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越浪海堤的斷面的設(shè)計
越浪海堤的斷面的設(shè)計 摘要:本文介紹了越浪海堤斷面設(shè)計的基本方法,提出了解決了堤身斷面設(shè)計過程中越浪量、堤頂高程、堤身強(qiáng)度、排水及恢復(fù)自然型海岸等設(shè)計問題的方法。
關(guān)健詞:海堤 越浪量 斷面設(shè)計 護(hù)面強(qiáng)度 排水 自然型海岸
1概述
我國有總長3.2萬公里的海岸線,其中大陸海岸線1.8萬公里,島嶼海岸線1.4萬公里,隨著沿海地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,臺風(fēng)暴潮造成的損失越來越大,已建海堤大部分已很難適應(yīng)當(dāng)前防潮、洪的要求。由于缺乏反映海堤自身特點(diǎn)和要求的國家標(biāo)準(zhǔn),海堤工程設(shè)計、施工和管理難以做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、管理規(guī)范的要求。筆者近年為配合廣東省“十項民心工程”的實(shí)施,編撰廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則(試行)》DB44/T182-2004,期間,對現(xiàn)有海堤作了一些調(diào)研,并根據(jù)已有的設(shè)計工作經(jīng)驗,針對越浪海堤的斷面設(shè)計,在此提出粗淺看法。
目前,海堤的設(shè)計以是否允許越浪劃分為兩大類,即不允許越浪和允許部分越浪。大部分的海堤建在軟土地基上,若都按不允許越浪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,則對堤頂高程和斷面尺寸的要求較高,投資大,往往不經(jīng)濟(jì)合理,允許部分越浪的海堤的合理設(shè)計就成了設(shè)計者要認(rèn)真考慮的問題。越浪海堤的斷面設(shè)計主要解決越浪量、堤頂高程、堤身斷面、護(hù)面強(qiáng)度及排水及恢復(fù)自然型海岸等方面的問題。
2 設(shè)計步驟
2.1堤頂高程
堤頂高程是確定堤身斷面規(guī)模的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。堤頂高程的確定要考慮海堤沉降量,可按下式計算:
(1)
式中——對應(yīng)設(shè)計頻率水位的堤頂高程(m);
——與設(shè)計頻率相應(yīng)的高潮位(m);
——按設(shè)計波浪計算的累積頻率為F%的波浪爬高值(m);由于按允許部分越浪設(shè)計,取%;
——安全超高值(m),按表2規(guī)定值選取。
表2 堤頂安全加高值
海堤工程等級
1
2
3
4
5
允許部分越浪A(m)
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
堤頂高程有兩層含義,一是指防浪墻頂面,二是指堤身斷面頂面,當(dāng)?shù)添斉R海側(cè)設(shè)有防浪墻、且防浪墻穩(wěn)定、堅固時,堤頂高程可算至防浪墻頂面。但堤身斷面頂面的高程仍應(yīng)高出設(shè)計高潮(水)位0.5以上,且不得低于設(shè)計高潮(水)位0.5m。
如何處理好堤頂高程與允許部分越浪的關(guān)系,設(shè)計時應(yīng)以堤頂高程的要求初步確定某一高程,越浪量大于允許越浪量要求時,堤頂高程應(yīng)重新確定,一般是加高堤頂或通過對堤頂、背海側(cè)坡面加強(qiáng)防沖保護(hù)等方法來提高海堤允許越浪量。當(dāng)海堤堤前波浪較大,通過前兩種方法均難以滿足要求時,也可采用人工消浪措施減小海堤堤前波浪,控制越浪量。沿海城市的沿海(江)堤防一般都有景觀要求,為滿足城市的總體規(guī)劃要求,對堤路結(jié)合海堤堤頂高程的要求予以適當(dāng)放寬,但須計算越浪水量,并根據(jù)水量設(shè)置完備的排水系統(tǒng),與城市排水系統(tǒng)接駁,以保證越浪量及時排泄。
