斜坡式海堤擋浪墻穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

李景輝，姚顥，張文忠，楊憲章，紀(jì)文利

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

某斜坡式海堤的臨海一側(cè)，采用大塊石護(hù)面，其上下坡度相同，且中部設(shè)置戧臺(tái)的復(fù)式斷面。擋浪墻頂高程為4.7m。海堤內(nèi)側(cè)是個(gè)占地非常大的溫泉旅游度假項(xiàng)目。由于臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)，大浪越過堤頂，沖毀了堤后路面，對海堤內(nèi)側(cè)的旅游度假項(xiàng)目造成了一定程度的損壞，所以需對此海堤進(jìn)行加固建設(shè)。本文選取海堤加固斷面進(jìn)行波浪物理模型試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)條件

本次模型試驗(yàn)是在無反射造波機(jī)試驗(yàn)水槽中進(jìn)行。水槽的長、寬、高分別為68.0m、1.0m、1.6m。造波機(jī)系統(tǒng)由造波板、伺服電機(jī)、造波機(jī)控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)組成。無反射造波機(jī)系統(tǒng)可以模擬規(guī)則波和5種不同譜型以及雙峰譜和任意譜的不規(guī)則波。

模型按重力相似律及JTJ/T234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行模擬。模型試驗(yàn)中選用的幾何比尺為1∶20[1]。采用不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)，波浪頻譜采用JONSWAP譜進(jìn)行波浪模擬。

2 試驗(yàn)依據(jù)

設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

表1 海堤加固斷面波浪要素（50年一遇）

海堤原加固斷面為斜坡式海堤，擋浪墻頂高程為4.7 m，外坡上部采用600～900 kg塊石護(hù)面，下部護(hù)面塊石的重量為400～600 kg，外坡各段的坡度均為1∶3；護(hù)面戧臺(tái)的頂高程為0.5m，海堤原加固斷面結(jié)構(gòu)形式見圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 海堤原加固斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)

海堤原加固斷面在極端高水位3.25m，重現(xiàn)期為50年一遇H13%=2.8m、=8.9 s的不規(guī)則波作用20min（原型）后，擋浪墻后傾失穩(wěn)，失去防浪功能。大浪作用時(shí)，堤頂越浪嚴(yán)重，越浪水體對堤后回填陸域產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖刷作用，沖刷區(qū)內(nèi)最大的沖刷深度約0.90m。

為增強(qiáng)海堤擋浪墻的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)單位對海堤原加固斷面提出了兩種調(diào)整方案[2]：調(diào)整方案A：海堤海側(cè)結(jié)構(gòu)不變，改變擋浪墻形式，加大擋浪墻重量，增加墻后被動(dòng)土壓力；調(diào)整方案B：海堤擋浪墻不變，抬高海側(cè)護(hù)面肩臺(tái)高程。

由于大浪作用時(shí)，堤頂越浪嚴(yán)重，設(shè)計(jì)將海堤原加固斷面的擋浪墻頂高程由4.7m抬高至5.7m。從而降低海堤堤頂?shù)脑嚼肆?，以確保海堤內(nèi)側(cè)的溫泉旅游度假項(xiàng)目安全。

3.2 海堤加固斷面調(diào)整方案A穩(wěn)定性試驗(yàn)

海堤加固斷面調(diào)整方案A包括5個(gè)修改斷面，見表2。該方案是海堤外側(cè)的護(hù)面塊石及護(hù)底塊石的重量及結(jié)構(gòu)尺度與原加固斷面相同的條件下（護(hù)面肩臺(tái)頂高程為2.55m），采用加大擋浪墻體積和增加擋浪墻后被動(dòng)土壓力的方法，從而達(dá)到增強(qiáng)擋浪墻穩(wěn)定性的目的。5個(gè)修改斷面的外坡結(jié)構(gòu)形式均相同，外坡上部采用600～900 kg塊石護(hù)面，下部采用600～800 kg護(hù)面塊石，其各段的坡度均為1∶3；護(hù)面戧臺(tái)頂高程為0.50m，護(hù)面肩臺(tái)頂高程為2.55m。5個(gè)修改斷面的擋浪墻形式及其后方回填塊石量有所不同，在極端高水位3.25m及相應(yīng)不規(guī)則波作用2.5 h（原型）后，調(diào)整方案A的5個(gè)修改斷面的擋浪墻穩(wěn)定情況見表2。

表2 海堤加固斷面調(diào)整方案A穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：

1）修改斷面1的擋浪墻上部結(jié)構(gòu)為反彎弧鷹嘴形式，修改斷面2在修改斷面1的基礎(chǔ)上，將擋浪墻上部的反彎弧鷹嘴形式改為直墻。修改斷面2擋浪墻頂?shù)脑嚼藭?huì)稍大些，擋浪墻的后移量比修改斷面1小0.01m。

