（水利工程专业论文）浙东开敞式海区海塘工程建设实践与探讨.pdf

摘要 本文以浙东开敞式海区海塘工程建设为例，探讨了开敞式海区软土地基海 塘设计的关键技术，提出了海塘结构要按“漫而不垮、伤而不垮”的原则设计 成控制允许最大越浪量的矮胖型“三面光”结构，主要研究内容有： ( 1 ) 根据浙东开敞式海区海塘的概况、工程环境和特点、塘型选择以及海 塘建设情况等，分析了浙东开敞式海区海塘在历次台风暴潮中的损毁原因和海 塘工程的防潮标准。研究表明，海塘工程防潮标准的确定，应综合考虑风暴潮 机率、地质、地貌条件、海堤工程承担的任务等因素。 ( 2 ) 对海塘工程设计高潮位、波浪要素及塘顶设计高程、允许部分越浪水 量的设计方法进行了分析，并结合浙东开敞式海区海塘设计，研究了提高工程 安全性的具体工程措施。 ( 3 ) 分析了波浪对海塘的作用机理，并对波浪作用下引起海塘损坏的成因 进行了研究。在此基础上，提出了确定海塘工程断面的基本原则，综合分析了 海塘迎水面的消浪及护坡措施。 ( 4 ) 结合龙湾丁山一期围垦标准塘工程，通过模型试验，研究了在特定的 允许越浪量标准下，海塘结构的安全性。 ( 5 ) 对龙湾丁山一期围垦标准塘工程设计方案进行了对比分析，据此研究 了软土地基上修筑海塘的有效方案和确定塘顶高程的原则。 关键词：浙东开敞式海区、海塘工程、结构设计、模型试验 a b s t r a c t b a s e do nt h ee x a m p l eo ft h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o no ft h eo p e ns e ac o a s t a l l e v e e i n z h e d o n g t h ek e yd e s i g nt e c h n i q u e s f o rt h ec o n s t r u c t i o no n s o f t s o i l f o u n d a t i o no r ed i s c u s s e d a n dt h es p e c i a ld u m p ys t r u c t u r el sp u tf o r w a r df o r t h es t r u c t u r eo f t h ec o a s t a ll e v e e t h em a i ns t u d i e sa l el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h eg e n e r a ls i t u a t i o n ，e n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n ta n df e a t u r e s ，t h e c h o i c eo f t h et y p e 。a n dt h es t a t eo f t h ec o n s t r u c t i o no f t h ez h e d o n go p e nc o a s t a ll e v e e t h ed a m a g ec a u s e sa n dt h et i d e - r e s i s t a n ts t a n d a r d sa r ea n a l y z e d 。t h es t u d yi n d i c a t e s t h a tt h ep r o b a b i l i t yo f s t o r m - t i d e ，c o n d i t i o n so f g e o l o g ya n dl a n df o r m ，a n dt h et a s ko f t h ec o a s t a ll e v e em u s tb es y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e d 。 2 t h ed e s i g nm e t h o d sf o rt h ed e s i g nh i g ht i d ei e v e l ，w a v ee l e m e n tf a c t o r s ，t h e d e s i g na l t i t u d eo ft h ec r e s ta n dt h ee n a b l ep a r tw a v eo v e r t o p p i n gd i s c h a r g ea l e a n a l y z e d ，w i t ht h ed e s i g no f t h ez h e d o n g st y p e ，t h es p e c i a le n g i n e e r i 鞋gm e a s u r e sa l e s t u d i e df o ru p g r a d i n gt h ee n g i n e e r i n g ss a f e t y 3 t h ew a v e s m e c h a n i s mo f a c t i o no nc o a s t a l l e v e ea l ea n a l y z e d a n dt h eo r i g i n s o fc o a s t a l e v e e d a m a g eu n d e rt h ea c t i o no fw a v e sa r es t u d i e d 弧e 1 1 , t h eb a s i c p r i n c i p l e sf o rt h ed e t e r m i n ea t i o no fc o a s t a ll e v e ec r o s s s e c t i o na r ep r e s e n t e d 。