陈建勇，王 珏

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

上海海堤达标-工程中加宽消浪平台结构断面设计
--以奉贤区某海大堤达标工程为例

陈建勇，王 珏

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

以上海市奉贤区某海堤达标工程为实例，介绍了加宽消浪平台的达标结构断面方案设计。通过方案对比分析，论证了案例项目采用加宽消浪平台方案的合理性，并总结了加宽消浪平台方案的适用条件，可为上海沿海一线海堤达标工程设计提供参考。

海堤(海塘);达标工程;消浪平台;上海市

0 前言

海塘(海堤)是保障上海抵御风暴潮侵袭的第一道防线，其安全可靠性和防御能力直接关系上海的城市安全。《上海市海塘规划(1996-2010年)》规划期已届满，同时由于沿江沿海滩涂圈围变化，以及郊区城市化的快速发展，原海塘规划已不能适应新形势下的发展要求。2013年编制的新一轮《上海市海塘规划(2011-2020年)》明确了上海主海塘新的防御标准，某段海塘亦被列为近期达标改造的工程之一。

常用的海堤达标措施有加高堤顶高程、增加外坡消浪设施糙渗系数、加宽消浪平台等。其中在设计条件允许的情况下，加宽消浪平台是更为简便、经济性较佳的方案。本文以奉贤区某海堤达标工程为例，论述通过加宽消浪平台以达到新规划标准要求的设计方案，以此为上海同类海堤达标工程设计提供案例参考。

1 海堤现状及达标要求

1.1 海堤现状

该工程位于杭州湾北岸，地处奉贤区南部。工程为促淤圈围大堤，于2007年竣工，促淤面积约为333 hm2，围内吹填陆地暂作为农用地，田面高程为3.5 m(上海吴淞零点为基准，下同);工程围堤即为一线海塘，全长5 475 m，原设计标准为:围堤为1级堤防，100 a一遇高潮位+11级风中值(30.1 m/s)，不允许越浪。

主堤(顺堤)采用与原促淤坝相分离的结构型式，顺堤中心线与促淤坝中心线相距约39 m。主堤堤身采用带消浪平台的复合斜坡堤结构，堤身主体由充泥管袋组合棱体与堤心吹填砂构成;外坡护面为350 mm厚栅栏板、450 mm灌砌块石组合结构，上下坡面均为1∶3.0，消浪平台宽度4.5 m，高程约5.6 m;防浪墙高1.2 m，采用钢筋混凝土鹰咀直立式型式;堤顶宽度8.0 m，采用沥青混凝土路面。

设计堤顶(防浪墙顶)高程为9.9 m，堤顶道路高程为8.7 m;目前大堤沉降未达到施工预留量，现状堤顶平均高程～8.9 m，防浪墙顶高程～10.1 m。

原设计主堤结构断面图见图1所示。

1.2 达标要求

根据《上海市海塘规划(2011-2020年)》［1］(以下简称《规划》)，明确上海主海塘防御标准为:大陆及长兴岛主海塘防御能力达200 a一遇高潮位+12级风，崇明岛及横沙岛主海塘防御能力达到100 a一遇高潮位+11级风。其中:大陆主海塘三甲港-芦潮港为200 a一遇高潮位+12级风上限，大陆其余部分及长兴岛为200 a一遇高潮位+12级风下限。

该海堤位于杭州湾北岸上海区段，达标标准为200 a一遇高潮位+12级风下限(32.7 m/s)，不允许越浪。《规划》中通过对海堤(海塘)不利风向条件下各定级风的频率分析，12级风基本对应于200 a一遇设计风速。

2 设计水文参数

2.1 设计潮位

该工程位于金山嘴与芦潮港之间，距离金山嘴站约为26 km，距离芦潮港站约为22 km，其设计潮位通过两站内插值得出，200 a一遇高潮位(P=0.5%)为6.36 m。

2.2 设计波浪要素

该工程区海域开阔，波浪作用较强，但由于该工程区域范围缺乏连续的现场波浪观测资料，不足以推算设计重现期下的波浪要素，因此波浪要素的计算需采用由设计风要素间接推算的方法。

首先采用规范推荐的蒲田海堤试验站公式，通过设计标准下的潮位及风速(200 a一遇高潮位+12级风下限32.7 m/s)推算该海域的离岸深水波浪要素，继而通过浅水变形、深水波与浅水波相互关系推算堤前设计波浪要素［2］。

该工程堤前设计波浪要素计算结果见表1所列。

3 达标断面设计

3.1 设计断面方案

海堤达标工程常采用的措施有加高堤顶(防浪墙)高程、降低波浪爬高等，其中降低波浪爬高一般可通过减小外坡消浪设施糙渗系数、加宽消浪平台等。根据上述几种措施，分别进行大堤达标断面方案设计，并对各方案进行合理性比选。