2）修改斷面4擋浪墻形式與修改斷面2相同，其區(qū)別是修改斷面4擋浪墻后回填塊石的重量和回填塊石體積范圍都增大了，導(dǎo)致修改斷面4墻后回填塊石使擋浪墻的被動(dòng)土壓力增強(qiáng)，從而加強(qiáng)了擋浪墻的穩(wěn)定性。

3）修改斷面3與修改斷面2相比，擋浪墻后臺(tái)加高了0.5m，且墻后回填塊石深度加深。由于擋浪墻的重量增大，墻后回填塊石對擋浪墻的被動(dòng)土壓力也增強(qiáng)了，致使修改斷面3擋浪墻的后移量比斷面2稍小。

4）由于修改斷面1至4的擋浪墻的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，但仍均處于失穩(wěn)狀態(tài)。為確保擋浪墻的穩(wěn)定性，需要大幅度地增加擋浪墻的重量和墻后回填塊石的寬度。

5）修改斷面5在修改斷面4的基礎(chǔ)上，將擋浪墻改為長方形，擋浪墻的自重增加較大，從而增強(qiáng)擋浪墻的穩(wěn)定性。在極端高水位3.25m及相應(yīng)不規(guī)則波作用下，擋浪墻處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

3.3 海堤加固斷面調(diào)整方案B穩(wěn)定性試驗(yàn)

海堤加固斷面調(diào)整方案B（修改斷面6）主要是通過抬高護(hù)面肩臺(tái)的頂高程（護(hù)面肩臺(tái)頂高程由原2.55m增高至4.2m），一則使部分大浪在塊石護(hù)面處破碎，波能消散，二則塊石護(hù)面對擋浪墻的掩護(hù)作用增強(qiáng)，從而減小了波浪水體對擋浪墻的作用力，提高了擋浪墻的穩(wěn)定性。

修改斷面6的擋浪墻頂高程為5.70m，擋浪墻前護(hù)面肩臺(tái)頂高程為4.2m；外坡上部采用800～1000 kg塊石護(hù)面，下部護(hù)面塊石的重量為600～800 kg，外坡各段的坡度均為1∶3；護(hù)底塊石的重量為200～300 kg，擋浪墻后回填塊石的重量為100～200 kg，回填塊石寬度為2.7m。修改斷面6的結(jié)構(gòu)形式見圖2。

在極端高水位3.25m，重現(xiàn)期為50年一遇H13%=2.8 m、=8.9 s的不規(guī)則波作用下，海堤加固修改斷面6的擋浪墻、600～800 kg護(hù)面塊石、200～300 kg護(hù)底塊石均穩(wěn)定；800～1000 kg護(hù)面塊石頂高程4.2m肩臺(tái)處表層少數(shù)塊石隨波浪移動(dòng)，個(gè)別塊石沿斜坡滾落；擋浪墻后100～200 kg回填塊石表層的部分塊石被沖刷后移。

大部分波浪越過堤頂，5.70m高程擋浪墻頂部最大越浪摻氣水體厚度約為2.2m，越浪水體最遠(yuǎn)潑落至距海堤前沿線后7.8m左右處。實(shí)測堤頂越浪量為0.049m3/m·s[4]。

海堤加固斷面調(diào)整方案B抬高了護(hù)面戧臺(tái)及護(hù)面肩臺(tái)的高度，使部分大浪在塊石護(hù)面處破碎，減小了波浪對擋浪墻的作用力，增強(qiáng)擋浪墻的穩(wěn)定性，也相應(yīng)降低了海堤堤頂?shù)脑嚼肆浚ㄗh設(shè)計(jì)單位采用此結(jié)構(gòu)斷面。

4 結(jié)語

本文通過海堤加固斷面模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了各修改斷面的穩(wěn)定性。對于加強(qiáng)此斜坡式海堤擋浪墻的穩(wěn)定性，可采用如下方法。

1）通過改變擋浪墻的結(jié)構(gòu)形式及外形尺度，增加擋浪墻的自重，達(dá)到增強(qiáng)擋浪墻穩(wěn)定性的目的。

2）加大擋浪墻后回填塊石的深度及寬度，從而增強(qiáng)回填塊石對擋浪墻的被動(dòng)土壓力，以增強(qiáng)擋浪墻的穩(wěn)定性。

3）優(yōu)化斜坡式海堤海側(cè)坡面的結(jié)構(gòu)形式，抬高護(hù)面戧臺(tái)及肩臺(tái)的頂高程，使部分大浪在塊石護(hù)面處破碎，波能消散，從而減小波浪水體對擋浪墻的作用力。

4）擋浪墻上部加反彎弧鷹嘴，堤頂越浪量雖減少，但波浪對擋浪墻的作用力增強(qiáng)，擋浪墻的穩(wěn)定性會(huì)降低。

[1] JTJ/T234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 謝世楞，刑復(fù).海港工程設(shè)計(jì)手冊[M].北京：人民交通出版社，1994.

[3] 楊憲章，李景輝.珠海市海泉灣二期發(fā)展項(xiàng)目海堤加固工程波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2011.

[4] 李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002.