a n dt h e m e a s u r e sf o rw e a k e n i n gt h ew a v e sa n dp r o t e c t i n gt h es l o p ei nf r o n to fc o a s t a l l e v e e s a r es y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d 4 c o m b i n e dw i t hf i r s ts t a n d a r dc o a s t a ll e v e ee n g i n e e r i n gi nl o n g w a n d i n g s h a n ，u s i n gt h e m o d e lt e s t ，t h es a f e t yo ft h ec o a s t a ll e v e es t r u c t u r ei sr e s e a r c h e du n d e rt h es p e c i a le n a b l e o v e r t o p p i n gd i s c h a r g e 。 5 c o m p a r e dw i t ht h ef i r s te n g i n e e r i n go fl o n g w a n d i n g s h a n ，t h ee f f e c t i v e p r o g r a mf o rb u i l d i n gc o a s t a ll e v e eo ns o r - s o i l - f o u n d a t i o n sa n dt h ep r i n c i p l e sf o r d e t e r m i n a t i n gt h ec o a s t a ll e v e ea l t i t u d e sa l es t u d i e d k e o r d s ：z h e d o n go p e ns e a ，c o a s t ml e v e e ，s t r u c t u r ed e s i g n ，m o d e l t e s t 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 浙东海塘位于浙江省东部沿海，介于东经1 2 0 。5 3 1 2 3 。，北纬2 7 。0 2 3 0 。5 77 之间。本文所指的开敞式海区，为舟山群岛外侧海域至温州苍南 与福建省交界处，面向大海，以受外海涌浪或混合浪影响为主的海岸线地区。 工程区域海岸线蜿蜒曲折、港湾河口众多，主要有杭州湾、象山港、三门湾、 台州湾、乐清湾、温州湾、大鱼湾以及钱塘江、甬江、椒江、瓯江、飞云江、 敖江等河口。浙东沿海按其海域地理特征大致可划分北部、中部和南部三个区 域，北部系指宁波市慈溪、镇海、北仑海滨及舟山群岛等：中部为象山港、三 门湾、台, j 4 i 湾及温黄( 温岭、黄岩) 海滨：南部指乐清湾、瓯江口、温州湾、 飞云江口、敖江口一带。海岸线共计长约6 5 0 0 余k m ( 包括岛屿部分) 。由于海 岸沿线有山体岬角分隔、浙东海塘呈断续分布，漫长而分散。陆域部分的海塘 自杭州湾南岸上虞市夏盖山起，经宁波北仑峙头角折向南，沿着台州、温州海 岸直至苍南县马站与福建省毗邻。岛屿部分的海塘主要分布在舟山群岛。浙东 海塘一线塘总计长度1 7 3 2 k i n ( 含岛屿海塘近5 0 0 h r , ) ，其中海塘保护耕地面积， 陆域在万亩以上，岛屿在千亩以上的及保护重要城镇及基础设施的列为重要海 塘，累计长度1 0 2 7 k m 。浙东海塘分布按行政区域划分有宁波市、台州市、温州 市及舟山市等四市，共计3 0 个县( 市、区) ，合计保护耕地6 0 0 多万亩，保护人 口1 6 0 0 万人，傈护区内国内生产总值为1 6 3 0 亿元，占全省的4 0 ，地方财政 收入6 0 亿元，占全省的4 5 ( 以上为1 9 9 6 年统计年鉴资料) ，并且区内还有机 场、码头、高速公路、重要电厂等能源、交通基础设施。 浙江省人多地少，浙中、浙西大多为丘陵山区，平原主要分布在东部，大 致为“七山一水二分田”。沿海平原地势平坦，河网密布。受浙东海塘保护的平 原，自北而南，主要分布有姚北( 上虞、余姚、慈溪) 、宁奉( 宁波、奉化) 、温黄 临( 温岭、黄岩、临海) 、温瑞平苍( 温州、瑞安、平阳、苍南) 等平原。