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越浪海堤的断面设计
摘要：本文介绍了越浪海堤断面设计的基本，提出了解决了堤身断面设计过程中越浪量、堤顶高程、堤身强度、排水及恢复型海岸等设计的方法。关健词：海堤 越浪量 断面设计 护面强度 排水 自然型海岸1概述 我国有总长3.2万公里的海岸线，其中大陆海岸线1.8万公里，岛屿海岸线1.4万公里，随着沿海地区的快速，台风暴潮造成的损失越来越大，已建海堤大部分已很难适应当前防潮、洪的要求。由于缺乏反映海堤自身特点和要求的国家标准，海堤工程设计、施工和管理难以做到安全适用、技术先进、经济合理、管理规范的要求。笔者近年为配合广东省“十项民心工程”的实施，编撰广东省地方标准《广东省海堤工程设计导则（试行）》DB44/T182-2004，期间，对现有海堤作了一些调研，并根据已有的设计工作经验，针对越浪海堤的断面设计，在此提出粗浅看法。 ，海堤的设计以是否允许越浪划分为两大类，即不允许越浪和允许部分越浪。大部分的海堤建在软土地基上，若都按不允许越浪标准设计，则对堤顶高程和断面尺寸的要求较高，投资大，往往不经济合理，允许部分越浪的海堤的合理设计就成了设计者要认真考虑的问题。越浪海堤的断面设计主要解决越浪量、堤顶高程、堤身断面、护面强度及排水及恢复自然型海岸等方面的问题。2 设计步骤2.1堤顶高程 堤顶高程是确定堤身断面规模的关键设计参数。堤顶高程的确定要考虑海堤沉降量，可按下式：（1）式中——对应设计频率水位的堤顶高程（m）；——与设计频率相应的高潮位（m）；——按设计波浪计算的累积频率为F%的波浪爬高值（m）；由于按允许部分越浪设计，取%；——安全超高值（m），按表2规定值选取。表2 堤顶安全加高值海堤工程等级1
2
3
4
5
允许部分越浪A（m）
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
堤顶高程有两层含义，一是指防浪墙顶面，二是指堤身断面顶面，当堤顶临海侧设有防浪墙、且防浪墙稳定、坚固时，堤顶高程可算至防浪墙顶面。但堤身断面顶面的高程仍应高出设计高潮（水）位0.5以上，且不得低于设计高潮（水）位0.5m。 如何处理好堤顶高程与允许部分越浪的关系，设计时应以堤顶高程的要求初步确定某一高程，越浪量大于允许越浪量要求时，堤顶高程应重新确定，一般是加高堤顶或通过对堤顶、背海侧坡面加强防冲保护等方法来提高海堤允许越浪量。当海堤堤前波浪较大，通过前两种方法均难以满足要求时，也可采用人工消浪措施减小海堤堤前波浪，控制越浪量。沿海城市的沿海（江）堤防一般都有景观要求，为满足城市的总体规划要求，对堤路结合海堤堤顶高程的要求予以适当放宽，但须计算越浪水量，并根据水量设置完备的排水系统，与城市排水系统接驳，以保证越浪量及时排泄。 在考虑预留沉降量后，设计图上的堤顶高程应为考虑堤身固结、堤基附加沉降量后的工后堤顶高程，故设计者应在图纸的说明部分明示计算沉降量及施工时要求的预留沉降高程。2.2 越浪量 大部分的海堤的损毁均由于超标准潮浪的越浪水体作用，允许部分越浪的海堤其越浪量成为海堤断面结构设计的控制因素。海堤的越浪量是指1m单位宽度海堤上每秒钟波浪翻越海堤的水量，其单位为（m3/s.m）。当海堤越浪超过一定数量时，将导致堤身破坏，目前国内外对海堤允许越浪量的确定和越浪量计算方法的成果均建立在模型试验的基础上，越浪量允许值见表1 。表1几种常见护面结构型式海堤的允许越浪量海堤型式和构造
允许越浪量(m3/s·m)
有后坡（海堤）
