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国外海堤规划设计方面的一些进展 国外海堤规划设计方面的一些进展 孙东亚 黄世昌 （中国水利水电科学研究院，北京 ； 浙江省水利河口研究院，杭州 ） 【摘 要】 对国外海堤规划设计方面的一些技术进展进行了概述，内容涉及规划设 计技术标准、防潮标准、波浪爬高和越浪量计算、海堤结构型式、概率设计方法等方 面的内容，并在此基础上，针对我国海堤设计规范编纂工作，提出了一些建议。 【关键词】 国外；海堤规划设计；进展 引言 近些年来，在海岸工程规划设计方法和技术方面均取得了很大进展，这主要归功于在海岸环境的科学认知方面所取得的进步。此外，对多学科交叉的需求、工程实践经验的日益丰富以及较好的分析和预测技术的发展也促进了海岸工程技术进步。在美国、荷兰、英国和日本等国，结合最新技术进展，按照综合规划设计理念，已经完成或正在修订一些海堤防护设计方面的技术导则或手册。在传统海岸工程规划设计所考虑的各因素中，补充很多公众所关心的全球气候变化及其影响、海岸生态环境保护、海岸资源的可持续开发利用等方面的内容。在结构设计方面，修订了一些技术方法，如波要素计算、波浪爬高和越浪量计算、防护结构型式、结构可靠性计算方法、软基上筑堤、新材料的应用等。 在我国海堤设计规范编纂过程中，结合我国海岸条件，借鉴国外先进理念和一些相对成熟的做法，弥补我国在某些方面基础研究之不足，使我国海堤设计规范站在高起点，是非常必要的。本文针对海堤工程设计规范中可能遇到的一些问题，介绍国外一些国家的做法。国外的一些技术标准 与大多数其他工程设计不同，海岸工程并不总是遵循设计规范进行集中设计并施工的。在一些国家，海岸工程结构的设计是以国家法规为基准的，但具体工程设计则依据设计手册或导则。在欧洲，大多使用设计导则而不是设计规范，导则将给予负责规划和设计海岸工程结构的工程师一些指导，论述所涉及的各种情况，给出供选择的方法并阐明其优缺点。通常这些导则由政府颁布，但在使用时可根据实际情况灵活掌握。当有充分的理由或存在经多次论证的成熟技术时，设计者可以不拘泥于这些导则。 在制定和使用设计导则方面，美国和荷兰处于领先地位。美国陆军工程师团在原来的海岸防护手册（，）的基础上，于年月发布了海岸工程手册（。） 综 合 篇 荷兰自年发布三角洲委员会报告（ ，）以后，未发布任何海堤设计导则，直到年才发布了海堤和湖堤导则（，）。该导则基于三角洲委员会对工程安全的要求并结合最新技术进展，确定防护结构的尺寸，并进行波浪爬高和越浪计算，原来的波浪爬高要求被临界越浪量所替代。 英国、法国和荷兰于年联合颁布了新的石材手册（，）。该手册最早于年由英国和荷兰联合颁布，目的是指导海岸工程中石材的应用。年，对该手册进行修改补充增加了用于河道堤防工程的技术内容。最新版的石材手册内容更宽泛，纳入了最新技术进展，并增加了环境和可持续利用方面的资料。其主要内容包括：石材工程的规划设计，材料（护面石和混凝土块），现场条件和数据采集（水力边界条件和岩土特性），物理过程和设计工具（水力条件，水力条件与结构的相互作用），海岸结构设计（防波堤，港口工程中的石材防护，海滩保护和控制结构，离岸工程的堆石），围隔结构设计，河流和渠道结构设计，施工，监测检查维护和维修。 在德国，海岸结构委员会于年和年颁布了“滨水建筑、港口和水道工程设计建议”（，）。这一设计指南不是强制性法规，如有必要可以每年修订一次。它对各种材料都有详细的规格说明和使用方法，如混凝土、钢、木材、土工布、土工建筑等，其中部分内容是针对海岸结构安全性的。 在西班牙海岸工程结构的设计是依据最近发布的海上建筑物指南（ ）来执行的。该指南汇集了西班牙在海洋工程领域最先进的技术和经验。制定这份指南旨在提出一套技术标准，以供在海岸工程结构的设计、运行、维护和拆除过程中采用。考虑到结构物的安全性，对某种单一和系统失效模式，该指南建议了不同水平的可靠性分析方法。 