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海塘加固工程设计中的若干问题

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：牛成龙

[导读] 摘要：海塘是防患抵御洪涝灾害、台风暴潮的人工保护屏障。

        宁波天成水利水电设计有限公司浙江省宁波市 315100
        摘要：海塘是防患抵御洪涝灾害、台风暴潮的人工保护屏障。随着社会经济的发展，人们对安全、防灾意识不断提高，海塘安全的重要性日益凸显。在全球气候变暖的大背景下，如何进一步保障海塘安全，提高抵御洪（潮）的能力，是水利工程领域所关注的重点问题，对保障沿海地区人民生命财产安全，促进社会经济持续发展具有的十分重要的作用。本文结合新颁布的海塘设计规范谈谈海塘工程设计中的几个问题。
        关键词：海塘加固工程设计；若干问题
        1问题的提出
        海塘工程是浙江等沿海地区抵御风暴潮袭击的基础设施和防洪防潮工程体系的重要组成部分，能有效降低台风、暴雨、潮汐等自然灾害带来的危害和损失，为人民群众的生命财产安全提供重要保障。浙江省称海堤为海塘。
        在海塘工程设计技术规范方面，为适应海塘工程建设需要，浙江省水利厅于1999年9月15日颁布实施了《浙江省海塘工程技术规定（上、下册）》（以下简称“《海塘规定》”）[2]。多年来，海塘工程建设一直没有全国统一的技术标准，为适应新形势发展的需要，水利部主编的GB/T 51015—2014《海塘工程设计规范》（以下简称“《海塘规范》”）自2015年5月1日起实施。
        《海塘规范》颁布实施后，对规范全国范围内的海塘工程建设发挥了重要作用。然而，作为国家标准的新规范，其相关规定的内容与浙江省地方标准《海塘规定》的有关规定条款尚存有差别，因此，在《海塘规范》颁布实施一段时间后，结合浙江省海塘工程建设实际，开展海塘工程设计规程规范的对比研究，总结存在的问题，提出相关的改进意见，对于促进浙江省海塘工程设计、建设、管理等各项工作的发展具有积极的推动作用。
        2总体评价
        总体上《海塘规定》是兼容于《海塘规范》框架下的，在设防标准、工程等别、海洋水文、结构设计等方面不存在严重冲突的条文规定。《海塘规定》结合浙江省省情更为密切，《海塘规范》虽新近颁布实施，全面性和系统性较好，但该规范面向全国范围，一些条文规定较为宽松，不适宜浙江省情。因此有必要在满足《海塘规范》的前提下，结合浙江省海塘建设的特色，对《海塘规范》与《海塘规定》存有差异的相关规定进一步协调和补充完善。在执行上，省标《海塘规定》应优先于国标《海塘规范》。但因省标《海塘规定》颁布时间较早，受当时条件所限，部分规定尚有欠缺，某些指标可能比国标《海塘规范》低，在此情况下，应从严执行国标《海塘规范》。
        3海塘设计潮(水)位选取
        受潮汐影响周期性涨落的水位称潮位,又称潮水位。潮位一般由天文潮和气象潮两部分组成。除因短期气象要素突变,如风暴所产生的水位暴涨暴落(风暴潮)外,气象潮一般比天文潮小。
        海塘设计潮(水)位的选取直接关系到海塘的安全和投资,是海塘设计的首要问题,应慎重确定。设计时应先根据新颁布的海塘设计规范[1]确定海塘工程的防潮(洪)标准,然后对潮(水)位资料进行统计分析确定设计潮(水)位。
        海塘设计规范规定可根据实际情况提高或降低防潮(洪)标准,由于海塘工程级别是由防潮(洪)标准确定的,所以防潮(洪)标准的提高或降低,存在两种情况[2]:一是防潮(洪)标准变化后工程级别也发生变化,包括安全超高、结构安全系数、设计潮(水)位、设计波浪和设计风速重现期的变化,在设计时应该慎重选择;二是防潮(洪)标准变化后工程级别不变,只是设计潮(水)位、设计波浪和设计风速重现期的变化,而安全超高和结构安全系数不变,这种情况比较普遍。
        值得注意的是海塘设计规范中相同的防潮标准可以对应不同的工程级别,例如防潮标准为50 a一遇,工程级别可以为Ⅱ级,也可以为Ⅲ级;防潮标准为30 a一遇,工程级别可以为Ⅲ级,也可以为Ⅳ级,这是与堤防工程设计规范有所区别的地方,留给了设计人员灵活选择的余地。
        4设计波浪要素确定
        在海塘工程设计中,确定设计条件下波浪要素是计算波浪爬高和越浪量的前提。波浪要素计算包括深水波浪要素计算、浅水变形计算和堤前波浪要素计算。

