大亚湾海堤加固工程设计潮水位分析方法研究

2022-12-02黄威深圳市广汇源环境水务有限公司惠州分公司

珠江水运 2022年21期

黄威深圳市广汇源环境水务有限公司惠州分公司

大亚湾临近南海，因此经常受到风暴潮的侵袭，使得大亚湾海堤在常年累积中存在了很大的问题，若是侵袭的浪潮过高，便会造成严重的经济损失，所以必须要对海堤进行加固，保障海堤质量。而对大亚湾海堤加固工程设计潮水位方法进行研究分析，则能为大亚湾海堤加固提供依据，继而为保障海堤质量提供便利。

1.工程概况

大亚湾海堤处于广东省惠州市的南部，临近南海，常常受到风暴潮的侵袭，因此在对大亚湾海堤进行建设规划时，其建设标准是按照100年一遇的标准进行设计的。

整个海堤是根据当地地块填海修建的，海堤全长为8.1km，整个区域内的海堤大体可以划分成三类，分别为B1类、B2类以及C类。整个海堤的结构形式以斜坡堤为主，堤顶高程大概在4.0～4.5米左右，同时有些地方的海堤堤顶，在近海侧安装了砼防浪墙，其中墙顶的高程大概在5.5米左右。另外海堤顶部搭建了一个40米宽的绿化带以及40米宽的滨海大道，使得海堤与周围区域之间形成了一个80米宽的隔离带，并在迎海侧坡的位置安装大块石与四角空心块对海堤进行防护，提升海堤的防护能力。

2.模拟设计与试验方法

2.1 仪器设备

为了更好对模型进行设计，实验人员根据大亚湾海堤的实际情况进行试验，整个试验在高1米、长200米、宽6米的波浪水池当中开展，并综合考虑有效波高、试验场地、模型水深以及有效段长度等因素，实验人员在水池中分离出一个波浪水槽，整个波浪水槽长为15米，高为0.8米，宽为0.6米，然后把海堤断面的模型放置在波浪水槽当中，这样整个波浪水槽便会将水池划分成三元水路，同时波浪水槽的设计满足波浪模型试验标准。如图1所示。

图1 波浪水槽平面布置示意图

为了最大程度上对潮水位进行模拟还原，实验人员在波浪水池的首端设置了一个造波系统用于制造波浪。整个系统硬件主要由外部设备、推波板、计算机、机械框架、波高仪以及数据采集系统构成。而系统的软件则分别由数据处理程序、潮水生波程序以及造波机控制程序构成。造波系统能够形成的周期变化范围大概在0.5～5秒，波高范围大概在3～30厘米左右，而且可以形成各种规则波以及不规则波。

不仅如此，在设计模型当中，实验人员在海堤前端安装了两个波高仪，用来对潮水位信息数据进行收集分析，使实验人员能够准确掌握波浪信息。并且为了最大程度上将波浪反射消除，实验人员还在波浪水池的末端处安装了消波带，由于消波带是由消浪缓坡以及消波滤网构成，因此拥有良好的消波能力。

2.2 模型设计与制作

实验人员在对波浪模型进行设计时，应该尽可能选择正态模型，并按照佛汝德数据开展设计工作，这样能够最大程度上确保模型设计的合理性与科学性，为后续实验的开展打下坚实的基础。通过对海堤断面尺寸以及堤前波要素值进行研究分析，实验人员最后确定了波浪模型的比例尺为1：20。

在波浪模型当中，因为四脚空心块体以及栅栏板之间的原型、外形以及重量都十分相似，所以实验人员应该将块体重量误差把控在3%以内。堤心石、护底块石以及垫层块石，在经过实验人的挑选后重量都符合实验要求，能够用于波浪模型的制作当中。同时在对防浪墙进行设计时，实验人员通过混凝土浇筑的方式建立防浪墙，并确保所浇筑的防浪墙与圆形保持一致。

2.3 波浪模拟及采集

本次实验选择不规则波开展研究，并以JONSWAP谱作为目标谱[1]。同时结合相关要求，合理控制波浪参数，确保所有波浪参数符合相关要求。第一实验人员要确保波能谱的总能量偏差在10%左右。第二实验人员要确保波峰频幕所模拟的数值偏差在5%左右。第三若在谱密度高于0.5倍谱密度峰值时，实验人员应该确保谱密度分布偏差在15%左右。第四实验人员要确保有效波高以及有效波周期偏差在5%左右。