堤顶为混凝土或浆砌块石护面，内坡为生长良好的草地堤顶为混凝土或浆砌块石护面，内坡为垫层完好的干砌块石护面
≤0.02≤0.05
无后坡（护岸）
堤顶有铺砌
≤0.09
滨海城市堤路结合海堤
堤顶为钢筋混凝土路面，内坡为垫层完好的浆砌块石护面
≤0.09
以上述值作为堤身越浪量的控制上限，通过越浪量计算，方法见[1]第8章，可以令堤身的越浪量满足设计要求。当越浪量超出允许值时，可采取改变断面布置、调整护面结构措施削减波浪或增强护面的抗冲强度。对防护级别较高的1、2级海堤或有重要防护对象的海堤应结合模型试验确定允许越浪量，同时验证堤顶和内坡护面的防冲稳定性。当堤顶为混凝土或浆砌石护面、内坡为垫层完好且有效的干砌石护面时，除按设计重现期波浪条件计算越浪量外，还应提高一级波浪设计重现期校核越浪量，在校核条件下允许越浪量可放宽至0.07(m3/s·m)。 目前海堤允许越浪量和越浪量计算方法均建立在简单单坡和陡墙模型试验的基础上，计算方法和计算公式比较单一且精度有限，难于适应复杂断面结构型式海堤的越浪量计算。从安全和经济的角度考虑，对重要海堤结合模型试验确定越浪量是必要的。2.3 堤身断面 断面设计时，先参照已建类似工程初拟断面形式，根据波浪要素及海堤等级，确定堤顶高程，经过稳定计算，反复调整尺寸，最终确定合理的断面。断面调整的大前提是，降低堤顶高程，控制稳定，应从以下两各方面着手：（1）断面内部调整 内部调整包括调整边坡、调整护面、调整高程。 稳定不能满足时，放缓边坡是比较奏效的措施；调整护面结构，可以不改变断面形状而仅改变堤身护面，利用不同护面的糙率，削减波浪爬高，降低堤顶高程。（2）断面形式调整 可对堤身设置消浪平台，平台位设置于多年平均高潮位加50cm超高处，可以减少波浪爬高，且有利于断面的稳定性。堤前有滩涂的应采用非工程措施，种植红树林，既可减少波浪爬高，又能固滩保堤护岸。堤前水深较大时，可考虑堤前设置潜堤的工程措施来减少波浪爬高。2.4 护面强度 护面主要指的是临海侧面、堤顶、背海侧面护面的强度。（1）临海面 临海侧直接经受波浪作用，护面结构主要从整体性、抗冲刷、消浪等角度综合考虑。该部分结构上部应能够承受波浪的打击、上吸。下部应能承受波浪的反复掏刷。因此要求护面结构强度要高，稳定性要满足要求，护面底要做好反滤，同时坡面要留足排水孔，浆砌或混凝土砌石护坡具有较好的整体性，外表美观，抗波浪能力较强，返修率低，管理方便。但适应变形能力差，当岸坡发生不均匀沉陷时，砌缝容易出现裂缝。应在堤身土体充分固结，基础沉降已基本完成，且土坡基本稳定后的堤段经稳定厚度计算，确定护面厚度。混凝土砌石，虽造价稍高于浆砌石，但砌筑质量要优于浆砌石。混凝土护面下的砂心堤段，在波浪破碎时，自波峰抛出的水流的冲击，对板产生周期性动力荷载，引起护面下砂土的运动。当波浪爬升和自斜坡上下落时，护面构件上的压力交换也引起运动。在波浪作用下，混凝土面板即使止水做得够好，也避免不了板下部填料的移动，这种移动最终导致板底脱空，波浪作用时击碎板面。对淤泥质堤基，堤身土体充分固结后，当迎潮面封闭时，可不留排水孔。护脚要有足够的支承力，要能防止底脚被淘刷，或发生淘刷时，仍有足够的能力支承护面结构。（2）堤顶 堤顶则由于要满足越浪的强度要求，护面的强度要求同迎潮面，由于堤顶一般兼作防汛公路，根据这一特点，护面一般采用混凝土结构。为保证堤顶护面混凝土结构的平整度，要求堤身填土的沉降、固结量已基本完成，此时的堤顶护面结构不再留沉降缝，而只留伸缩缝，路面设计的术语为胀缝，缩缝。胀缝一般设在堤轴线平面曲线曲率变化的起止部位，直线段较长时，可每200m设一条，缝间通过可以伸缩的拉力杆（钢筋）连接。