阻塞工程堤身结构形式选择

根据断面外形特点，海堤结构型式大体上分为三种基本形式，即斜坡式、陡墙式和混合式。混合式海堤型式断面组合得当，可兼有前两者的优点，适用于地质条件较差、水深大、受风浪影响较大的堤段。

地质为软土特性、风浪及水深较大，兼顾考虑已建半圆体防波堤情况，采用混合式断面形式是比较合适的。设计采用带平台的复式断面，消浪平台的设置可减少波浪飞溅，平台上的紊动波流能消耗大部分波浪能量，有效地减少波浪爬高，同时也有利于提高堤身断面的稳定性。根据南港工业区东边界现已建成的半圆体结构防波堤位置，从消浪效果、工程投资及占地等角度考虑，东边界永久达标防潮海堤设计与半圆体防波堤整体结合布置，半圆体与设计消浪平台相衔接。该方案堤顶高程较低，投资最小，地基处理难度低，占用可利用土地少，施工条件相对较好。

防止海水在潮汐的作用下入侵，影响人们的声明财产安全。

目前，海堤的设计主要分为不允许越浪和允许部分越浪两大类。天津沿海地区软基分布较广泛，在软基上新建海堤排水固结周期长，沉降量大，故海堤的填筑速度和建设高度受到限制。按不允许越浪设计，对堤顶高程和断面尺寸的要求较高，可能造成软土地基的承载力不足，不仅会极大的增加软土地基的处理费用，加大工程投资，还会增加施工难度，延长建设周期，很不经济合理。按允许部分越浪设计在控制越浪浪满足要求的前提下，可以有效降低堤身高度，优势比较明显。

海堤位于软土地基上，堤顶高程过高会增加溃堤的风险。考虑本次设计堤顶及堤坡均有防护，同时背海侧结合整体规划要求可以修建景观河道以容纳越浪水量，因此本次海堤工程按照允许部分越浪进行设计。根据规范的有关规定及公式，按照带平台的复合式斜坡堤，采取按允许部分越浪的波浪要素进行计算，设计堤顶高程取值8.50m。

规范中海堤允许越浪量的计算方法是建立在简单单坡和陡墙模型试验的基础上，计算方法和计算公式比较单一且精度有限，难于适应复杂断面结构型式海堤的越浪量计算。海堤结构断面和波浪作用条件较复杂，波浪爬高和越浪量计算与现有经验公式的适用条件不完全一致，为了验证海堤越浪量、确定堤顶高程和对海堤结构进行优化，本次设计海堤断面结构进行了物理模型试验。参照试验结论，从安全和经济的角度考虑，最终确定本次海堤设计堤顶高程为9.0m。

越浪海堤的断面设计除了解决越浪量和堤顶高程的问题，还包括堤身、堤坡护面结构、堤顶结构及堤基处理等方面的问题。

阻塞工程堤身设计

充砂袋适用于地基承载力较低的中、高滩部位，具有渗透性好，易于排水固结等优点，目前已广泛应用于各种围埝和护岸结构中，近年在天津地区得到普遍应用。为适应软基上筑堤的特点，本工程堤身采用水力充填砂袋填筑。设计每层砂袋高0.5m，层间布置袋装碎石平整坡面。为保护冲砂管袋以及减少袋内充填物跑漏，在现状半圆体结构背海侧设置抛石棱体，棱体后设置混合倒滤层，并在充填管袋与其接触结构适当加大垫层保护措施。[1]

阻塞工程临海侧设计

临海侧直接经受波浪作用，护面结构主要从稳定性、抗冲刷能力、消浪效果等角度综合考虑。该部分结构上部应能够承受波浪的打击、上吸；下部应能承受波浪的反复掏刷。因此要求护面结构强度要高，稳定性要满足要求，护面底要做好反滤。同时护脚要有足够的支承力，要能防止底脚被淘刷，或发生淘刷时，仍有足够的能力支承护面结构。

目前海堤常用的护面块体有栅栏板、四脚空心方块、四脚锥体、扭王字块、扭工字块等。栅栏板和四脚空心方块常用于常潮位以上的护面，但四脚空心方块不宜用于设计波高大于4m时，本工程所在位置堤前水深大，波浪较强，设计波高超过4m，故而消浪平台及其上部斜坡段采用栅栏板护面，下设干砌块石垫层和碎石垫层及土工布一层。消浪平台与半圆体结构水平衔接，为满足半圆体稳定和防冲要求，临海侧半圆体前增设抛石棱体护脚。[1]

阻塞工程背海侧设计

越过防浪墙的波浪将直接与堤顶或后坡碰撞，流速衰减迅速，故背海侧堤坡的防护原则上以能承受垂直于坡面的冲击力为主，无波浪的回流水流的拖拽力，因此护面设置主要考虑透水、消能并保证良好的反滤垫层。背海侧堤肩采用混凝土结构以防越浪冲击。考虑岸坡稳定和上部结构施工要求，本工程背海侧堤坡设计采用两级平台，上级平台高程与临海侧消浪平台齐平，其上部护坡采用栅栏板，下设干砌块石垫层和碎石垫层及土工布一层；上下两级平台之间的护坡以及上级平台采用灌砌石护面，下级平台采用干砌块石护面；护坡下堤脚处设抛石棱体护脚。