上述平原 面积约占全省平原总面积的3 4 。由于优越的地理气候条件，浙东平原经济、 文化历来发达，人口密集，素有鱼米之乡，文化之邦之称。建国后，尤其改革 开放以后，工农业及第三产业蓬勃发展，成为浙江省的重要经济和财税地区。 浙东沿海位于北半球的中纬度区，季风活动剧烈，在这特定的自然地理环 境条件下，天文潮潮差大，属强潮海区；每年盛夏常有台风侵袭，并且台风影 响范围广，浙东沿海又面临广阔的东海大陆架，有利于风暴潮的发展和天文潮 波幅的增大，故在每年7 一l o 月台风期，浙东海塘时常遭受台风暴潮狂风巨浪 的破坏。在浙登陆或贴岸转向的台风约每二年一次，台风在我省登陆地点自南 而北均有出现，其中受灾严重的几次强台风分别在温州瑞安，台州温岭、三门， 宁波象山等地登陆。台风对海塘的破坏力大，并酿成灾害，甚至发生重大经济 损失和人员伤亡，其中尤以1 9 9 4 年1 7 号台风( 以下简称“9 4 1 7 ”号台风) 和 1 9 9 7 年“号台风( 以下简称“9 7 1 l ”号台风) 对我省沿海地区造成的损失更 为惨重。 台风入侵是由浙江省所处的特殊地理位置决定的，是不可避免的。由于浙 东沿海人口密集，近二十年经济发展迅速，台灾日趋严重，损失呈直线上升， 成为省政府和沿海各级政府和广大群众的心腹之患。海塘工程是抗台御潮的唯 一屏障。在浙东标准海塘建成以前，原有浙东海塘防潮能力低，大多建于上世 纪6 0 8 0 年代。因浙东海塘大多为地方自建，普遍存在海塘高程不足，塘身及 防潮浪结构单薄，故海塘防御台风暴潮和抗风浪冲刷的能力很低，大多数仅达 5 1 0 年一遇防御标准，以致出现屡遭水毁和严重潮灾现象。从2 0 世纪8 0 年 代起，浙江省已开始注重海塘建设规划工作。根据当时沿海实测潮位、风速资 料和各地经济、技术水平，制订了浙江省海塘工程技术规定，要求各地按该 规定进行标准海塘的规划和建设沂谓“标准塘”即是按当时财力、物力所确定 的具有一定防御标准的海塘) 。2 0 世纪9 0 年代初在浙江省政府领导和组织下， 各地区分别制定了海塘建设初步规划，并逐渐加以修订完善。 到1 9 9 4 年8 月止，已建成一定标准的海塘共5 3 0 k m ，其防御能力以2 0 年 一遇标准的居多，且结构比较单一，仅注重迎潮面防护和塘顶高程达标建设。 1 9 9 4 年1 7 号台风袭击浙东沿海南部地区，出现了1 0 0 年一遇的高潮位，风力 达1 2 级以上，毁坏海塘5 2 0 k m 。通过分析总结，认识到海塘的塘顶和背水坡未 加保护是防御超标准台风暴潮的主要薄弱环节，仅仅注重迎潮面保护和塘顶高 程是不够的。随后浙江省下发了浙东海塘若干技术问题的意见，并按此意见 2 进行水毁海塘的修复和标准海塘的建设，新建的标准海塘在“9 7 1 1 ”台风暴潮 中，基本完好。“9 7 1 1 ”台风后我省又组织专家研讨论证，对指导浙东海塘的修 复及标准塘建设又提出了浙东标准海塘建设若干问题的意见。“9 7 1 1 ”号台 风后，浙江省委、省政府决心用三到四年时间，投入5 0 亿元，建设一千公里高 标准海塘，重要城市达到1 0 0 年一遇，多数地段达到5 0 年一遇。浙江省九届人 大一次会议通过的政府工作报告，把沿海千里标准海塘建设作为新一届政府任 期内要完成的第一件大事。浙江省从省委、省政府到沿海各级党委、政府都把 标准海塘建设列为水利第一号工程来抓，领导力度之大前所未有在浙江沿海 地区掀起了建设标准海塘的高潮。经过3 年的艰苦努力，到2 0 0 1 年已基本如期 建成浙东千里标准海塘。 1 2 浙东开敞式海区海塘在历次台风暴潮中的损毁原因分 析 1 2 1 潮灾情况 浙江省地处北半球中纬度区，季风活动剧烈，受台风侵袭频繁。台风在西 太平洋形成后向西北方向移动将直接袭击或影响本省，平均每年约3 6 个，在 浙登陆或贴岸转向的台风约每二年一次，台风在本省登陆地点自南而北均有出 现，其中受灾严重的几次强台风分别在温州瑞安，台州温岭、三门，宁波象山 等地登陆。台风对海塘的破坏力大，并酿成灾害，甚至发生重大经济损失和人 员伤亡，其中尤以“9 4 1 7 ”和“9 7 1 1 ”强台风造成的损失更为惨重。 1 9 9 4 年8 月2 1 日( 农历7 月1 5 日) 1 7 号台风在温州原瑞安市梅头镇登陆， 中心气压9 5 k p a ，台风中心附近最大风速在4 0 5 0 m s 。1 2 级以上风力风区遍 布温州苍南至宁波象山沿海一带，大风力持续时间3 1 1 小时，风力强度及持 续时间均属罕见，海塘前沿波高一般达2 3 m ，海塘外坡波浪爬高3 4 m ，损 毁海塘累计长5 2 0 k m ，其中全毁1 8 3 k m 。温州、瑞安、龙湾、瓯海和乐清等地 二线海塘均被海浪冲毁，海水倒灌，潮淹水深1 5 3 m ，大片农田及城镇工矿 企业受淹，海水直接淹没面积达7 5 万亩，死亡1 1 4 2 人，造成直接经济损失1 2 4 亿元。 3 事隔三年浙东海塘又再次遭受强台风袭击并造成更大灾害。