防潮标准 现有的海堤工程设计规范或设计导则一般要给出堤防使用年限的最低要求，通常由高潮位的重现期来表达，它在不同的国家差异是比较大的。当风险很高或保护区极其重要时，需要选择高达年一遇（甚至年一遇）的极端重现期，以便保证有足够的安全系数。对于极其重要的工程，高潮位的重现期仅仅是描述工程安全的一个指标。事实上结构的实际安全性通常由样本资料、设计方法、准则和安全界限等决定。此外，重大历史、社会、文化和政治差异往往造成防潮政策的差异，表对欧洲个国家的防洪政策进行了比较。 表 欧洲一些国家防洪政策概述 国 别 荷兰 英国 丹麦 比利时 德 国 海岸线长 海岸线长度为 洪水风险区面积为 。的省 ，受洪水威 ，沿海各州 （）受到 胁的面积 海岸线长度为 海岸线长度为 面积的为洪水 海岸洪水的威胁。 （占全国的人 。洪水风 洪水风 洪泛区 风险区，如 区域内人口分布密 口）：有一些大的城 险区内有一些城镇 险区占全国总面 ， 集，洪水风险区的 市居民聚居区和农业 和农业区 积的 ， 资产估价约为 区，也有一些小的居 万亿欧元（） 民聚居区和农业区 国夕卜海堤规划设计方面的一些进展 续表 国 别 荷兰 英国 丹麦 比利时 德 国 海堤、沙丘、海 沙丘、堤防、防 堤防、海滩、 堤防、沙丘、 堤防、沙丘、过渡海堤类型 滩、粗砾滩、闸门和 风暴潮工程结构 沙滩 海滩 工程 防风暴潮工程结构 非强制性法律， 非强制性法 法律（防洪法， 堤防的加固 非强制性法律（州 立法 非强制性法律 律，地方性法 ） 法，； 水法） 律， 经济效益，指示性决策原则 法定的安全标准 污染风险指数 绝对标准 绝对标准 标准 没有目标风险和防 堤防圈的法定标 建议的安 综合考虑设计水 洪标准；一般目标是 准以极限洪水位的 全标准，被政府部 根据荷兰方法 位、波浪爬高和岸坡 降低人类伤亡、环境 重现期为标准。海 门认可。安全标准 规定最小的安全 稳定等确定安全等安全等级 污染的风险及投资 岸地区的安全标准 由经济优化分析得 等级为年 级。在实践中该标 获得收益的必要条 为年 到。安全等级为 一遇 准相当于超过年 件。安全标准为 一遇 年一遇 一遇的洪水 年一遇 在英国，伦敦泰晤士河口的防护标准是法定的，即年一遇。其他地区则没有法定标准，但有一个指导性标准，从年一遇到年一遇，并通过成本和损失评估来确定。指导性标准主要根据保护区情况确定，见表和表。 表 英国海堤设计指导性标准 河 流 海 岸 保护区情况分类 重现?冢辏?年失事概率 重现期（年） 年失事概率 表 保护区情况分类描述 保护区情况分类 说 明 受威胁的特别区域和大城市 具有重要农业用地的不太大的城市，和或具有重要国际环境资源保护价值的区域 重要农业用地，或具有国家环境资源保护价值的区域，存在洪水和内涝风险 保护农业用地及一些与农业有关的临时设施，具有地方性环境资源保护价值 不太重要的农业用地及局部农业设施（如草地），影响环境资源的风险很小 综 合 篇海堤设计中的波浪问题 在海堤设计中，设计的海况条件往往描述成设计高潮位和设计波要素两项，一般很难提出设计的潮位过程和与该潮位过程对应的波浪过程。设计高潮位已包含了风暴潮和天文潮以及径流等引起的水面波动，因此，一般而言，波浪及风暴潮对海堤的作用主要体现在以下两个方面：一是在某一潮位上的波浪爬高和越浪，其目的是为了确定堤顶高程；二是在一定的设计海况条件下海堤护面的稳定性。 波浪统计参数是海堤各类防护结构设计的荷载条件，在国外有多年的系统研究成果，这些成果建立在大量试验和原位观测的基础上，提出了很多经验公式，如在美国海岸工程手册（，）中，其第部分详细论述了各类水动力荷载（波浪参数、设计水位、水流等）的计算方法，不同的参数可用于其第部分中各类结构的设计，不同的公式可能包括不同的水动力参数，如设计波高可能采用有效波高（，或。）、零阶矩波高（。）或其他统计的典型波高（。或，）。 