土木工程畢業(yè)論文-越浪海堤的斷面設計

摘要：本文介紹了越浪海堤斷面設計的基本，提出了解決了堤身斷面設計過(guò)程中越浪量、堤頂高程、堤身強度、排水及恢復型海岸等設計的方法。關(guān)健詞：海堤 越浪量 斷面設計 護面強度 排水 自然型海岸   1概述　　我國有總長(cháng)3.2萬(wàn)公里的海岸線(xiàn)，其中大陸海岸線(xiàn)1.8萬(wàn)公里，島嶼海岸線(xiàn)1.4萬(wàn)公里，隨著(zhù)沿海地區的快速，臺風(fēng)暴潮造成的損失越來(lái)越大，已建海堤大部分已很難適應當前防潮、洪的要求。由于缺乏反映海堤自身特點(diǎn)和要求的國家標準，海堤工程設計、施工和管理難以做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、管理規范的要求。筆者近年為配合廣東省“十項民心工程”的實(shí)施，編撰廣東省地方標準《廣東省海堤工程設計導則（試行）》DB44/T182-2004，期間，對現有海堤作了一些調研，并根據已有的設計工作經(jīng)驗，針對越浪海堤的斷面設計，在此提出粗淺看法�！　�，海堤的設計以是否允許越浪劃分為兩大類(lèi)，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準設計，則對堤頂高程和斷面尺寸的要求較高，投資大，往往不經(jīng)濟合理，允許部分越浪的海堤的合理設計就成了設計者要認真考慮的問(wèn)題。越浪海堤的斷面設計主要解決越浪量、堤頂高程、堤身斷面、護面強度及排水及恢復自然型海岸等方面的問(wèn)題。 2 設計步驟 2.1堤頂高程　　堤頂高程是確定堤身斷面規模的關(guān)鍵設計參數。堤頂高程的確定要考慮海堤沉降量，可按下式：（1）式中——對應設計頻率水位的堤頂高程（m）； ——與設計頻率相應的高潮位（m）； ——按設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計，取%； ——安全超高值（m），按表2規定值選取。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，當堤頂臨海側設有防浪墻、且防浪墻穩定、堅固時(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高出設計高潮（水）位0.5以上，且不得低于設計高潮（水）位0.5m�！　∪绾翁幚砗玫添敻叱膛c允許部分越浪的關(guān)系，設計時(shí)應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)，堤頂高程應重新確定，一般是加高堤頂或通過(guò)對堤頂、背海側坡面加強防沖保護等方法來(lái)提高海堤允許越浪量。當海堤堤前波浪較大，通過(guò)前兩種方法均難以滿(mǎn)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(guān)要求，為滿(mǎn)足城市的總體規劃要求，對堤路結合海堤堤頂高程的要求予以適當放寬，但須計算越浪水量，并根據水量設置完備的排水系統，與城市排水系統接駁，以保證越浪量及時(shí)排泄�！　≡诳紤]預留沉降量后，設計圖上的堤頂高程應為考慮堤身固結、堤基附加沉降量后的工后堤頂高程，故設計者應在圖紙的說(shuō)明部分明示計算沉降量及施工時(shí)要求的預留沉降高程。 2.2 越浪量　　大部分的海堤的損毀均由于超標準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構設計的控制因素。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）。當海堤越浪超過(guò)一定數量時(shí)，將導致堤身破壞，目前國內外對海堤允許越浪量的確定和越浪量計算方法的成果均建立在模型試驗的基礎上，越浪量允許值見(jiàn)表1 。   表1幾種常見(jiàn)護面結構型式海堤的允許越浪量海堤型式和構造
 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面，內坡為生長(cháng)良好的草地堤頂為混凝土或漿砌塊石護面，內坡為墊層完好的干砌塊石護面
 ≤0.02 ≤0.05
 