考虑越浪的强度要求，堤顶护面的强度要求同临海面。堤顶一般兼作防汛公路，故护面一般采用混凝土结构。堤顶设置防浪墙，既可节省海堤堤身工程量，减轻堤基荷载，也可防止或减少波浪越顶。当堤顶临海侧设有防浪墙、且防浪墙稳定、坚固时，堤顶高程可算至防浪墙顶面。常用的防浪墙材料有浆砌石、灌砌石和钢筋混凝土墙结构。从强度要求和保护对象重要性角度考虑，本工程设计采用钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程取为上节确定的9.0m高程。

防浪墙迎海侧设计采用反弧形，以减小波浪反射，使冲击水流回转，从而消减浪压力，减少越堤水量。规定一级海堤不包括防浪墙的堤顶宽度应大于5m。结合运用管理情况，本次设计堤顶为现浇混凝土路面，宽6m（不含防浪墙宽度），路面高程低于墙顶1.2m。为利于排水，路顶面设计1%坡比倾向背海侧。路面中心设置缩缝，采取诱导切割方式在路面中心切割一条假缝，当面板收缩时，将沿此最薄弱断面有规则地自行断裂。

对海堤软土地基的常用处理措施，浅埋的薄层软土宜挖除；当软土厚度较大难以挖除或挖除不经济时，可采用垫层法、加筋土工织物铺垫法、放缓边坡或反压法、排水井法、抛石挤淤法、水泥土搅拌桩法等。本工程为海底软土上新筑堤，淤泥厚度比较大，不适合挖除。而水泥搅拌桩和抛石挤淤的投资都比较大，且水泥搅拌桩的强度上升比较缓慢，均不宜采用。

塑料排水板结合砂垫层排水，堆载预压的方法，是由竖向排水与水平排水相结合形成完整的排水系统对地基进行固结加固。该方法工程造价低，排水效果明显，地基强度增长明显，是一种成熟、可靠的方法，在水上和陆上施工都非常方便，已在天津地区广泛使用。采用塑料排水板地基础处理后，主体部分的堤基沉降量可完成80%左右，可保证竣工后的安全运用，减少维修。根据防潮海堤工程级别、堤高、地质条件、施工条件、工程使用和渗流控制等要求，本次工程堤基处理设计采用插塑料排水板加砂垫层后堆载预压的方法。

设计排水板正方形布置，横纵排间距为1.0m。考虑到半圆体防波堤的整体稳定性，不宜在其背海侧地基处采用挖泥换砂措施，故在原泥面上铺设1m厚粗砂垫层，砂垫层不仅做为水平排水系统，同时能提高地基承载力。上部堤身分级填筑，对地基进行堆载预压处理。 2100433B

风洞试验是结构风工程研究的重要手段之一。在风洞中模拟建筑的真实风环境，以确定建筑的气动力特性和周围的流场特性。建筑风洞通常是闭口直流式或闭口回流式，以壁而为边界，而实际建筑在大气流场中并无边界。用风洞的有限空间来模拟实际大气的无限空间必然伴随着洞壁干扰，造成建筑气动力和流场方而的差别。此外，结构风工程的研究对象多为钝体，当气流流经建筑时会产生较为宽阔的侧而绕流和尾流，从而阻塞效应尤为显著。风洞壁面对气流绕流的约束称为“实体阻塞”，对尾流的约束称为“尾流阻塞”，上述两种洞壁干扰即为阻塞效应。

至今涉及建筑结构风洞试验阻塞效应的研究较少。一些学者在相同风洞中变化二维方柱模型缩尺比，分别提出二维方柱阻力系数的修正公式，但试验条件和公式形式各不相同，无法为三维模型的阻塞修正提供指导。也有少数学者对三维模型阻塞效应研究。Hunt对湍流边界层流场中的立方体模型进行测压试验表明，8%的阻塞度对平均风压的影响不足2%，对脉动风压的影响不足10%。作者指出对于低矮建筑最大容许的阻塞度为10%。徐永定和吕录勋对切角三角形高层建筑分别进行测力和测压试验，研究了不同来流风向角和湍流度下的阻塞效应。谢壮宁等对三种缩尺比的低矮房屋标准模型进行了测压对比试验，认为当阻塞度为4.9%时，阻塞效应不能忽视。Wang等仁基于某高层建筑实际工程项目，对两种缩尺比的刚性测压模型进行风洞试验，比较了建筑表而平均和脉动风压系数。

在风洞试验研究中，一般来说，为了得到准确的气动力测量结果，模型的风洞阻塞度不应超过5%。另一方面，为了尽量达到与真实外形的物理相似特别是雷诺数接近，气动噪声测量模型的尺寸需要尽可能大，这就与阻塞度的要求发生了矛盾。为了尽量得到与真实外形雷诺数接近的试验结果，人们采用了各种措施减弱风洞阻塞等洞壁干扰效应，如开口试验段、开槽壁或流线型壁等。但是对洞壁的改进并不能完全消除上述干扰，必须对残存的洞壁效应进行修正。常用的修正方法有映象法、壁压信息法和计算法等。其中，映象法最为简单易用，但阻塞度较大时修正准度难以保证；壁压信息法适应性强，对气动力修正精度高，但存在非定常流动时会受到测量点位置选取和壁压测量结果不确定性的影响。

计算法最初在20世纪80年代提出，但一直受到计算量过大、计算结果不确定性大等限制。近十几年来计算技术的长足发展，使计算修正法重新被人们重视。高永卫等利用有限元方法，成功对二维翼型试验结果进行了修正。Sorensen等采用计算法对开口风洞条件下的动量修正法进行了校准。由于可以得到流场细节信息，计算法在机理研究方而有着独到的优势，可以用来揭示不同阻塞度下洞壁干扰产生的机理，并用于建立更准确的修正模型。