关于波浪在海堤上的爬高与越浪的研究较早是在水槽中进行，采用规则长峰波代表不规则波浪进行试验，此后随着不规则波造波系统的研究成功，才开始不规则波的试验研究。数值模拟作为一种有效的手段，也被用于规则波爬高和越浪现象的模拟，但是由于波浪破碎、护面间水体渗透等问题的存在，这方法仅在探索阶段。波浪对护面结构的稳定性研究更多地借助水槽试验来解决，有时，对台风灾害后海堤损毁的分析显得更为有用（万德成，；竺艳蓉，；俞聿修，）。 波浪爬高的大小对于许多海堤工程的设计至关重要。爬高值关系到在海堤上如何防止越浪。影响波浪爬高的参数依次为波高、波长、波速、波能、水深、波浪的行进方向、海堤前的海底坡度、海堤的边坡、结构的外形、糙度、水体密度和水的运动黏滞系数。由于波浪爬高问题的复杂性，一般通过水槽试验来研究不同因素对爬高的影响，主要分析波高、波陡、复式海堤的平台高度和宽度、坡度、表面粗糙度（含异形块体）的作用，提出数种波浪爬高的经验公式，有些公式为各家规范所采用（ ，；，；李玉成等，；薛鸿超等，）。 越浪量主要受海堤顶高程控制，影响越浪量的主要因素有海堤的结构型式（包括堤顶高、护面型式等）、海堤堤脚处水深、堤前入射波要素、风速等。目前国内外对越浪问题的研究成果主要有三方面：一是对平均越浪量的研究；二是对堤顶及后坡越浪流参数的研究；三是对越浪流对后坡冲刷过程的研究。 关于波浪爬高和越浪量计算方法，荷兰 、美国陆军工程师团、英国 等单位均进行了大量独立和合作研究，取得了一系列研究成果。这些成果已分别纳入各国的技术导则或手册。年月，荷兰发布了新的技术导则“堤防波浪爬高和越浪”（，）。现在这个导则被用来作为海堤安全评估和设计的导则。这个导则对当代技术进展进行了系统的调查分析，把最新的研究成果纳入了进来，应用谱波参数进行波浪爬高和越浪计算。导则中提出了边坡糙率、边坡坡度、平台、波浪入射角以及竖墙等因素对波浪爬高和越浪量的影响的计算公式，同时还对前滩对越浪的影响进行了分析，给出了波浪爬高和越浪量计算的通用公式，并且给?隽烁丛拥谭蓝厦嫔喜伺栏?国外海堤规划设计方面的一些进展 和越浪计算中所引用系数的计算方法。 通用波浪爬高公式如下 。一 ），菇。 （） 碎波参数岛较大时，波浪爬高达到的最大值为 。，（岛） （）式中：为超越概率的波浪爬高；。为堤脚处的波高；岛为碎波参数； 为平台影响系数；），为边坡表面糙率的影响系数；确为波浪入射角的影响系数。式 （）和式（）的适用范围为：托。 越浪计算公式较复杂，全部展开如下 焘一业脒（ 越浪量的最大值按下列公式计算： 惫丽杀： “ ” （） 丽（惫南）式中：为平均越浪量，（）；为重力加速度；。为堤脚的典型浪高；碎波参 五数岛一磊；波陡。一。（疋叱。）；为平均坡度；，为堤顶超高（堤顶到静水线垂直距离）；、凡分别为平台、糙率单元、波浪人射角、竖墙的影响系数。 如果按概率计算，可参考如下公式 越浪量最大值为 丽一而吾赢（彘赢） 五 击唧（罴南） 五海堤结构型式反滤层和垫层 基于整体稳定和坡面防护的需要，我国海堤一般外坡设有抛石镇压层，堤顶设有挡浪墙，其迎波面型式有直墙式、斜坡式、复合式三类。护面有砌石、异形块体、混凝土护面板、重力式墙等。目前我国进行波浪作用下护面块体稳定性计算主要考虑以下三种机理：块体所受的上举力大于块体的重量，块体从护面中跳出；沿坡面的波浪冲击力太大引起块体滑动；护面层的块体受较大的倾覆动量作用翻转。但是，还有一个重要方面往往为人们所忽视，即护面层下的反滤层和垫层，它们对于防御护面层下土颗粒的淘刷，从而保证上层结构的稳定极其重要。根据黄世昌等人对号台风后海堤损毁情况的调查，浙江舟山地区反滤层设计不当的海塘在巨浪高潮作用下防渗土体被潮浪从块石砌体空隙中带出，砌石体与土体间形成塌洞，造成砌石体坍塌。如舟山万丈塘，墙被淘空成宽约，深约，长的沟槽。台州地区也有一些海塘因未设置反滤层或设置不当引起外坡变形。 一些发达国家，如美国、荷兰、英国，在他们的防洪工程设计规范或导则中