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        4.1深水波浪要素
        海塘深水波浪要素计算主要有以下四种方法:
        (1)当工程地点有20 a以上包含大风(风暴潮)影响在内的长期波浪观测资料时,设计波高可采用频率分析的方法确定。
        (2)工程地点无长期测波资料时,对于海湾和河口区域,设计波浪要素宜采用莆田试验站方法。莆田风浪公式在我国海塘工程设计中应用比较广泛,但由于其是通过观测海湾中的波浪得出的,在开敞式海岸,遇到风区长、受外海涌浪影响较大的波浪计算时,莆田风浪公式计算得到的波长、波高、周期往往比实际波浪短(小)。
        (3)工程地点无长期测波资料时,对于开敞式海岸,可按海港水文规范计算。
        (4)随着数值计算技术的发展,数学模型法已被越来越广泛地运用于波浪要素计算,目前主要运用的有两种模型:①能量平衡模型。②质量、动量守恒模型。波浪要素的确定首先应考虑采用实测波浪资料。
        4.2浅水变形计算
        浅水变形包括浅水校正、波浪折射、波浪绕射、底摩阻损失等,实际上,在波浪浅水变形分析中,要同时考虑所有这些因素是十分困难的,通常对各种变形现象采用分别处理的办法,即就某种影响因素引起的波浪变形独立地分析讨论,其结果以某一系数表示,如浅水系数、折射系数、绕射系数、摩擦减损系数等,并假定所有这些系数的线性相乘就能获得综合结果。海塘设计规范[1]规定对于1级～3级海塘工程,宜采用数值计算方法进行波浪折射、绕射计算;对4级、5级海塘工程,可按海港水文规范的相关方法计算。此外,在浅水变形分析中,可视具体情况考虑影响最大的若干因素,忽略次要因素。当折射和绕射的影响不大时,可只考虑浅水系数和底摩阻的影响,从而使问题简化。
        4.3堤前波浪计算
        浅水变形计算推求出的平均波高,需转化为其它累积率波高,并应将各频率的波高HF与破碎波波高比较Hb,当HF≥Hb时取Hb,HF<Hb时取HF。
        5加固结构设计及施工问题
        5.1堤顶高程的复核
        建于软土地基上的海塘,历经多年的运行,往往出现整体下沉,堤顶高程低于原设计高程的现象。由于浙江多数沿海地区属于淤涨型海岸,滩涂面的增长及周边区域围涂工程的建设都对现状海塘前沿的波浪要素有所改变,因此有必要首先进行塘前波浪要素的复核,进而进行复核堤顶高程,合理确定加固后的堤顶高程,不可简易套用原设计高程。
        此外,堤顶高程还需与护面结构加固等因素综合考虑。若外海侧采取削浪措施或堤顶及背坡面结构加强,则可通过复核波浪爬高及越浪量,以降低堤顶高程要求。
        5.2结构安全与经济性分析
        护面结构安全与堤身整体安全是海塘加固安全分析中最为重要的2个方面,二者之间是相辅相成,缺一不可。在加固工程设计中,应在复核这2个结构安全的基础上,对加固措施的经济性进行分析。
        5.3施工监测
        为避免加固工程施工加载过快引起海塘失稳,《海塘规范》中明确要求施工期应监测堤基和堤身的沉降变形,这体现了与时俱进的科学态度,有必要在全省的海塘加固工程施工过程中加以推广实行。
        6结语
        “强塘固房”是浙江省委、省政府新时期建设“平安浙江”的重要举措。海塘加固是浙江省水利厅实施“强塘固房”工程中重要的组成部分,本文着重从设计的角度结合相关规程、规范,提出了海塘加固工程设计过程中需重视的相关问题,为海塘加固工程的实施做好技术支撑。
        参考文献：
        [1]黄锦林，江洧.海塘设计若干问题探讨[J].水利技术监督，2009(3)：1-3.
        [2]方子杰，吴一禾，陈青青.浙东沿海围垦工程软基处理及海塘结构的方案优选[J].水利规划与设计，2010(2)：68-71.
        [3]李维涛，王静，陈丽棠.海塘工程防风暴潮标准研究[J].水利规划与设计，2003(4)：5-9.