3.1.1 加高防浪墙

维持现状主堤护面结构，通过加高防浪墙来满足达标要求。该方案相当于对原设计大堤进行堤顶标高复核，按照新的防御标准来计算波浪爬高及堤顶高程，以确定防浪墙加高的高度(方案一图略)。

按《海堤工程设计规范》，堤顶高程应根据设计高潮位、波浪爬高及安全超高值按下式计算。

式中:ZP---设计频率的堤顶高程，m;

hP---设计频率的高潮位，m;

RF---按设计波浪计算的累积频率为F的波浪爬高值(海塘按不允许越浪设计时F=2%)，m;

A---安全加高值，m，对于不允许越浪的1级堤防为1.00 m。

设计波浪爬高按《海堤工程设计规范》附录E［2］的规定，对于堤坡m=1.5～5.0情况，正向来波在单一斜坡上的波浪爬高按下式计算:

式中:KΔ---斜坡糙率系数，根据护面类型确定;

KV---经验系数，查表确定;

KF---爬高累计频率换算系数，查表确定;

H1%---波高累积率F=1%的波高值。

带有平台的复合斜坡堤的波浪爬高，可先按规范公式确定该断面的折算坡度me系数，再按坡度系数为me的单坡断面确定其爬高。

据此对原设计大堤进行堤顶标高复核(各方案计算结果汇总见表2)，若保持现状外坡消浪设施及消浪平台不变，则堤顶高程需加高至约10.74 m方可满足规划防御标准要求。

3.1.2 新建扭工块体护面(降低糙渗系数)

主堤结构均予以保留，并保持原消浪平台宽度4.50 m不变，在现状主堤结构的基础上在上下坡规则安放糙渗系数较小(KΔ=0.38)的扭工块体，按照规范要求安放2层，通过降低波浪爬高来满足达标标准(方案二断面见图2)。经计算并考虑适当安全系数，扭工块体稳定重量取2.0 t，厚度2.1 m。

按照上述波浪爬高公式计算，该方案达标堤顶高程为9.857 m，可在堤顶不加高的情况下满足达标要求。

图1 原设计主堤结构断面图

表1 主堤堤前设计波要素(200 a一遇高潮位+12级风下限)计算结果一览表

3.1.3 加宽消浪平台

现状主堤结构均予以保留，加宽消浪平台至8.50 m，并在上下斜坡新建栅栏板护面，护面坡比为1∶3，通过宽平台增强消浪作用(计算理论为增大其斜坡折算坡度me)，以降低波浪爬高。

新建上、下坡栅栏板采用C35钢筋混凝土，厚450 mm，上坡栅栏板安放在现状350 mm厚栅栏板上方，下坡栅栏板与现状下坡栅栏板之间空隙采用10～100 kg抛石填实(抛石表层理砌)。新消浪平台建于现状消浪平台及抛石上方，消浪平台宽8.50 m，标高约为6.00 m。消浪平台采用C30灌砌块石，厚500 mm。护坡坡底设C30灌砌块石镇脚，尺寸为1 000 mm×1 200 mm，镇脚顶标高为3.50 m (方案三断面见图3)。

经计算，该方案达标堤顶高程为9.833 m，同样可在堤顶不加高的情况下满足达标要求。

3.2 方案比较

加高防浪墙方案达标堤顶高程为10.74 m，需将防浪墙顶标高加高约84cm，主堤防浪墙均需要重建。另外根据规范防浪墙净高不宜超过1.2 m，若保持原堤顶路面标高8.7 m不变，则防浪墙净高达2.0 m以上，与规范建议值相差较大，堤顶高程过高与工程西侧水上旅游度假区极不协调，完全遮挡了向外海侧的视野。故在防浪墙加高的同时，需将墙后堤顶加高，堤顶路面结构及内坡均需进行相应的加高改造，造成工程量较大、施工困难的问题。可见完全通过加高防浪墙使海堤达到规划防御标准的方案并不理想。

表2 各方案波浪爬高及堤顶高程计算结果汇总表

图2 新建扭工块体护面方案结构断面图

图3 加宽消浪平台方案结构断面图

新建扭工块体护面方案，需安放2层扭工块体，厚度2.10 m，高度基本同防浪墙顶，一定程度上影响游人观景及亲水效果，与上下游相邻大堤不协调;扭工块体安放数量多、重量大，且墙前无较大安放空间，易造成防浪墙沉降、倾斜及开裂;另外从投资角度考虑也不够经济。

由于主堤原设计采用与原促淤坝分离的布置方式，消浪平台外侧有足够宽度的压载平台(原促淤坝后抛石范围)，且已达到一定的淤积高程，因此方案三加宽消浪平台并不增加斜坡堤总的底面积，增加工程量也不大，而限制波浪爬高的作用较为明显。除平台加宽外，该方案不改变现状防浪墙，采用的栅栏板护面与相邻海塘相协调，从而施工相对简易。因此加宽消浪平台的方案有多方面的优点，方案相对较合理。