無(wú)后坡（護岸）
 堤頂有鋪砌
 ≤0.09
 
濱海城市堤路結合海堤
 堤頂為鋼筋混凝土路面，內坡為墊層完好的漿砌塊石護面
 ≤0.09
    　　以上述值作為堤身越浪量的控制上限，通過(guò)越浪量計算，方法見(jiàn)[1]第8章，可以令堤身的越浪量滿(mǎn)足設計要求。當越浪量超出允許值時(shí)，可采取改變斷面布置、調整護面結構措施削減波浪或增強護面的抗沖強度。對防護級別較高的1、2級海堤或有重要防護對象的海堤應結合模型試驗確定允許越浪量，同時(shí)驗證堤頂和內坡護面的防沖穩定性。當堤頂為混凝土或漿砌石護面、內坡為墊層完好且有效的干砌石護面時(shí)，除按設計重現期波浪條件計算越浪量外，還應提高一級波浪設計重現期校核越浪量，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越浪量和越浪量計算方法均建立在簡(jiǎn)單單坡和陡墻模型試驗的基礎上，計算方法和計算公式比較單一且精度有限，難于適應復雜斷面結構型式海堤的越浪量計算。從安全和經(jīng)濟的角度考慮，對重要海堤結合模型試驗確定越浪量是必要的。 2.3 堤身斷面　　斷面設計時(shí)，先參照已建類(lèi)似工程初擬斷面形式，根據波浪要素及海堤等級，確定堤頂高程，經(jīng)過(guò)穩定計算，反復調整尺寸，最終確定合理的斷面。斷面調整的大前提是，降低堤頂高程，控制穩定，應從以下兩各方面著(zhù)手：（1）斷面內部調整　　內部調整包括調整邊坡、調整護面、調整高程�！》�定不能滿(mǎn)足時(shí)，放緩邊坡是比較奏效的措施；調整護面結構，可以不改變斷面形狀而僅改變堤身護面，利用不同護面的糙率，削減波浪爬高，降低堤頂高程。（2）斷面形式調整　　可對堤身設置消浪平臺，平臺位設置于多年平均高潮位加50cm超高處，可以減少波浪爬高，且有利于斷面的穩定性。堤前有灘涂的應采用非工程措施，種植紅樹(shù)林，既可減少波浪爬高，又能固灘保堤護岸。堤前水深較大時(shí)，可考慮堤前設置潛堤的工程措施來(lái)減少波浪爬高。 2.4 護面強度　　護面主要指的是臨海側面、堤頂、背海側面護面的強度。（1）臨海面　　臨海側直接經(jīng)受波浪作用，護面結構主要從整體性、抗沖刷、消浪等角度綜合考慮。該部分結構上部應能夠承受波浪的打擊、上吸。下部應能承受波浪的反復掏刷。因此要求護面結構強度要高，穩定性要滿(mǎn)足要求，護面底要做好反濾，同時(shí)坡面要留足排水孔，漿砌或混凝土砌石護坡具有較好的整體性，外表美觀(guān)，抗波浪能力較強，返修率低，管理方便。但適應變形能力差，當岸坡發(fā)生不均勻沉陷時(shí)，砌縫容易出現裂縫。應在堤身土體充分固結，基礎沉降已基本完成，且土坡基本穩定后的堤段經(jīng)穩定厚度計算，確定護面厚度�；炷�土砌石，雖造價(jià)稍高于漿砌石，但砌筑質(zhì)量要優(yōu)于漿砌石�；炷�土護面下的砂心堤段，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(dòng)力荷載，引起護面下砂土的運動(dòng)。當波浪爬升和自斜坡上下落時(shí)，護面構件上的壓力交換也引起運動(dòng)。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(dòng)，這種移動(dòng)最終導致板底脫空，波浪作用時(shí)擊碎板面。對淤泥質(zhì)堤基，堤身土體充分固結后，當迎潮面封閉時(shí)，可不留排水孔。護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面結構。（2）堤頂　　堤頂則由于要滿(mǎn)足越浪的強度要求，護面的強度要求同迎潮面，由于堤頂一般兼作防汛公路，根據這一特點(diǎn)，護面一般采用混凝土結構。為保證堤頂護面混凝土結構的平整度，要求堤身填土的沉降、固結量已基本完成，此時(shí)的堤頂護面結構不再留沉降縫，而只留伸縮縫，路面設計的術(shù)語(yǔ)為脹縫，縮縫。脹縫一般設在堤軸線(xiàn)平面曲線(xiàn)曲率變化的起止部位，直線(xiàn)段較長(cháng)時(shí)，可每200m設一條，縫間通過(guò)可以伸縮的拉力桿（鋼筋）連接�？s縫一般4～6m設置一條，采取誘導切割方式，在護面上切割深3～5cm，寬3～8mm的假縫形式，當護面板收縮時(shí)，將沿此最薄弱斷面有規則地自行斷裂�？p間填灌瀝青類(lèi)材料。（3）背海側面　　爬上海堤臨海側坡的浪花，越過(guò)防浪墻，直接與堤頂或后坡碰撞，因此流速哀減迅速，故背海側坡的防護主要以能承受垂直于坡面的沖擊力為主，無(wú)波浪的回流水流的拖拽力，因此護面設置原則應為透水、消能。在保證良好的反濾墊層的基礎上，按其造價(jià)高低排序，應為干砌石砂漿勾縫，預制混凝土板勾縫，漿砌石。雖然按部分允許越浪設計，但應按越浪量計算成果，使海水在堤頂匯集，通過(guò)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，加鋪一定厚度的腐質(zhì)類(lèi)土，一來(lái)可保證提高成活率，二來(lái)可為其繁植提供較豐富的營(yíng)養積蓄地。背海側坡腳應設置矮擋墻，既可得保護堤腳，又使工程界限明確，增加美觀(guān)。

