尺取3.873。

图4 东围堤设计断面和沉降断面(高程：m；尺寸：mm)

4 海堤工后平均越浪量分析

由于海堤所在区域波浪为斜向波，在断面试验中未考虑波浪入射角β的影响，因此需要对平均越浪量进行修正。波浪斜向入射系数Or计算公式如下[15]：

Or=1-0.000 152β2

(2)

式(2)的适用范围为0°<β≤60°，当β>60°时，取60°计算。表2给出了南围堤和东围堤典型断面越浪量测量和修正结果。

由表2可知，从整体上看，南围堤的越浪量要小于东围堤。对于南围堤，S3+400和S4+600断面具有相同的波浪要素和堤顶超高，且堤前坡度变化相差不大，但S3+400断面的越浪量较大，堤顶有跃浪，原因在于S3+400断面的堤前水深较大，水深增大导致越浪量增大；S0+360和S1+170断面的越浪量相同，堤顶有少量跃浪，虽然S1+170断面堤顶超高大于S0+360断面，堤顶超高使越浪量减小，但S1+170断面的堤前水深大于S0+360断面，而坡陡却小于S0+360断面，堤前水深增加和坡陡减小导致越浪量增大，因此综合考虑堤前水深、堤顶超高和坡陡对越浪量的影响，两个断面越浪量相同。对于东围堤，E2+030和E0+200断面具有相同的波浪要素并且坡度变化相差不大，但E2+030断面的平均越浪量明显高于E0+200断面、堤顶有越浪，原因在于E2+030断面不仅堤顶超高比E0+200断面小，而且堤前水深也较E0+200断面大。

《浙江省海塘工程技术规定》中关于“允许部分越浪海塘的越浪量计算”规定，设计频率波浪下的最大允许越浪量为0.05 m3/(s·m)。南围堤和东围堤在50 a一遇设计高潮位和波浪条件下，海堤工后平均越浪量均能满足规范的要求。另外，在波浪连续作用3 h下，南围堤S3+400和 S4+600断面四角空心方块表面整体未发现明显变形，不丧失护坡功能，因此判定断面护坡整体稳定。

5 结论

1)南围堤堤顶沉降量最大断面是S3+400断面、最小断面是S1+620断面，东围堤堤顶沉降量最大断面是E2+030和E3+500断面、最小断面是E4+070断面，南围堤堤顶沉降量不均匀程度要大于东围堤。

2)南围堤和东围堤的堤顶沉降和泥沙淤积导致断面形式发生了明显变化，堤前坡度明显变缓，南围堤断面护面四角空心方块部分消失。

3)南围堤平均越浪量最大断面是S3+400断面、最小断面是S0+360和S1+170断面，越浪量主要取决于堤前水深、堤顶超高和坡陡等影响因素；东围堤平均越浪量最大断面是E2+030断面，越浪量主要取决于堤顶超高和堤前水深等影响因素。南围堤和东围堤的平均越浪量在0.001 8～0.024 m3/(s·m)，均小于0.05 m3/(s·m)，能够满足规范要求。