在考慮預(yù)留沉降量后,設(shè)計圖上的堤頂高程應(yīng)為考慮堤身固結(jié)、堤基附加沉降量后的工后堤頂高程,故設(shè)計者應(yīng)在圖紙的說明部分明示計算沉降量及施工時要求的預(yù)留沉降高程。
2.2 越浪量
大部分的海堤的損毀均由于超標(biāo)準(zhǔn)潮浪的越浪水體作用,允許部分越浪的海堤其越浪量成為海堤斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素。海堤的越浪量是指1m單位寬度海堤上每秒鐘波浪翻越海堤的水量,其單位為(m3/s.m)。當(dāng)海堤越浪超過一定數(shù)量時,將導(dǎo)致堤身破壞,目前國內(nèi)外對海堤允許越浪量的確定和越浪量計算方法的研究成果均建立在模型試驗的基礎(chǔ)上,越浪量允許值見表1 。
表1幾種常見護(hù)面結(jié)構(gòu)型式海堤的允許越浪量
海堤型式和構(gòu)造
允許越浪量(m3/s·m)
有后坡(海堤)
堤頂為混凝土或漿砌塊石護(hù)面,內(nèi)坡為生長良好的草地
堤頂為混凝土或漿砌塊石護(hù)面,內(nèi)坡為墊層完好的干砌塊石護(hù)面
≤0.02
≤0.05
無后坡(護(hù)岸)
堤頂有鋪砌
≤0.09
濱海城市堤路結(jié)合海堤
堤頂為鋼筋混凝土路面,內(nèi)坡為墊層完好的漿砌塊石護(hù)面
≤0.09
以上述值作為堤身越浪量的控制上限,通過越浪量計算,方法見文獻(xiàn)[1]第8章,可以令堤身的越浪量滿足設(shè)計要求。當(dāng)越浪量超出允許值時,可采取改變斷面布置、調(diào)整護(hù)面結(jié)構(gòu)措施削減波浪或增強(qiáng)護(hù)面的抗沖強(qiáng)度。對防護(hù)級別較高的1、2級海堤或有重要防護(hù)對象的海堤應(yīng)結(jié)合模型試驗確定允許越浪量,同時驗證堤頂和內(nèi)坡護(hù)面的防沖穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)添敒榛炷粱驖{砌石護(hù)面、內(nèi)坡為墊層完好且有效的干砌石護(hù)面時,除按設(shè)計重現(xiàn)期波浪條件計算越浪量外,還應(yīng)提高一級波浪設(shè)計重現(xiàn)期校核越浪量,在校核條件下允許越浪量可放寬至0.07(m3/s·m)。
目前海堤允許越浪量和越浪量計算方法均建立在簡單單坡和陡墻模型試驗的基礎(chǔ)上,計算方法和計算公式比較單一且精度有限,難于適應(yīng)復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)型式海堤的越浪量計算。從安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮,對重要海堤結(jié)合模型試驗確定越浪量是必要的。
2.3 堤身斷面
斷面設(shè)計時,先參照已建類似工程初擬斷面形式,根據(jù)波浪要素及海堤等級,確定堤頂高程,經(jīng)過穩(wěn)定計算,反復(fù)調(diào)整尺寸,最終確定合理的斷面。斷面調(diào)整的大前提是,降低堤頂高程,控制穩(wěn)定,應(yīng)從以下兩各方面著手:
(1)斷面內(nèi)部調(diào)整
內(nèi)部調(diào)整包括調(diào)整邊坡、調(diào)整護(hù)面、調(diào)整高程。 穩(wěn)定不能滿足時,放緩邊坡是比較奏效的措施;調(diào)整護(hù)面結(jié)構(gòu),可以不改變斷面形狀而僅改變堤身護(hù)面,利用不同護(hù)面的糙率,削減波浪爬高,降低堤頂高程。
(2)斷面形式調(diào)整
可對堤身設(shè)置消浪平臺,平臺位設(shè)置于多年平均高潮位加50cm超高處,可以減少波浪爬高,且有利于斷面的穩(wěn)定性。堤前有灘涂的應(yīng)采用非工程措施,種植紅樹林,既可減少波浪爬高,又能固灘保堤護(hù)岸。堤前水深較大時,可考慮堤前設(shè)置潛堤的工程措施來減少波浪爬高。