以上三种方案各方面的优缺点比较见表3所列。

4 加宽消浪平台的适用条件

通过上述比较，加宽消浪平台方案相对而言较为合理，实则上加宽消浪平台措施即是《防波堤设计规范与施工规范》中的宽肩台斜坡堤型式［3］，其适用性和最终设计宽度应根据实际条件综合分析来确定。

4.1 平台加宽的空间及其经济性

消浪平台一般宜设置在设计高潮位附近或略低于设计高潮位，规范建议宽度是设计浪高的1～2倍，且不宜小于3 m。平台的消浪作用主要是增加堤前波浪的底摩擦，或在平台上提前破碎以消耗其能量。理论上消浪平台越宽，消浪效果越好，但对于斜坡堤而言，消浪平台越宽，堤身底面积就越大，断面的工程量也越大，尤其在堤前水深较大的情况更甚。

前已叙述，该项目主堤原设计采用与原促淤坝相分离的布置方式，消浪平台外侧有足够宽度的压载空间，且已达到一定的高程范围，因此具备平台加宽的条件，增加工程量也不大，相对而言具备较好的经济性。

4.2 符合现行规范公式的计算范围

对照规范所建议的消浪平台宽度，该项目改建后的消浪平台宽度为设计浪高的1～2倍外，复合斜坡堤的波浪爬高计算采用折算坡度法，适用范围为m上=1.0～4.0，m下=1.5～3.0，dw/L=-0.025～+0.025，0.05＜B/L≤0.25;另外折算坡度me也应在单一斜坡上波浪爬高计算公式中适用的堤坡范围内，即me=1.5～5.0。

对照该项目消浪平台加宽至8.5 m后，其宽度与2倍堤前设计波高接近，略大于2倍堤前设计波高，但加宽后的平台宽度与设计波长的比值B/L约为0.15，dw/L约为0.007，折算坡度me＜5.0，均满足规范公式的计算范围。

4.3 满足堤前波浪力作用

平台加宽后使波浪在前缘破碎，从而具有较为显著的消浪效果，有效地降低越浪量，但波浪冲击破碎时也使得平台受到较强烈的作用力，因此除计算爬高作用外，斜坡面及消浪平台还必需要有足够的结构稳定性。

根据该项目的堤前波要素计算结果，斜坡面新增C35栅栏板厚度为450 mm，消浪平台采用500 mm厚C30灌砌块石，外坡脚增设C30灌砌块石大镇脚。护面结构厚度经计算满足堤前波要素要求。

如根据堤前波要素计算所需的栅栏板及灌砌块石护面结构过大，则仍需要采用消浪人工块体护面结构。

4.4 堤身稳定满足要求

设计方案在原堤身上增加结构后，必需满足堤身的整体稳定及沉降要求。

表3 达标断面各方案优缺点比较表

加宽消浪平台方案主堤整体稳定复核成果见表4所列。根据计算结果，各工况下最不利滑动面安全系数均满足规范要求。

表4 加宽消浪平台方案堤身整体稳定复核成果一览表

该方案主堤断面各沉降期堤顶中心线和消浪平台沉降量见表5所列。根据结果可知，抛石填筑消浪平台对堤顶造成的沉降很小，堤顶基准期沉降量为0.8 cm，目前堤顶预留沉降抛高可以满足要求，因此保持现状堤顶防浪墙是可行的;新建消浪平台处基准期沉降量为5.5 cm，因此可在消浪平台处预留10 cm抛高以满足消浪平台标高要求。

4.5 平台分缝处理

加宽消浪平台分别位于老平台与新抛石体上方，故新老结构衔接处易出现不均匀沉降。为避免消浪平台不均匀沉降造成结构破坏，在新老平台衔接处设置20 mm沉降缝，沉降缝采用20 mm聚乙烯低发泡沫板填缝，并在外露面采用单组份聚氨酯封膏20 mm×20 mm嵌缝。

4.6 断面物理模型试验

达标设计断面需通过物理模型试验，验证其波浪爬高、越浪量、结构稳定性是否满足标准要求。

表5 加宽消浪平台方案堤顶中心线和消浪平台沉降量一览表(单位:m)

5 结语

本文介绍了加宽消浪平台的达标方案设计，通过方案对比分析，论证了案例项目采用加宽消浪方案的合理性，并总结了加宽消浪平台方案的适用条件。

上海的海堤大多为此类有一定宽度的压载平台的结构断面，堤前波要素大体相近，且建造均有一定时间。因而，对于达标工程，在满足文中所述的客观条件及所需考虑的因素的前提下，采用加宽消浪平台的方案具有一定的优势。

［1］ 上海市水务局， 上海市发展和改革委员会. 上海市海塘规划(2011-2020年)［R］， 2013.

［2］ SL 435-2008， 海堤工程设计规范［S］.

［3］ JTS 154-1-2011， 防波堤设计与施工规范［S］.

U656.31+4

B

1009-7716(2015)04-0099-05

2014-12-15

陈建勇(1981-)，男，广东东晓人，工程师，从事水利及水运工程设计工作。