城市道桥与防洪２００９年８月第８期收稿日期：２００９－０４－１０作者简介：吴连颖（１９８１－），女，辽宁大连人，助理工程师，主要从事堤防工程设计工作。
浙江省混合式海堤堤顶高程计算方法初探吴连颖，李卫红（浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州３１００１６）摘要：该文主要用浙江省海塘技术规定中的方法计算了断面复杂的混合式海堤的波浪爬高以及越浪量，并通过计算波浪爬高和越浪量来确定海堤的堤顶高程；结合实际工程中遇到的断面比较复杂的海堤，用不同方法进行计算，并对得出的结果进行分析比较；最后通过模型试验进行验证。
结果表明，对于复杂的混合式断面，现行规范规定的波浪爬高的计算方法不够完善，计算得到的结果往往偏大，而对越浪量的计算也有很大的局限性，最好通过断面波浪模型试验来分析验证。
关键词：混合式海堤；堤顶高程；计算方法；波浪爬高；越浪量；设计准则中图分类号：ＴＶ８７１文献标识码：Ａ文章编号：１００９－７７１６（２００９）０８－００８６－０４0引言浙江省海堤大部分建筑在软土地基上，根据整体稳定计算确定的断面往往比较大，而且通常在设计时还要考虑到亲水及景观等要求，诸多因素确定的海堤断面比较复杂，这也就导致确定堤顶高程也比较困难。
现有规范的公式跟工程设计的实际断面情况多有出入，只能根据经验进行简化，选择最适合的公式进行计算或者通过试验确定堤顶高程。
在海堤工程的各个参数中，堤顶高程的确定十分重要，它直接影响投资，所以堤顶高程的确定至关重要。
在对实际工程进行堤顶高程的设计中，对波浪爬高及越浪量计算有了一定的认识，现主要结合文献［１］就工程中遇到的典型的混合式海堤断面进行初步探讨。
1堤顶高程的计算方法堤顶高程的确定涉及到海堤工程的设防标准、设计潮位、堤前设计波要素、波浪爬高与海堤上的波浪越浪量以及海塘的结构型式。
浙江省海堤堤顶高程主要应用的是文献［１］进行计算。
1.1波浪爬高计算确定堤顶高程带有平台的复式斜坡的爬高计算，可先确定该断面的折算坡比ｍｅ，然后按坡比为ｍｅ单坡断面确定其爬高值。
但折算坡比法只适用于m 上＝１．０～４．０，m 下＝１．５～３．０的断面。
还有一种常见的断面是下部为斜坡式，上部为陡墙式（m 上≤０．４），上下坡之间带平台的复式断面结构，根据文献［１］可采用如下近似方法，作为粗估，供拟定海塘设计断面尺寸时采用。
第一种方法是把最外侧平台作为镇压层考虑，先计算两极挡墙的爬高值。
（１）当d 前≥２H １％，d w ＞１．５H １％，则波浪爬高值计算时边坡用ｍ上，再按（１）式计算：R F ％＝K ΔK V R ０H １％K p （１）式（１）中：Ｆ％为波浪爬高累积率，不允许越浪取２％，允许部分越浪取１３％（允许越浪指塘顶、内坡及坡脚有防冲刷保护及排水措施，大部分工程按照允许部分越浪计算）；K Δ为糙渗系数；K V 为风速的影响因子；K F ％为爬高累积率换算系数，若要求的R F ％所相应累积率的塘前波高H F ％已经破碎，则K F ＝１；R ０为不透水光滑斜面上的相对爬高，即当K Δ＝１．０，H ＝１．０时的爬高值。
（２）当d 前≤２H ，i ≤１１０，塘前按破碎波考虑，其爬高按（２）式计算：R=H ′＋（０．７５c ′＋v ′）２２g （２）式（２）中，H ′、C ′、V ′为破碎波高、波速及水质点轨迹速度；H ′可取d 前的极限波高H b ；C ′＝L ′T ′L ′为波长；V ′＝H ′2２πg L ′ｃｏｓｈ２πd L ′姨。
（３）当d 前≥２Ｈ，－１．０≤d w H≤１．０，时，爬高按（３）式计算：R=1.36（１．５HK Z th ２πd L－d w ）（３）式（３）中：ｄｗ为墙前水深，平台位于水下时，ｄｗ取正值，当平台位于水上时，ｄｗ取负值。