2.4 護(hù)面強(qiáng)度
護(hù)面主要指的是臨海側(cè)面、堤頂、背海側(cè)面護(hù)面的強(qiáng)度。
(1)臨海面
臨海側(cè)直接經(jīng)受波浪作用,護(hù)面結(jié)構(gòu)主要從整體性、抗沖刷、消浪等角度綜合考慮。該部分結(jié)構(gòu)上部應(yīng)能夠承受波浪的打擊、上吸。下部應(yīng)能承受波浪的反復(fù)掏刷。因此要求護(hù)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高,穩(wěn)定性要滿足要求,護(hù)面底要做好反濾,同時坡面要留足排水孔,漿砌或混凝土砌石護(hù)坡具有較好的整體性,外表美觀,抗波浪能力較強(qiáng),返修率低,管理方便。但適應(yīng)變形能力差,當(dāng)岸坡發(fā)生不均勻沉陷時,砌縫容易出現(xiàn)裂縫。應(yīng)在堤身土體充分固結(jié),基礎(chǔ)沉降已基本完成,且土坡基本穩(wěn)定后的堤段經(jīng)穩(wěn)定厚度計算,確定護(hù)面厚度。混凝土砌石,雖造價稍高于漿砌石,但砌筑質(zhì)量要優(yōu)于漿砌石�；炷磷o(hù)面下的砂心堤段,在波浪破碎時,自波峰拋出的水流的沖擊,對板產(chǎn)生周期性動力荷載,引起護(hù)面下砂土的運(yùn)動。當(dāng)波浪爬升和自斜坡上下落時,護(hù)面構(gòu)件上的壓力交換也引起運(yùn)動。在波浪作用下,混凝土面板即使止水做得夠好,也避免不了板下部填料的移動,這種移動最終導(dǎo)致板底脫空,波浪作用時擊碎板面。對淤泥質(zhì)堤基,堤身土體充分固結(jié)后,當(dāng)迎潮面封閉時,可不留排水孔。護(hù)腳要有足夠的支承力,要能防止底腳被淘刷,或發(fā)生淘刷時,仍有足夠的能力支承護(hù)面結(jié)構(gòu)。
(2)堤頂
堤頂則由于要滿足越浪的強(qiáng)度要求,護(hù)面的強(qiáng)度要求同迎潮面,由于堤頂一般兼作防汛公路,根據(jù)這一特點(diǎn),護(hù)面一般采用混凝土結(jié)構(gòu)。為保證堤頂護(hù)面混凝土結(jié)構(gòu)的平整度,要求堤身填土的沉降、固結(jié)量已基本完成,此時的堤頂護(hù)面結(jié)構(gòu)不再留沉降縫,而只留伸縮縫,路面設(shè)計的術(shù)語為脹縫,縮縫。脹縫一般設(shè)在堤軸線平面曲線曲率變化的起止部位,直線段較長時,可每200m設(shè)一條,縫間通過可以伸縮的拉力桿(鋼筋)連接�？s縫一般4~6m設(shè)置一條,采取誘導(dǎo)切割方式,在護(hù)面上切割深3~5cm,寬3~8mm的假縫形式,當(dāng)護(hù)面板收縮時,將沿此最薄弱斷面有規(guī)則地自行斷裂。縫間填灌瀝青類材料。
(3)背海側(cè)面
爬上海堤臨海側(cè)坡的浪花,越過防浪墻,直接與堤頂或后坡碰撞,因此流速哀減迅速,故背海側(cè)坡的防護(hù)主要以能承受垂直于坡面的沖擊力為主,無波浪的回流水流的拖拽力,因此護(hù)面設(shè)置原則應(yīng)為透水、消能。在保證良好的反濾墊層的基礎(chǔ)上,按其造價高低排序,應(yīng)為干砌石砂漿勾縫,預(yù)制混凝土板勾縫,漿砌石。雖然按部分允許越浪設(shè)計,但應(yīng)按越浪量計算成果,使海水在堤頂匯集,通過排水溝排向前坡腳,創(chuàng)造條件使背水坡仍能采用生物措施保護(hù),加鋪一定厚度的腐質(zhì)類土,一來可保證提高成活率,二來可為其繁植提供較豐富的營養(yǎng)積蓄地。背海側(cè)坡腳應(yīng)設(shè)置矮擋墻,既可得保護(hù)堤腳,又使工程界限明確,增加美觀。
2.5排水