1 9 9 7 年8 月 1 8 日( 农历7 月1 6 日) 1 l 号台风在台州市温岭石塘登陆，中心气压9 5 5 k p a ，台 风中心最大风力1 2 级以上，大陈岛最大风速为5 7 m s ，台州市椒江区风速为 4 0 m s ，1 0 级风区半径达1 8 0 k m ，台风强度及影响面超过了“9 4 1 7 ”台风。在 “9 7 1 l ”号台风暴潮影响下，浙东沿海自台州湾向北至杭州湾沿海及河口地区 均突破历史最高潮位记录，超过的幅度达0 3 1 o m 。由于大量水体漫过塘顶或 风浪水体越顶强烈冲刷，造成了椒江、三门、象山、宁海等地海塘全线崩溃， 浙东海塘损坏总计长达8 0 0 k m ，其中全毁2 7 6 k m ，严重损毁2 9 8 1 a n ，海水倒灌 淹没农田9 l 万亩，海水涌进城镇2 8 个，造成直接经济损失达1 9 8 亿元，虽经 我省组织1 2 0 余万人大转移，但仍有2 3 6 人死亡。对浙江的经济影响巨大。 1 2 _ 2 海塘损毁原因分析 对台风暴潮，尤其是“9 4 1 7 ”号、“9 7 1 1 ”号台风造成大范围海塘损毁的原 因，已有多人进行过探讨，归纳起来有以下认识。 朱立澄( 1 9 9 5 ) 等认为，除了9 4 1 7 号台风引起超百年的风暴潮等人力无法 抗拒的原因外，在海塘建设方面存在以下一些问题： ( 1 ) 海塘塘顶高程一般由设计高潮位加波浪爬高值加安全超高值确定。我 省的海塘工程除保护范围很大，有重大工业设施采用的设计标准为5 0 年一遇以 上者，一般性的工程大多在1 0 2 0 年一遇，不允许越浪。塘顶高程，1 0 年一 遇的约在6 1 6 6 m ，2 0 年的在7 1 7 6 m 左右( 黄海高程基面) ，对风区特长， 涂面较低的海塘则达1 0 5 m ，为增加堤身稳定，减少投资，把挡浪墙顶作为设 计的高程。塘顶高程比挡浪墙低1 o m ，且大多数没有考虑到超标准时越浪过水 的恶劣情况下对塘顶、内坡的保护措旌，因此，塘顶过水后的抗御能力极差。 “9 4 1 7 ”号台风的风浪潮都为百年不遇，大大超过设计标准。狂风掀起的巨浪 不断的撞击海塘外侧直立坡。激起的阵阵水体超过挡浪墙顶高度4 5 m ，有的 甚至达十多米，然后坠落到塘顶的内坡上，冲蚀塘顶和内坡，致使挡浪墙内侧 墙脚被掏空，墙体失稳向内侧倒坍，从而更加大了塘顶的过水深度，加剧了塘 身土方冲刷，造成溃决。由于越顶的水体和持续时间不同，海塘损毁的程度和 部位也不同。从现场调查，明显存在上述冲毁过程的痕迹。有些塘顶进行保护 4 的堤段在这次强台风中经受住了考验，如丁山一期工程主堤的右端6 0 0 m ，因内 侧砌体稳定，堤顶又有一层厚0 1 2 m 混凝土保护，内坡土方虽已冲损到6 m 高 程，但主石坝却完整无损，这是一个很使人受到启发的例子。就是低标准的塘， 若在堤体结构上加以改进，提高结构上的强度，也可以抗住超标准风浪的冲击。 ( 2 ) 防浪墙高度偏高，宽度偏窄，与堤体结合不良，砌筑质量不合要求， 致使不少防浪墙不堪一击，形同虚设，无形中降低了堤顶高程。浙江省海塘的 挡浪墙高度一般约1 o m ，有的高达1 5 m 。当在超标准风浪不断冲击下，有两种 破坏情况：其一，外护坡块石砌筑质量好，但挡浪墙基础浅，有的直接砌在堤 顶上，在浪击下稳定性不足而整段向内推倒，其二，外护坡质量不好f 块石小、 施工质量差) ，当在潮浪冲击下，首先把上部护坡拖泄，掏空墙脚失稳而向外倒 坍，当风浪持续时间长，堤身就冲毁。 ( 3 ) 规划不周、管理不善调查中发现有的工程在规划上考虑不周，围区 排涝标准过低，排水闸规模小，当暴雨集中，山洪暴发，整个围区形成了滞洪 库，当退潮后，排水闸泄水慢，形成超设计的水位差，海塘向外滑塌，有的在 内坡堤脚种木麻黄树，台风把树根拔起，损及堤身，有的围区主堤和隔堤不是 同一标准，潮浪就把低标准堤段冲开，毁及全工程，有的外面新建一线海塘， 二、三线海塘受到人为毁坏，结果一线塘倒坍后，潮浪长驱直入：有的海塘建 成后，长期不维护，以致堤身沉降，护坡变形，堤顶高程下降，实际上降低了 海塘的防御标准 ( 4 ) 海塘上的水闸、涵洞及码头通道等设计施工不规范，审查不严格，甚 至不审查，特别是由原来的种植业改成水产养殖业，有的养殖户自己马马虎虎 把纳潮闸做在重要海塘上，造成薄弱环节，在这次台毁中是十闸九倒，形成决 口。 ( 5 ) 海塘建造的质量好坏关系到海塘是否真正的达到设计的防御标准因 此施工单位的技术素质、管理水平大有讲究，我们在实地调查中石方施工质量 好差看得清楚，掌握质量严格，砌筑质量好的堤段，损失就小，有的掌握质量 不严，石块小、石质有风化、砌筑质量差，砌筑方法不对( 分层干砌，不是犬牙 交错砌】，以致于干砌体成为松散体，浆砌体偷工减料，浆砌厚度大大不足，砂 浆吃不饱，成为表面“涂脂抹粉，“穿衣戴帽”，这次就受到了惩罚。 5 徐承祥( 1 9 9 8 ) 等对9 7 1 l 号台风造成海塘损毁的原因有以下看法： ( 1 ) 海塘标准低 台州市、舟山市的海塘工程标准普遍只有5 一l o 年一遇，少数达2 0 年一遇， 也是分期实施，大部分海塘结构标准尚未达到相应的2 0 年一遇，用这样低标准 的海塘去抵御历史最高潮位是不够的，必然被破坏。 ( 2 ) 海塘工程的结构断面较单薄 这次破坏的很多海塘都是在原有标准塘基础上加固加高的，有穿衣戴帽之 感，这些都是历史原因造成的，再加上对塘顶、内坡保护没有引起高度重视， 面对高潮位漫顶过水，潮水淘冲塘身内侧，最终造成海塘破坏。 ( 3 ) 海塘总体规划缺乏一致性 如海塘破坏先从涵闸与海塘连接薄弱部位开始，这次海塘破坏的另一事实 是由于塘闸标准不一，同一闭合区内塘塘之间标准也不一，此外不同材料介质 之间未处理好衔接关系而引起的破坏也不少。 ( 4 ) 设计方面的问题 玉环县苔山塘迎潮面外坡护面结构为干砌块石加砂浆勾缝，在遭受高潮位、 强风浪冲击时，对护面产生负压，水体不能及时从砌石体中排出，从而造成护 面的剥离而破坏。温岭市八一塘地理位置基本相同，但海塘护面没有进行砂浆 勾缝，这次台风中未遭破坏，两条海塘形成鲜明的对比。 ( 5 ) 海塘塘线主风向布置欠科学 由于台风移动是逆时针旋转，东北向风力最强，因此在同一设计标准和结 构的情况下，主风向塘线布置不同的海塘破坏情况就完全两样，如三门县浦坡 港南岸的浦坝塘几乎就没有损失，而北岸的建设塘、蟹山塘破坏就较为严重。 ( 6 ) 海塘工程建成后的后续管理不善 主要表现在已建的海塘上未经水利部门批准，任意开缺口、埋管，建码头、 栈道、旱闸等，更有甚者占堤建厂、堆料场，仓库等。另外对二线塘的保护缺 乏有力的措施，致使二线塘体被破坏( 土体被用作制砖等) ，削弱了海塘工程整 体的防御能力。 浙江海塘受台风暴潮、涌潮和大浪的冲击机率大，又多为软土地基，原工 程结构薄弱，故海塘常有损毁。通过破坏事例分析，作者认为，海塘损毁原因 6 大致可归纳为以下几点： 1 1 原海塘设计按不允许越浪考虑，堤顶或内坡没有采取足够的护坡措施， 而原设计标准又仅为1 0 年或2 0 年一遇，海塘顶高程偏低，台风和天文大潮相 遇形成异常高潮位，潮浪漫顶决口；， 2 ) 塘身填土质量差，在高水位作用下，发生渗漏而导致溃决； 3 1 海塘结构单薄，不耐风浪或强潮冲刷，导致护坡损毁和塘身土体剥蚀崩 坍； 4 ) 海塘塘前滩地刷深较低时，出现塘身外倾或整体滑动，发生坍毁； 5 ) 交叉建筑物与海塘接合部位薄弱或存在隐患，高水位时发生集中渗漏而 溃决。 1 3 本文主要工作 在海洋中风区的宽度与长度同一量级，风区宽度对风浪的成长所起的限制 作用影响甚小，可以略而不计。但在海湾、河口、水库、湖泊、河流等封闭或 半封闭的有限水域中，风区受周围陆地形态的限制，其宽度常远小于其长度， 使风浪的成长受到限制。在同样条件下，有限水域中的风浪尺度，将比敞海中 的风浪尺度显著减小。 而在浙东开敞式海区，海塘前方不受岛屿遮挡，直接朝向外海，海域宽广， 同时受外海涌浪影响，无风也有三尺浪。台风时受风浪和涌浪的混合作用，其 波要素有时是局部风区海湾内风浪的三倍以上，破坏力巨大，对沿海海塘构成 严重威胁。浙东沿海多为涨淤型岸滩，大多属淤泥质土性，塘基地质条件复杂， 含水量高，具有高压缩性、低强度、低渗透性，因此海塘修建高度受到限制。 塘顶高程是指海塘沉降稳定后的高程。根据文献1 1 1 的规定，塘顶设计高程 的计算，按本文式( 2 7 ) 确定。 事实上，对浙东开敞式海区海塘工程而言，由于开敞式海区较大的波浪及 其在海塘上的爬高，按本文式( 2 7 ) 计算所得的塘顶设计高程，即使按允许越浪 考虑，仍然大大高于设计高潮位。若按此高度在软土地基上修建海塘，只有在 高滩上筑塘才有可能。在水深稍大的海区，塘身必然较高，因此所需的巨大断 面以及工程量是无法负担的。 7 作者认为，在软土地基上修建海塘，可在保证设计高潮位以上一定塘顶超 高值( 不计防浪墙) 和控制允许最大越浪量的前提下，适当降低设计塘顶高程。 而允许越浪量大小的确定，一是以海塘结构本身不受损毁为标准，因此应改变 以往忽视海塘塘项尤其是内坡保护的做法，对海塘结构的三面( 外坡、塘顶、 内坡) 都应护坡保护；二是以海塘保护区所能承受的水量为标准。对于浙江大 多数海塘而言，一般远离生活区，加之，高潮位持续的时间一般1 2 小时，只 要海塘本身不损毁，越浪进入保护区的海水毕竟有限，而低潮位时可采用排水 措施减小保护区内的积水，故少量的进水是可以接受的。所以，这些海塘的允 许越浪主要是以内坡与塘顶不受破坏为标准，采用允许最大越浪量确定塘顶高 程。而允许越浪量的确定，以及应如何加强海塘塘顶和内坡的保护，都值得研 究。 本文所做的主要工作：( 1 ) 探讨了浙东开敞式海区在软土地基上修建海塘 的防浪特性；( 2 ) 结合具体工程实践，通过模型试验，研究在特定的允许越浪 量标准下，海塘结构是否安全；( 3 ) 结合工程实例分析，探讨了浙东开敞式海 区海塘的结构设计特点；( 4 ) 对浙东开敞式海区标准海塘工程建设实践中的其 它一些问题进行了探讨。 第二章浙东开敞式海区海塘的防浪特性研究 2 1 浙江海塘工程防潮标准分析 2 1 1 防潮标准 文献【1 1 】规定，浙江海塘工程等级和设防标准，根据防护区内各类防护对象 的规模和重要性，参照现行国家标准防洪标准( g b 5 0 2 0 1 9 4 ) 及塘防工程 设计规范( g b 5 0 2 8 9 8 ) ，结合浙江省实际情况确定。海塘工程的等级和设防标 准应符合表2 1 的规定。 