在对模型进行实验时，实验人员应该把制定的设计波要素以及选择的波谱共同输入到计算机当中，以此来计算出造波信号，使造波板能够根据造波信号开展造波运动，并推动水体形成波列。但需要注意的是，实验人员在进行造波时还要做好波要素的收集工作，并把收集到的波浪要素值和目标值开展比较，从而对造波参数进行调整，通过这种方式，可以让波浪要素值和目标值的偏差处于合理范围内，以此来满足我实验要求，提高实验结果的准确性与可靠性。另外在实验期间，实验人员在对波浪数据进行收集时，应该控制好收集间隔，通常情况下，收集间隔应该维持在0.02秒左右，若是水池当中的波浪相对平稳，那么实验人员在对波浪数据进行采集时，所采集的波浪个数应该不低于150个。

2.4 试验方法

实验人员在对布置模型开展实验前，应该对波浪要素进行确定，从而获得B1、B2以及C类海堤实验需要的波浪。在进行实验时，应该用四脚空心块体摆放一层，所摆放的数量以及摆放方式应该选择人工块体的摆放，通过自下而上的方式摆放，同时还要确保模型底部的块底和水下菱体连接，并与四脚空心方块摆放在一起。值得注意的是，在进行块体摆放时，实验人员要确保块体之间应该紧靠，这样能够有效提高块体摆放的稳固情况，但不适合使用二片石作为支垫，同时在坡间和坡面的交汇处可以用块石进行填塞。

实验人员在开展护面块体稳定性这一实验时，应该确保波浪累积作用时间和风暴浪潮所持续的时间相同，一般在两个小时左右[2]。通过实验不难发现，在波浪的影响下，单层斜坡式护面块体，在位移距离超过护面块体厚度后，便会出现失稳这一情况。为了更好对朝水位进行测量，本次实验采用称重法开展测量工作。

并且为了确保实验结果的准确性，实验人员应该每组试验重复三次，并将实验结果结合在一起取平均值，然后将其作为测量结果，这样能够最大程度上确保实验结果的可靠性以及准确性，从而为后续实验的开展提供数据支持。

3.海堤断面加固方案及试验条件

3.1 加固方案的断面形式

首先B类海堤加固方案一，是在原有海堤的基础上通过增加堤顶高程的方式，使海堤高程达到4.8米，来增加海堤的防护能力。同时还在海堤上安装一个弧形防浪墙，整个防浪墙的墙顶高程大概在6米。同时海底顶部选择砼路面硬化的方式，在海堤内侧安装砼排水沟，另外在海堤靠海一侧，坡面高程在0.31米以下则保留现状，选择四脚空心方块进行加固，若坡面高程在0.31米以上，则选择栅栏板进行加固。

其次B类海堤加固方案二：在原有海堤的基础上，将海堤顶高程增加到4.8米，然后在海堤顶部安装一个L型防浪墙，防浪墙的墙顶高程在6米左右[3]。并且海堤顶部选择砼路面进行硬化，海堤内侧安装砼排沟，海堤靠海侧坡面的高程若是在0.31米以下，那么便维持不变，依然选择四脚空心方块进行加固。若侧面高程在0.31米以上，那么应该选择1.5t的四脚空心方块进行海堤加固，提高海堤的防护能力。

最后C类海底加固方案，在原有C类海堤的基础上，将海堤的顶部高程增加到4.6米左右，然后在海堤顶部安装一个L型防浪墙，并确保墙顶的高程为5.8米。同时海堤顶部选择砼路面硬化，海堤的内侧安装砼排水沟，海堤临海侧的坡面高程若是在0.1米以下，则需要保持现状，继续采用1.0t四脚空心方块进行加固，若是侧面高程在0.1米以上，那么则需要选择1.5t四脚空心块进行加固。

3.2 试验水位

实验人员为了更好了解海堤加固方案在波浪作用下的稳定性爬高以及潮水位情况，根据大亚湾海堤加固工程的具体情况，结合相关要求对各频率的潮水位进行设计，最终在经过计算后，得到了如下实验水位。当潮水位在2.75米时，代表百年一遇的高潮位，当潮水位在2.58米时，这是50年一遇的高潮位，当潮水位在2.15米时，为10年一遇的高潮位，当潮水位在0.77米时为平均高潮位，当潮水位在-0.05米时为平均低潮位，当潮水位是-0.99米时为百年一遇的低潮位。

3.3 潮水位重现期

一般情况下，潮水位重现期都是百年一遇的。

4.大亚湾海堤加固工程潮水位设计方案试验成果与分析

4.1 B类海堤加固方案一

4.1.1 爬高及潮水量试验

根据实验不难发现，当潮水位为百年一遇的高潮位时，水位受到不规则波的影响，顺着栅栏板护面斜坡向上爬升的水体在和防浪墙发生碰撞后，多数水体会被防浪墙所挡回，然后顺着防浪墙的湖面跃起撞击在栅栏板护面上，只有极少一部分水体能够越过防浪墙。若是在大波浪的影响下，会使大多数水体越过防浪墙，只能挡住极少部分水体，而越过防浪墙的水体会高高跃起，然后在重力的影响下砸在海堤顶部。