排水主要解決翻越堤身表面的越浪水量及降雨量在堤表面的引排問題。堤身表面排水分為漫坡排水和匯水溝集水排放兩種形式。對背海側(cè)采用工程護(hù)坡的越浪海堤,采用漫坡排水一般即可滿足排水要求,只要在坡底設(shè)置匯水溝集水,統(tǒng)一匯入總排水系統(tǒng)。當(dāng)采用堤頂匯集越浪水量,背海側(cè)仍采用 越浪海堤的斷面的設(shè)計生物措施保護(hù)護(hù)面方式時,一般堤身高度小于6m的平直段堤圍,漫坡排水不會引起集中沖刷,但曲線段則應(yīng)設(shè)置適量的豎向排水溝,以通過引走堤表水流,防止水流沖刷坡面。這些豎向排水溝均設(shè)置在陡坡上,屬于急流槽,因此,溝內(nèi)應(yīng)砂漿批蕩。
越浪海堤的越浪量通過計算可以分析出,但一般堤段缺乏當(dāng)?shù)氐母哳l率常遇洪水的自記雨量降雨強(qiáng)度資料,故可采用文獻(xiàn)[2]中介紹的方法,以 5年一遇10min降雨強(qiáng)度等值線圖及60 min降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)等值線圖,計算堤面降雨的排水設(shè)計徑流量,與越浪水量相加則可進(jìn)而確定壩面排水系統(tǒng)的斷面尺寸,使得堤面排水系統(tǒng)的設(shè)計更加詳盡。
2.6自然型海岸的恢復(fù)
所謂的自然型海岸,就是要保持、重現(xiàn)及創(chuàng)造海岸原有的多姿多彩的自然風(fēng)情。越浪海堤的建設(shè),臨海側(cè)、堤頂、背海側(cè)采用的工程措施使得海岸的自然環(huán)境受到嚴(yán)重的干擾,因此,要將工程措施與生態(tài)學(xué)有機(jī)的結(jié)合,根據(jù)海堤所處的不同位置,采取不同的生態(tài)恢復(fù)措施。
對直接臨海的堤,由于受海浪的頻繁拍擊,海岸生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)應(yīng)放在堤前水域和背海側(cè)坡面,應(yīng)在堤前水域種植紅樹林,營造防風(fēng)、防浪的生態(tài)林。應(yīng)在背海側(cè)坡面的干砌石、砼護(hù)面塊體等工程措施護(hù)面的表面覆蓋原位棄土,移植或種植草皮。
對堤前有灘地且不直接臨海的堤,除了應(yīng)在堤前積極營造生態(tài)林外,對臨海側(cè)堤面,也應(yīng)盡量采用滿足抗風(fēng)浪要求的砌塊護(hù)面,并上覆土,促成植物快速生長。
3 結(jié)語
越浪海堤控制住了上述關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié),其安全性基本可得到保障。此文結(jié)尾時值得一提的是:
(1)一般的越浪海堤均建在軟土地基之上, 施工時應(yīng)嚴(yán)格控制施工速率,急于求成,不但增加填筑工程量,而且地基破壞的滑弧切割堤身,引起堤身縱向裂縫,削弱堤身總體性,附加斷面處理工程量。
(2)臨海面、堤頂、背海側(cè)面護(hù)面均應(yīng)在堤頂沉降量小于8mm/月時,方可實(shí)施堤頂剛性工程保護(hù)措施。沉降未基本穩(wěn)定時,應(yīng)采用過渡性工程措施保護(hù)堤面,如干砌石護(hù)面。用此措施來保證剛性護(hù)面不出現(xiàn)裂縫而破壞結(jié)構(gòu)的完整性。
只有精心設(shè)計的斷面,越浪海堤的安全性才可得到充分的保障,才能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理,又安全可靠的目的。只有在改造自然的同時又時時不忘與自然和諧共存,才是海堤設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展之路。
參考文獻(xiàn)
[1] 廣東省地方標(biāo)準(zhǔn),廣東省海堤工程設(shè)計導(dǎo)則(試行)》DB44/T182-2004,北京,中國水利水電
出版社,2004
[2] 程永東等,中、小型土壩壩面排水系統(tǒng)的設(shè)計,水利水電工程設(shè)計,2004,(3).
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