系数Ｋｚ，根据ζ＝d w d 姨姨d H姨姨２πH L，按图１确定。
H 值对不允许越浪取累积率２％的波高值，允许部分越浪累积率为１３％的波高值，所求得的Ｒ不再作爬高累计率之换算。
式（３）仅适用于m 上≤０．４，m 下＝１．５￣３．０，B ≤３H 斜坡陡墙均为砌石护面的情况。
防洪排水86２００９年８月第８期城市道桥与防洪最外侧的平台按镇压层考虑时，还需要将爬高值乘以压载系数K y。
K y值见表１。
当塘前d１≤１．５，且m≤１．５时，还需乘以K m，才是有压载时海塘上的波浪爬高值，K m值见表２。
表２中ｄ１、Ｂ分别为压载顶部的水深及压载宽度，Ｌ为平均波长，Ｈ取有效波高H１３％。
本条仅适用于m≥１．０的情况。
对于设有防浪墙的海塘，塘顶高程是防浪墙顶面的高程。
且塘顶高程安全超高（不计防浪墙的堤顶路面）需高出设计高潮位０．５倍百分之一大波波高，即高出０．５Ｈ１％。
塘顶高程的计算公式如下：Z p=H p+R F%+ΔH（４）式（４）中：Z p为设计频率的塘顶高程（ｍ）；H p 为设计频率高潮位（ｍ）；ΔH为安全超高值（ｍ）；R F%为按设计波浪计算的累计率为Ｆ％的波浪爬高值（ｍ）。
1.2按越浪量设计准则确定的堤顶高程文献［２］中提到，对于波浪汹涌的海塘，采用Ｒ１３％确定的塘顶高程仍然太高。
因此，确定塘顶高程时，有必要按允许最大越浪量控制。
但是由于大部分混合式海堤断面较复杂，很难在规范中找到适用条件与设计断面相似的经验公式进行越浪量的计算，只能取比较近似的公式。
按照文献［１］，无风条件下，直立塘１∶０．４陡坡上（带防浪墙）的越浪量根据式（５）计算：qTH軓g＝Ａｅｘｐ－BKΔ×H cT gH軓姨姨姨（５）式（５）中：q为单位时间单宽海塘上的越浪水量（ｍ３／ｓ·ｍ）；H c为挡浪墙顶至静止水位（设计高潮位）的高度（ｍ）；H为塘前平均波高（ｍ）；KΔ为糙渗系数，直立塘的A、B值见表３，表３中d S为塘前水深，H/L为塘前波陡。
向岸风会增加海塘上的越浪量。
增加的量值取决于相对海塘垂直方向的风速、风向及海塘的坡度和高度。
有风的越浪量为无风条件下的越浪量乘风校正因子Ｋ′。
K′＝１．０＋W fH cR＋０．姨姨１ｓｉｎθ（６）式（５）中W f取决于风速的系数，其值为：W f＝０V＝００．５V＝１３．４ｍ／ｓ２．０V＝２６．８ｍ／VVVV VVVVV VVｓθ为海塘临潮边坡坡角（°）；R为H１％波浪在海塘上的爬高值（ｍ）。
2工程实例2.1基本资料该工程实例为Ⅲ级海塘，设计重现期为５０ａ一遇，详见图２、表４。
2.2波浪爬高计算的堤顶高程结果综合考虑适用条件，该工程的爬高计算最符合式（２），但该实例就三种方法都进行计算，结果列于表５。
另外最外侧的平台按镇压层考虑时，还需要将爬高值乘以压载系数Ｋｙ。
但是该工程实例不适合文献［１］中的压载系数的算法，然而实例中波浪爬高值计算不考虑压载显然是不经济的，算出的堤顶高程明显偏大，翻阅了其它规范也没有这方面的计算依据，所以还是参考以上的计算方法来查表取值，查得ｋｇ≈０．８。
该工程５０ａ一遇高潮位为３．１０ｍ，只计算允许越浪的情况，安全超高值取０．４ｍ。
计算结果列于表５。
另一种做法也是利用了上述的公式，可以说是对以上方法进行了修正，即把高程为０．５ｍ的平台当作滩涂来考虑，推算到该级平台上的波浪要素和按照以上式（２）计算的爬高值以及确定的堤顶高程值见表６。