当潮水位为50年一遇的高潮位时，水体受到不规则波的影响会小于百年一遇潮水位，并且无论是单宽越浪量还是溅浪高度以及溅浪距离都照百年一遇低。而其他潮水位在不规则波的影响下，波浪越浪量会随着潮水位的降低而减少。

4.1.2 四脚空心块稳定性试验

在对海堤进行加固时，实验人员在原有海堤的基础上，将高程在0.31米的坡面上选择用栅栏板进行加固，然后开展实验[4]。通过实验不难发现，在潮水位为百年一遇高潮位，水体在不规则波作用下两小时后，无论是栅栏板还是四脚空心块体依旧保持着良好的状态，具有良好的稳定性，并且护面块没有明显的下滑趋势。由此能够得出结论，该种方案的海堤，在不规则波的影响下，无论是栅栏板还是四脚空心块体都能保持稳定。

4.2 B类海堤加固方案二

4.2.1 爬高及潮水量试验

根据实验不难发现，百年一遇的高潮位在不规则波的影响下，水体会顺着四脚空心块前坡向上爬，然后海堤顶部，防浪墙发生撞击，在撞击后多数水体都会被挡回，并顺着弧形片状掉落在护面块体上，只有少部分水体能够跨过防浪墙。但需要注意的是，当水体受到大波浪的影响，会使得，大部分水体在和防浪墙撞击后能够跨过墙顶，仅有极少部分的水体能够被防浪墙挡回。当水体跨过海堤顶部后会高高跃起，然后受重力影响下落砸在海堤顶部。

而50年一遇的潮水位，在不规则波的影响下，无论是海堤顶部的约浪量还是影响范围，都会比百年一遇的潮水位少。而且实验人员通过研究后发现，其他潮水位在不规则波的影响下，波浪的越浪量会受到潮水位的影响而发生变化，潮水位越低则波浪的越浪量越少。

4.2.2 四脚空心块稳定性试验

在选择这一方案对海堤进行加固时，实验人员应该在已有海堤的基础上安装块体，使海堤的高程得到增加[5]。另外若是对高程在0.31米以上的坡面进行加固时，实验人员应该选择1.5T四脚空心块体开展加固工作。并且根据实验能够得知，百年一遇高潮位在不规则波影响下，所有块体都拥有良好的稳定性，没有发生任何的偏移，而且护面块体的整体没有出现下滑，只有极少数的护面块体发生凹凸面不平整的情况。结合相关标准对其进行判断，该种加固方案具有良好的稳定性，能够满足加固要求。

并且海堤在其他潮水位的不规则波影响下，护面块体依然拥有良好的稳定性，因此这种海堤加固方案，能够有效抵抗潮水位的侵袭，避免该地区经济受到损失。

4.3 C类海堤加固方案

4.3.1 爬高及潮水量试验

根据实验能够发现，百年一遇潮水位，在不规则波的影响下，水体会顺着前坡向上爬升，然后和防浪墙发生碰撞，由于防浪墙的高程相对较高，因此大多数水体都会被防浪墙挡回，然后掉落在护面块体上，只有极少部分水体可以跨过防浪墙。但在大波浪的影响下，会使大部分水体跨过海底顶部，只有极少部分水体会被防浪墙所挡回，最终掉落在护面块体上。

而50年一遇的潮水位，在不规则波的影响下，其无论是单宽越浪量还是溅浪高度以及溅浪距离，都远低于百年一遇潮水位，其他潮水位亦是如此。因此可以得出结论，波浪越浪量会受到潮水位的影响，潮水位越低，波浪越浪也就越少。

4.3.2 四脚空心块稳定性试验

在采用C类方案对海堤进行加固时，实验人员只需要在原有护面块体的基础上，把高程在0.1米以上的护面块体进行替换，替换为1.5t的四脚空心块，以此来提高海堤的抗侵袭能力，降低潮水对海底的影响。根据实验结果不难发现，百年一遇潮，水位在不规则波影响下，临海侧坡面的块体依然拥有良好的稳定性，只有极少数块体出现凹凸不平的情况，但整个块体并没有出现下滑的趋势。结合失稳判断依据来看，护面块体拥有良好的稳定性，能够有效满足大亚湾海堤加固工程的要求，保障海堤加固质量。

与此同时，实验人员还对其他潮水位进行实验，最后发现，该种加固方案的海堤，无论是在什么潮水位的影响下，护面块体都拥有良好的稳定性，满足大亚湾海堤加固要求，能够有效抵抗潮水位对海底的侵袭，降低人们的经济损失。