表2 1 海塘工程等级和设防标准表 海塘工程等级ii iv 设计重现期( 年)2 0 0 以上1 0 05 02 01 0 人口1 5 0 万人口5 0 人口l o 5 0人口1 1 0人口o 1 1 城市以上特别l o o 万重 万城市万城镇万乡镇 防 重要城市要城市 护1 0 0 万亩 5 l o o 万亩 对农村以上大片l 5 万亩1 万亩以下 平原 象平原 工矿企业、 特大型 大型中型中型小型 基础设施 注：( 1 ) 海塘防护对象中的人口、耕地是指整个闭合区内的，包括备塘万一溃决 潮水影响的范围。( 2 ) 表中作为分等级指标的城市人口、农田面积、工矿企业和 基础设施，满足其中一项即可。( 3 ) 防护区内如有几个不同类别的防护对象时， 应按要求较高的防护对象工程等级确定；防护对象同时满足同一级别的2 3 项 指标的，经过论证其级别可提高一等。( 4 ) 我省沿海地区经济发达，人口密集， v 级海塘也可按照表2 1 提高一个等级：海岛地区较大陆地区可提高一个 等级。 关于海塘工程防潮标准，在查阅文献、调研有关工程实例的基础上，结合 9 各地海塘工程的具体情况，在拟定防潮标准时应注意下列几点： ( 1 ) 根据风暴潮机率及地形选择防潮标准 台风经常登陆地区、特殊地形的海岸港湾的海塘，建设标准应适当提高。 我国的风暴潮灾害虽然遍及沿海各地区，但由于各海区所处的地理位置不同， 遭受风暴潮侵袭的机率和灾害程度相差很大。在台风频繁登陆地区和严重的风 暴潮灾害集中发生区，如广东、海南、福建、浙江等省份，海岸线面向外海， 潮差大，海塘工程的设计风暴潮重现期取值相对于其他地区要高，同时还必须 考虑较高的风速和较大的吹程影响，在海岸地形地势特殊，如大尺度弯曲海岸 的山东半岛、雷州半岛，形状类似口袋的杭州湾、雷州湾等风暴潮增水值较大 的岸段，堤防超高值均应取计算值的上限。在渤海湾的河北、天津、辽宁等地 区，海岸线位于内海，潮差小，台风直接登陆机率小，风暴潮增水的绝对值较 小，海塘设计风暴潮标准在设计风速和吹程的取值上均可适当降低。 ( 2 ) 不同地质、地貌条件的海塘在标准上应区别 对待由于海岸线的地质成因不同，形成的地貌现状也不同，使海塘建设标 准存在较大差别。在淤泥质海岸，由于海岸线宽阔平缓，潮水上溯距离远，保 护区范围内的保护对象多、规模大，因此要求的设计风暴潮标准相对较高；同 时这一地区的潮差较小，不同频率潮位的绝对值相差不大，因此在该类地质条 件下修建的海塘，设计风暴潮重现期可取较高值淤泥质海岸上一般堤线是连 续的，可与入海河流的河口塘共同组成海堤工程体系在基岩海港式海岸，港 湾多、低山丘陵多，岸坡陡，岸线濉涂狭长，潮水上溯距离短，潮水影响范围 相对较小由于在此类岸线上的海塘保护区相对独立，潮差大，不同频率的潮 位绝对值相差较大，因此这类海塘的设计风暴潮重现期可取相对较低值，设计 风速与吹程则应视不同情况具体确定。 ( 3 ) 海塘工程承担的任务不同，设计标准存在差别 在沿海一些地区，特别是沿海城市海堤段，城市建设与发展，要求海塘工 程不仅满足最基本的挡潮、防潮功能，同时还要求海塘建设与城市道路建设、 城市绿化美化、老城区改造等多项任务结合进行，其他功能对海塘工程建设的 标准可能会远高于防风暴潮的标准。例如，结合城市道路建设和绿化美化时， 海塘防潮标准还应满足城市道路对抵御风暴潮的要求，基础处理要达到公路建 设标准，堤顶宽度要满足城市道路要求，海塘工程两侧边坡要适合城市美化和 绿化要求等，综合功能使海塘建设的工程量包括基础处理工程量和建筑材料大 幅度增加。对同一段海塘，仅按照防风暴潮单一功能建设与结合其他功能的海 塘在单位长度投资上可以相差几倍甚至几十倍，因此对这类海塘工程的设计标 准，应对多种方案进行分析计算，提出各方案的技术经济指标，综合分析确定。 ( 4 ) 海塘的设计标准和超高值的确定 海塘在选用设计潮位和确定超高值时，应考虑风暴潮与天文潮遭遇而形成 的高潮位和加大增水值的情况、风暴潮与台风暴雨遭遇、江河水位与海岸潮位 相互顶托，使潮位值进一步增高的特殊情况。我国沿海地区重点海塘工程防风 暴潮的规划设计标准为：重要海塘防御5 0 1 0 0 年一遇风暴潮，其中特别重要的 城市堤段防御2 0 0 年一遇或以上的风暴潮，一般地区防御2 0 5 0 年一遇风暴潮。 在考虑设计风速和吹程对堤防超高值的影响时，堤防工程设计规范中对波浪 爬高和风壅水面高的计算以及风力取值未做具体规定，各地区根据各段海塘所 处地理位置、受风力影响程度等，按实际情况分析采用。浙江省城市海塘工程 的标准是在l o o 年一遇的高潮位下加同频率风速的影响，这是由于台风常常发 生在每年的7 9 月，如遇天文大潮，大潮高潮位常与台风大浪相遇，因此，高 潮位与波浪取为同一重现期设计。而上海市、青岛市在1 0 0 年遇高潮位下加 1 2 级风影响：天津市在1 0 0 年一遇高潮位下加7 级风影响。 ( 5 ) 根据不同的防线设立防潮标准 既要考虑一线塘的防潮标准，也要考虑二线塘的防潮标准，从而形成一个 系统的防潮标准。例如一线塘工程规模不大，开发目标为一般的水产养殖，按 文献 1 l 】的规定只能定为v 级海塘1 0 年一遇设计标准。但考虑n - - 线塘保护面 积较大，又有重要设施，二线塘本身技术现状也较差，则一线塘的标准应提高： 同时相应调整二线塘的技术标准。