某海塘防潮能力提升效果评估

2023-11-16刘赞强周冉

中国水运 2023年10期

刘赞强，周冉

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

海塘是我国沿海地区抵御风暴潮袭击的基础设施和防洪防潮工程体系的重要组成部分，能有效降低海浪、风暴潮等自然灾害带来的损失和危害，为人民群众的生命财产安全提供重要保障[1-2]。

传统的海塘采用块石、条石或混凝土等材料砌筑成陡墙或截水墙的形式。随着我国经济社会的发展以及人类的活动，部分海塘遭到损坏或年久失修，失去了防潮、挡浪功能，亟需升级改造。2020 年《浙江省生态海岸带建设方案》[3]和2022 年《浙江省海塘建设管理条例》[4]指出要提升海塘抵御风暴潮等灾害能力，提高海塘岸线生态功能，推进生态海塘建设，提升海塘综合功能。加强海塘提标加固，对提升和完善海塘整体防洪御潮标准，改善海塘生态环境和人居环境，促进区域经济高质量发展具有重要意义[5]。因此，浙江省部分海塘将依据新的标准、规范以及要求等开展海塘改造、升级的前期设计和研究工作，其中提标加固后的海塘防潮能力提升效果是最值得关注的目标。

本文借助某海塘升级改造工程，开展了波浪物理模型试验研究，测量了断面越浪量，对海塘升级改造后的防潮能力提升效果进行了评估。

1 工程概况

某海塘升级改造段全长约2.5km，为上世纪建设标准海塘，按50 年一遇高水位和同重现期波浪标准设计，采用30cm 厚C20 砼护面。整个海塘升级段可分为西段、中段和东段，见图1 所示。西段海塘的结构形式主要为截水墙式，部分海塘只起到防渗隔水作用；近年来随着区域内海域的不断开发利用，各类企业码头、民居村庄的建设和使用等对海塘西段造成了不同程度的破坏，海塘防潮防浪能力逐步退化，部分区段功能丧失。东段和中段海塘结构保存较为完好，断面结构型式基本相同。受波浪、潮流和岸线等因素影响，海塘迎浪侧有泥沙淤积现象。

图1 海塘总平面及试验断面位置图

根据城市发展规划和海塘综合功能提升要求，亟需对海塘进行升级改造。为分析海塘升级前后的防潮能力，评估升级改造后的防潮能力提升效果，选取2 处代表性的海塘断面，开展模型试验研究。

依据改造工程所处地理位置，外海波浪经过东南侧的跨海大桥向海塘西段传播。试验断面选取具有代表性的A、B 位置，见图1 所示，其中A 处位于西段，其断面破损较为严重；B 处位于整个海塘升级改造段的最东端，此处海塘保存较为完好，为老堤利用段。

A 处现状海塘迎浪侧截水墙坡度约3:1，由于遭到破坏，顶高程仅为+3.60m，海塘前泥沙或淤泥淤积现象较为明显，见图2 所示。A 处升级改造后的海塘采取堤路结合形式，堤顶（道路）总宽27m，设计双向4 车道，迎浪侧为三级观景平台，其高程分别为+2.69m、+3.29m 和+4.89m，见图3 所示。

图2 海塘A 处现状断面图

图3 海塘A 处升级改造后断面图

B 处现状海塘断面挡浪墙顶高程+4.50m，迎浪侧截水墙坡度约10：1，见图4 所示。B 处海塘升级改造方案是在现状海塘基础上，一方面对挡浪墙顶高程进行提升，由+4.50m 提升至+4.89m，另一方面在截水墙前沿抛石，块体重量不小于200kg，详见图5。

图4 海塘B 处现状断面图

图5 海塘B 处升级后断面图

A、B 处波浪条件见表1。

表1 试验水位与波浪要素组合

2 物理模型试验研究

2.1 模型设计

2.1.1 模型比尺

利用中国水利水电科学研究院的波浪水槽进行试验。物理模型按照拂汝德数重力相似律及JTS/T 231-2021《水运工程模拟试验技术规范》等[6-8]有关规定进行设计，并参考类似项目研究成果[9-11]，试验选用正态模型，模型几何比尺为1:20。

2.1.2 波浪模拟

试验波浪采用不规则波，模拟的波浪频谱采用JONSWAP 谱，谱峰升高因子取为3.3。模型试验前，首先在原始地形情况下进行波浪要素率定，根据JTS/T 231-2021《水运工程模拟试验技术规范》[6]中规定的允许偏差来控制每组模拟的波浪参数。率定完成后，摆放断面模型后进行试验。

2.1.3 模型制作与放样

海塘模型采用有机玻璃制作；断面模型除保证与原型外形几何尺寸相似外，还保证其具有足够的强度和稳定性。护底块石采用碎石，按照实际重量换算至模型重量，并逐个承重挑选。率定波浪要素完成后在水槽中放样断面，海塘断面放样完全按照几何比尺进行，将实际工程的具体位置、高程和反射特性等真实放样在实验室水槽中。

2.1.4 试验方法

越浪量的测定中，在胸墙顶部放置接水箱收集、测量一个波列中发生的总越浪水量，并给出断面的单宽平均越浪量。为了能确切地反映出波浪作用下各断面的实际越浪量，试验中采用连续接水，持续时间相当于原型波浪作用3.0h。

2.2 试验结果

2.2.1 A 处断面越浪量试验结果

在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下，A 处现状海塘断面堤顶越浪现象较为严重，大部分水体漫过海塘，最大越浪水舌厚度分别约为1.56m 和1.73m，平均水舌厚度分别约为0.4m 和0.55m。

在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下，波浪在升级海塘的+2.69m 平台处发生破碎，波高衰减，+4.89m 堤顶面基本不发生越浪，见图6 所示。

图6 波浪在A 处升级海塘+2.69m 平台生破碎现象

2.2.2 B 处断面越浪量试验结果

B 处现状和升级海塘断面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下均发生越浪现象，见图7 所示，越浪量见表2。

表2 B 处海塘不同工况下越浪量（单位：m3/（m·s））

图7 B 处现状（左）和升级（右）海塘在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪组合工况下越浪现象

2.2.3 B 处升级断面护底块石稳定性试验结果

试验结果显示，在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下，护底块石均稳定，未出现块石晃动或滚落情况。

3 海塘升级改造后的防潮能力提升效果分析

通过对比A、B 两处海塘断面在升级改造前和升级改造后的越浪量，进而分析海塘的防潮能力提升效果。海塘升级改造前，A 处海塘断面在50 年一遇高水位+50年一遇波浪、100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下，平均水舌厚度分别约为0.4m 和0.55m，大量水体漫过海塘，防潮能力严重不足；海塘升级改造后，对应试验工况下基本不发生越浪，防潮能力提升效果非常明显。在50 年一遇高水位+50 年一遇波浪组合工况下，B 处现状海塘和升级海塘断面越浪量分别为0.0073m3/（m·s）和0.0023m3/（m·s），海塘升级改造后越浪量减少了68.5%；在100 年一遇高水位+100 年一遇波浪组合工况下，B 处现状海塘和升级海塘断面越浪量分别为0.0117m3/（m·s）和0.0042m3/（m·s），海塘升级改造后越浪量减少了64.1%。