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。對背海側采用工程護坡的越浪海堤，采用漫坡排水一般即可滿(mǎn)足排水要求，只要在坡底設置匯水溝集水，統一匯入總排水系統。當采用堤頂匯集越浪水量，背海側仍采用生物措施保護護面方式時(shí)，一般堤身高度小于6m的平直段堤圍，漫坡排水不會(huì )引起集中沖刷，但曲線(xiàn)段則應設置適量的豎向排水溝，以通過(guò)引走堤表水流，防止水流沖刷坡面。這些豎向排水溝均設置在陡坡上，屬于急流槽，因此，溝內應砂漿批蕩�！　≡嚼撕５痰脑嚼肆客ㄟ^(guò)可以出，但一般堤段缺乏當地的高頻率常遇洪水的自記雨量降雨強度資料，故可采用[2]中介紹的，以 5年一遇10min降雨強度等值線(xiàn)圖及60 min降雨強度轉換系數等值線(xiàn)圖，計算堤面降雨的排水設計徑流量，與越浪水量相加則可進(jìn)而確定壩面排水系統的斷面尺寸，使得堤面排水系統的設計更加詳盡。 2.6型海岸的恢復　　所謂的自然型海岸，就是要保持、重現及創(chuàng )造海岸原有的多姿多彩的自然風(fēng)情。越浪海堤的建設，臨海側、堤頂、背海側采用的工程措施使得海岸的自然環(huán)境受到嚴重的干擾，因此，要將工程措施與生態(tài)學(xué)有機的結合，根據海堤所處的不同位置，采取不同的生態(tài)恢復措施�！　�對直接臨海的堤，由于受海浪的頻繁拍擊，海岸生態(tài)建設的重點(diǎn)應放在堤前水域和背海側坡面，應在堤前水域種植紅樹(shù)林，營(yíng)造防風(fēng)、防浪的生態(tài)林。應在背海側坡面的干砌石、砼護面塊體等工程措施護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，除了應在堤前積極營(yíng)造生態(tài)林外，對臨海側堤面，也應盡量采用滿(mǎn)足抗風(fēng)浪要求的砌塊護面，并上覆土，促成植物快速生長(cháng)。 3 結語(yǔ)　　越浪海堤控制住了上述關(guān)鍵設計環(huán)節，其安全性基本可得到保障。此文結尾時(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)應嚴格控制施工速率，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、背海側面護面均應在堤頂沉降量小于8mm/月時(shí)，方可實(shí)施堤頂剛性工程保護措施。沉降未基本穩定時(shí)，應采用過(guò)渡性工程措施保護堤面，如干砌石護面。用此措施來(lái)保證剛性護面不出現裂縫而破壞結構的完整性�！　≈挥芯�心設計的斷面，越浪海堤的安全性才可得到充分的保障，才能達到既合理，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，才是海堤設計的可持續之路。   文獻 [1] 廣東省地方標準，廣東省海堤工程設計導則（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的設計，水利水電工程設計，2004，（3）.

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