缩缝一般4～6m设置一条，采取诱导切割方式，在护面上切割深3～5cm，宽3～8mm的假缝形式，当护面板收缩时，将沿此最薄弱断面有规则地自行断裂。缝间填灌沥青类材料。（3）背海侧面 爬上海堤临海侧坡的浪花，越过防浪墙，直接与堤顶或后坡碰撞，因此流速哀减迅速，故背海侧坡的防护主要以能承受垂直于坡面的冲击力为主，无波浪的回流水流的拖拽力，因此护面设置原则应为透水、消能。在保证良好的反滤垫层的基础上，按其造价高低排序，应为干砌石砂浆勾缝，预制混凝土板勾缝，浆砌石。虽然按部分允许越浪设计，但应按越浪量计算成果，使海水在堤顶汇集，通过排水沟排向前坡脚，创造条件使背水坡仍能采用生物措施保护，加铺一定厚度的腐质类土，一来可保证提高成活率，二来可为其繁植提供较丰富的营养积蓄地。背海侧坡脚应设置矮挡墙，既可得保护堤脚，又使工程界限明确，增加美观。
2.5排水 排水主要解决翻越堤身表面的越浪水量及降雨量在堤表面的引排。堤身表面排水分为漫坡排水和汇水沟集水排放两种形式。对背海侧采用工程护坡的越浪海堤，采用漫坡排水一般即可满足排水要求，只要在坡底设置汇水沟集水，统一汇入总排水系统。当采用堤顶汇集越浪水量，背海侧仍采用生物措施保护护面方式时，一般堤身高度小于6m的平直段堤围，漫坡排水不会引起集中冲刷，但曲线段则应设置适量的竖向排水沟，以通过引走堤表水流，防止水流冲刷坡面。这些竖向排水沟均设置在陡坡上，属于急流槽，因此，沟内应砂浆批荡。 越浪海堤的越浪量通过可以出，但一般堤段缺乏当地的高频率常遇洪水的自记雨量降雨强度资料，故可采用[2]中介绍的，以 5年一遇10min降雨强度等值线图及60 min降雨强度转换系数等值线图，计算堤面降雨的排水设计径流量，与越浪水量相加则可进而确定坝面排水系统的断面尺寸，使得堤面排水系统的设计更加详尽。2.6型海岸的恢复 所谓的自然型海岸，就是要保持、重现及创造海岸原有的多姿多彩的自然风情。越浪海堤的建设，临海侧、堤顶、背海侧采用的工程措施使得海岸的自然环境受到严重的干扰，因此，要将工程措施与生态学有机的结合，根据海堤所处的不同位置，采取不同的生态恢复措施。 对直接临海的堤，由于受海浪的频繁拍击，海岸生态建设的重点应放在堤前水域和背海侧坡面，应在堤前水域种植红树林，营造防风、防浪的生态林。应在背海侧坡面的干砌石、砼护面块体等工程措施护面的表面覆盖原位弃土，移植或种植草皮。 对堤前有滩地且不直接临海的堤，除了应在堤前积极营造生态林外，对临海侧堤面，也应尽量采用满足抗风浪要求的砌块护面，并上覆土，促成植物快速生长。3 结语 越浪海堤控制住了上述关键设计环节，其安全性基本可得到保障。此文结尾时值得一提的是:（1）一般的越浪海堤均建在软土地基之上， 施工时应严格控制施工速率，急于求成，不但增加填筑工程量，而且地基破坏的滑弧切割堤身，引起堤身纵向裂缝，削弱堤身总体性，附加断面处理工程量。（2）临海面、堤顶、背海侧面护面均应在堤顶沉降量小于8mm/月时，方可实施堤顶刚性工程保护措施。沉降未基本稳定时，应采用过渡性工程措施保护堤面，如干砌石护面。用此措施来保证刚性护面不出现裂缝而破坏结构的完整性。 只有精心设计的断面，越浪海堤的安全性才可得到充分的保障，才能达到既合理，又安全可靠的目的。只有在改造自然的同时又时时不忘与自然和谐共存，才是海堤设计的可持续之路。文献[1] 广东省地方标准，广东省海堤工程设计导则（试行）》DB44/T182-2004，北京，水利水电出版社，2004[2] 程永东等，中、小型土坝坝面排水系统的设计，水利水电工程设计，2004，（3）.
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