如一线塘2 0 年标准，二线塘也有相当的防潮 标准，当一线塘抗击不了超标准的风浪冲击而倒塌，潮浪虽能冲击二线塘，但 由于其本身具有的抗潮能力和一线塘所起到阻滞、延缓时间的作用，损失只局 限于小范围内。从潮位意义上讲，这个系统的防潮标准可能达到5 0 年一遇的标 准。所以应建立一个一、二线的系统设计标准。 2 1 2 重现期和遭遇概率 随机变量等于或大于某一给定值的连续两次事件出现的平均时间间隔称为 该随机变量的重现期。例如，重现期为5 0 年的年最高潮位意为等于或大于该潮 位的年最高潮位平均每5 0 年出现一次。 重现期的概念比较简单，故应用较广泛。但这一概念常易被误解或误用。 例如，认为按重现期为5 0 年或习称5 0 年一遇的年最高潮位设计的海塘，可以 安全使用5 0 年。这种理解是不正确的。重现期所能提供的信息为，亦仅仅为在 漫长的时间内，某一事件出现的平均时间间隔。因此，如设计年最高潮位的重 现期为5 0 年，则可以期望在1 0 0 0 0 年内，有2 0 0 年的年最高潮位等于或超过这 一设计值。至于在今后若干年内，能以何种程度期望海塘的安全运转，则需引 入遭遇概率的概念。 设t 为随机变量x x 的重现期，r 为测取每一资料点据的平均时间间隔。 例如，如取年最高潮位进行分析，则r 为一年。所谓遭遇概率，是指在规定的s 期间内，x x 的出现概率。例如，在海塘的设计寿命s 年内，年最高潮位等于 或超过重现期为t 年的设计高潮位的出现概率，用e 表示。他们之间的关系为： e = 1 一( 1 一三) 别 ( 2 1 ) 如s 、t 以年计，r 等于一年，则式( 2 1 ) 简化为： 1 e = 1 - ( 1 一去) 5 ( 2 2 ) 举例而言，如设计寿命s = 5 0 年，设计遭遇概率e = 0 1 0 ，则设计重现期应 为4 7 5 年。当t = s 时，由式( 2 2 ) 可求得相应的e 值，如表2 2 所示。 表2 2 当t = s 时，由式( 2 2 ) 确定的e 值 t = s51 01 52 02 53 04 05 0 。 e0 6 7 20 6 5 l0 6 4 50 6 4 20 6 4 00 6 3 80 6 3 70 6 3 60 6 3 2 由表中数值可见，如海塘的设计高潮位的重现期为5 0 年，海塘的设计使用 年限为5 0 年则在5 0 年内，年最高潮位等于或超过设计高潮位至少出现一次 的概率或遭遇概率为o 6 3 6 。 1 2 2 2 设计高潮位及波浪要素的计算分析 2 2 1 设计高潮位的确定 文献 1 1 规定，浙江省海塘设计高潮位按以下办法确定： ( 1 ) 设计重现期的高潮位值采用频率分析的方法确定，应具有不少于连续 2 0 年的年最高潮位资料，并应调查历史上出现的特高潮位值。 ( 2 ) 本规定已根据沿海潮位站至今实测的潮位资料经频率分析后，给出不 同重现期设计高潮位查算图表。级以下海塘的设计高潮位，可根据海塘所在 位置直接查算。即在文献【1 1 】附i 虱- - 1 - _ ，按海塘所在位置与相邻站距离进行直线 内插，或查文献【1 1 】附表一得出不同重现期的设计高潮位。 ( 3 ) i i 级海塘的设计高潮位，除按图表直接查算外，还应按本规定进 行专题频率分析计算复核。对人类活动影响和河床冲淤变化大，洪水、潮汐共 同作用的河口段，也应作专题研究。 至于具体频率分析的方法，按所采用的理论频率分布曲线的不同而异。在 确定设计高潮位时，常采用皮尔逊型频率分布曲线和耿贝尔极值i 型分布曲 线。 2 2 2 深水设计波要素的计算 波浪的设计标准包括：( 1 ) 设计波浪的重现期；( 2 ) 设计波高的波列累积 率。文献【1 1 规定，浙江省海塘波浪的设计重现期采用与设计高潮位相同的重现 期；对于直立式、斜坡式海塘强度、稳定性的计算，设计波高( h f ) 的波列 累积率按表2 - 3 采用： 1 3 表2 3 设计波高的波列累积率 海塘型式部位计算内容波高累积率( f ) 防浪墙、墙身、闸门、闸墙强度和稳定性 1 直立式 基床、护底块石稳定性5 防浪墙、闸门、闸墙强度和稳定性1 斜坡式护坡块石及块体稳定性1 3 ( 注) 护底块石稳定性1 3 注：当平均波高与水深的比值霄d _ h b ，波浪在较深处的水中已破碎，则塘前波高为h b 。 2 2 4 对波浪要素计算方法的若干探讨 上述波浪计算方法存在下列问题值得探讨。 ( 1 ) 对于风浪，设计波高与波周期是一一对应的。但参考其它各国 1 7 规范，同一波高，并非只对应一个周期。以定常波为例，风速与吹程的 两种不同组合，如得出同一波高，则此两种组合的周期一般并不相同。 此问题牵涉到风浪要素计算方法本身，值得探讨。 ( 2 ) 对于涌浪，规范实际是将波高与周期分别独立进行频率分析， 然后将同一重现期的波高与周期偶合成组，其匹配性如何，值得研究。 ( 3 ) 上述“风推浪”方法，严格地讲，仅在风速风向大致不变的固 定风区的条件下适用。浙东沿海，在夏秋两季，经常遭受台风袭击。而 台风场中各点的风速风向各不相同，并且由于台风中心沿一定路径运动 的结果，固定地点的风向随时间作顺时针或逆时针旋转，其风速、风向 亦随时间不断发生变化。在此种风场条件下，上述波浪要素计算方法是 否适用，值得探讨。 