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土木工程畢業(yè)論文-越浪海堤的斷面設(shè)計(jì)
摘要：本文介紹了越浪海堤斷面設(shè)計(jì)的基本，提出了解決了堤身斷面設(shè)計(jì)過程中越浪量、堤頂高程、堤身強(qiáng)度、排水及恢復(fù)型海岸等設(shè)計(jì)的方法。關(guān)健詞：海堤 越浪量 斷面設(shè)計(jì) 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)的快速，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(jì)、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(xiàng)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(jì)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(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，針對越浪海堤的斷面設(shè)計(jì)，在此提出粗淺看法�！ �，海堤的設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)就成了設(shè)計(jì)者要認(rèn)真考慮的問題。越浪海堤的斷面設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)參數(shù)。堤頂高程的確定要考慮海堤沉降量，可按下式：（1）式中——對應(yīng)設(shè)計(jì)頻率水位的堤頂高程（m）； ——與設(shè)計(jì)頻率相應(yīng)的高潮位（m）； ——按設(shè)計(jì)波浪計(jì)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(jì)，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(jiān)固時(shí)，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(jì)高潮（水）位0.5以上，且不得低于設(shè)計(jì)高潮（水）位0.5m�！ ∪绾翁幚砗玫添敻叱膛c允許部分越浪的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(shí)排泄。 在考慮預(yù)留沉降量后，設(shè)計(jì)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(jì)者應(yīng)在圖紙的說明部分明示計(jì)算沉降量及施工時(shí)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(jì)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(shí)，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(jì)算方法的成果均建立在模型試驗(yàn)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(jì)算，方法見[1]第8章，可以令堤身的越浪量滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)越浪量超出允許值時(shí)，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(yàn)確定允許越浪量，同時(shí)驗(yàn)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(shí)，除按設(shè)計(jì)重現(xiàn)期波浪條件計(jì)算越浪量外，還應(yīng)提高一級波浪設(shè)計(jì)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)�！ ∧壳昂５淘试S越浪量和越浪量計(jì)算方法均建立在簡單單坡和陡墻模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算方法和計(jì)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(jì)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(yàn)確定越浪量是必要的。 2.3 堤身斷面 斷面設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jì)算，確定護(hù)面厚度�；炷疗鍪m造價(jià)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)，將沿此最薄弱斷面有規(guī)則地自行斷裂�？p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(jià)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(jì)，但應(yīng)按越浪量計(jì)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。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)仍采用生物措施保護(hù)護(hù)面方式時(shí)，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�！ ≡嚼撕５痰脑嚼肆客ㄟ^可以出，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[2]中介紹的，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(jì)算堤面降雨的排水設(shè)計(jì)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(jì)更加詳盡。 2.6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�！ χ苯优R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�！ Φ糖坝袨┑厍也恢苯优R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(jì)環(huán)節(jié)，其安全性基本可得到保障。此文結(jié)尾時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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�！ ≈挥芯脑O(shè)計(jì)的斷面，越浪海堤的安全性才可得到充分的保障，才能達(dá)到既合理，又安全可靠的目的。只有在改造自然的同時(shí)又時(shí)時(shí)不忘與自然和諧共存，才是海堤設(shè)計(jì)的可持續(xù)之路。 文獻(xiàn) [1] 廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)，廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》DB44/T182-2004，北京，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(jì)，水利水電工程設(shè)計(jì)，2004，（3）.
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