下级挡墙堤脚看作是整个工图1系数K z图表2系数K md１H mＢ／ｍ０．２０．４０．６０．８￣１．０１．０１．０１．３５１．２６１．２５１．１４１．５１．１６１．１０１．１０１．０３１．５１．０１．５０１．６０１．５０１．４０１．５１．３６１．４６１．３０１．２４表1压载系数K yＢ／ＬＬ／Ｈ０．２０．４０．６０．８≤１５２０２５≤１５２０２５≤１５２０２５≤１５２０２５０．８５０．９４０．９９０．７５０．８３０．８７０．７００．７８０．８１０．６８０．７５０．７９０．９２１．０３１．１３０．８６０．９６１．０６０．８１０．９１１．０００．７９０．８８０．９７０．９５１．１０１．１８０．９１１．０６１．１４０．８９１．０１１．１１０．８７１．０１１．０９０．９８１．０４１．１００．９６１．０２１．０８０．９３０．９９１．０４０．９２０．９８１．０３１．０d１H１．５２．０２．５防洪排水87城市道桥与防洪２００９年８月第８期程断面的堤脚，计算得到的波浪波长为３３．６２ｍ，距堤脚Ｌ／２波长处的涂面高程为０．５ｍ，所以符合把此平台当作滩涂来考虑的假设。
2.3按越浪量设计准则确定的堤顶高程结果用式（４）、式（５）计算出的越浪量见表７。
按以上方法计算的越浪量明显偏大很多，因为波浪越过第一级挡墙后，能量会消减很多，如何计算此工程实例的越浪量是个难题，所以求助于波浪试验来验证越浪量。
3模型试验实例模型试验在河海大学港口航道与海岸工程实验中心进行，模型按重力相似原理设计，比尺m ＝３１。
塘顶高程（防浪墙顶高程）按▽６．８ｍ做试验时，无风条件时越浪量０．００１６ｍ３／ｍ·ｓ。
若将防浪墙高程由▽６．８ｍ降至▽５．８ｍ，防浪墙迎浪面戗台标高▽２．８ｍ改为▽２．４ｍ，镇压层标高▽０．５ｍ降至▽０．０ｍ，无风条件下越浪量为０．０２５ｍ３／ｍ·ｓ，有风条件下０．０４４ｍ３／ｍ·ｓ。
允许部分越浪海塘除海塘外坡保护外，海塘顶面及内坡面（包括坡脚）均要保护。
文献［１］提供的设计频率波浪的最大允许越浪量Ｑ允＝０．０５ｍ３／ｍ·ｓ，是在海塘塘顶为混凝土或浆砌块石护面，内坡为干砌块石护面，垫层完好有效条件下的试验值。
本设计断面的堤顶和内坡均有保护，所以可以用此越浪量准则控制。
按照Ｑ允＝０．０５ｍ３／ｍ·ｓ的越浪量标准，堤顶高程按照▽６．８ｍ设计偏高，断面也大，如果按照▽５．８ｍ设计，刚好符合此标准。
爬高计算只是按照一些经验公式的结合，并不能反映真实的波浪爬高值，也应该通过波浪试验分析验证来确定。
文献［３］中指出，计算、实验和分析均表明现行规范规定按不允许越浪或允许越浪设计准则，在风浪较大的海堤上，不能反映越浪量的大小，同样按不允许越浪准则，相同设防标准下波浪特性或堤型不同时越浪量可能有一个量级以上的差别，而越浪量及抗越浪能力是决定海堤越浪风险的两个决定性因素，因此海堤设计应直接以控制越浪量为准则，这样做更科学，也更实用。
4结语本文是对复杂的工程断面堤顶高程的计算的表3直立塘A 、B 系数值H ／L H ／ｄｓ≤０．４H ／ｄｓ＞０．５０．０２￣０．０２５０．０２７５０．０３２５０．０３７５０．０４５０．０５￣０．１０．０２￣０．０２５０．０３￣０．０３４０．０５０．０６￣０．１系数Ａ０．００９８０．００８９０．００９９０．０１５６０．０１２６０．０２０３０．０２３８０．０２５１０．０１６７０．０１７６Ｂ４１．２２３１．２２７．７６２７．１９２４．８２４．２８５．６４５９．１１３３．２６２０．９６表4工程实例———堤断面参数及波浪参数上平台宽Ｂ／ｍ下平台宽Ｂ／ｍ挡墙坡比斜坡坡比平均波高H ／ｍ有效波高H ｓ／ｍH １％／ｍH ２％／ｍ破碎波高H ｂ／ｍ堤前半波长处水深平均波长L ／ｍ平均波周期T ／ｓ重现期风速v ／（ｍ／ｓ）７２００．４４３．１０４．２５４．８６４．８６４．８６７．１０５１．９１６．８９４２．８表5堤顶高程计算表注：按（１）计算爬高时，确定Ｒ０时，坡度ｍ取０．４，因为两级挡墙的坡度不能按照折算坡比法来确定。