2 3 塘顶设计高程的计算 塘顶高程是指海塘沉降稳定后的高程，对于设有防浪墙的海塘，塘顶高程 则是防浪墙顶面高程( 另有专门说明的除外) ，即塘顶高程计算算式： z e = 舢雕+ ( 2 7 ) 式中：z e 为设计频率的塘顶高程( 吴淞基面以上米数。海岛地区为平均潮位以上 米数) ：胁为设计频率的高潮位( 吴淞基面以上米数，海岛地区为平均潮位以上 米数) ；r p , 为按设计波浪计算的累积频率为f 的波浪爬高值( m ) ；允许部分 越浪，_ = 1 3 ，不允许越浪f = - 2 ；a h 为安全加高值( m ) ，见表2 5 。 表2 5 塘顶安全加高值 海塘工程等级ii i v 不允许越浪h ( m ) 1 0 0 80 ，70 60 5 允许部分越浪i a ( 1 f i )0 5o 4o 40 3o 3 对于允许部分越浪的海塘，其塘顶高程按式( 2 7 ) 计算确定。由于地基软 弱等原因，塘身高度过大仍难以达到时，则采用式( 2 8 ) 确定塘顶高程( 不计 防浪墙) ： z e = 局升 l ( 2 8 ) 1 8 式中：而为塘顶超高值( 不计防浪墙) ，其值为1 5 2 5 m ( 在风向不利、海 区开阔、涂面较低的地方，以及斜坡塘型，应用上限值) ：其余符号意义同前。 同时进行越浪水量计算，重要海塘还应通过模型试验验证。海塘的允许越 浪量见下面2 4 2 节所述。超过允许越浪量的，适当加高塘身，或对塘顶、背坡 面加强防冲保护；也可采用做平台、潜堤等其它工程措施减小越浪量。允许部 份越浪海塘，其塘顶高程( 不计防浪墙) 仍应高出设计高潮位o 5 倍百分之一大波 波高。 2 4 允许部分越浪海塘越浪水量的计算 2 4 1 问题的提出 堤坝设计，如要求在出现最大波的情况下塘顶亦不越浪，则工程投资将极为 可观，往往不经济合理。故通常塘顶高程常低于设计波浪在堤坡上上爬最高点的 高程，此时波动水流将翻越塘顶，对塘身内坡起冲刷破坏作用，并将使塘后被保 护区域积水淹没。因此，正确估算越塘波动流量，是堤坝防浪护坡设计和堤后抽 水排水设备设计所必需研究解决的一个问题。越塘波动流量的大小，取决于风速， 风向与堤坝轴线的交角，入射波的波高和波周期，塘坝的形状、顶高、边坡以及 塘坝前的水深和地形等。向岸风使越塘水量增加。波长愈大，越塘水量亦愈多， 当塘脚水深较小时，其影啊尤为显著。在塘前抛填块石或块体，能使越塘波动流 量减小。为了增加塘坝在越浪情况下的稳定性，可采用加大塘顶宽度，加强塘顶 与后坡的护面或用混凝土盖顶等措施。由于影响越塘波动流量的因素较多，而堤 坝的形态又千差万别，故现有的某些典型断面提出的计算方法，只能作为设计时 的参考，供初步估算越塘水量之用。 例如，文献 1 0 】所给出的形式是单纯的直立墙和斜坡塘的越塘波动流量q 值的图解，虽 根据不规则波试验结果绘制，但精度甚差。试验与现场观测对比结果，相差可达数倍、数十 倍甚至二百倍。q 值愈小，误差愈大。斜坡塘的误差又大于直立塘。故越塘波动流量的正确 估计，需要就工程具体布置，进行大比尺的模型试验，并不断累积现场观测资料，对试验结 果加以适当修正。 2 4 2 海塘的允许越浪量 首先介绍文献【1 1 】对允许部分越浪海塘的越浪水量计算的规定： 1 9 ( 1 ) 浙江省海塘大部分建筑在软土地基上，若都按不允许越浪的标准设计， 其工程投资大，经济条件难以满足。为此，在保证安全的前提下适当降低海塘塘 顶高程，按允许部分越浪标准设计海塘，但在护面防冲结构上应具可靠性。 ( 2 ) 海塘越浪量的大小，与海塘迎潮面的几何外形、防护结构型式、塘身 高度及风场要素等因素相关。 ( 3 ) 允许部分越浪海塘除海塘外坡保护，海塘顶面及内坡面( 包括坡脚) 均 要保护。本规定提供的设计频率波浪的最大允许越浪量q r = o 0 5 m 3 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。越浪量q m 0 0 5 m 3 m s 是指1 米宽海塘上的每秒越浪水量小于o 0 5 m 3 。 关于海塘护面上的允许越浪量，日本在港口建筑物设计标准中提出用越浪受 灾的临界越浪量作标准，其临界越浪量列于下表。 护面工程i 临界越浪量 堤顶和内坡及坡脚没有护面工程 0 0 0 5 堤顶有护面内坡没有护面工程0 ，0 2 三面都有护面工程 o 0 5 ( 4 ) 按本文公式( 2 7 ) 确定塘顶高程时，除计算设计频率波浪下越浪水量， 同时提高一级波浪频率校核越浪量大小，在校核条件下允许越浪水量可放宽至 o 0 7 m 3 m s 。i i i 级以上重要海塘还应通过模型试验来验证越浪量多少，以及塘顶 面和背坡面防冲稳定可靠性。越浪量超过允许指标的，应采取加高塘身或加强护 面防冲结构，做出专题研究报告。 上述是文献1 1 1 对允许部分越浪海塘的越浪水量计算的规定。关于允许部分 越浪海塘的允许屉大越浪量的确定，黄世昌等( 2 0 0 2 ) 由模型试验得知，背水坡 干砌块石保持稳定的最大平均越浪量应在0 0 6 o 0 7 m 3 m s ，出于安全考虑，文 献【1 1 】规定的对允许部分越浪海塘除了三面( 迎水坡、堤顶、背水坡) 保护外， 最大允许越浪量确定为0 0 5 m 3 m s 是合理的。