受潛堤掩護(hù)的防汛墻越浪量綜合試驗(yàn)研究

賈曉，徐嵬，袁華

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201；2.上海中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司，上海 200092；3.河海大學(xué)研究生院，江蘇 南京 210098）

0 引言

在目前部分海岸防浪防洪工程設(shè)計(jì)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)其外圍存在一定的掩護(hù)設(shè)施，諸如擋沙潛堤、護(hù)灘潛堤或者其他工程目的設(shè)置的順壩結(jié)構(gòu)。此時(shí)，如何在防汛墻設(shè)計(jì)中綜合考慮這類工程的消浪影響，在保證防洪安全的前提下，優(yōu)化堤型結(jié)構(gòu)，節(jié)約工程量，是設(shè)計(jì)及工程科研應(yīng)該考慮的問題。

針對(duì)防汛墻的防洪安全，主要研究目的是確定在極端條件下防汛墻的越浪量問題，而能夠直接使用的資料并不多，通過(guò)單一的技術(shù)手段不可能很好地解決此類問題。將該問題進(jìn)行詳細(xì)分析，研究涉及到的問題見圖1。

圖1 潛堤后方陸域防汛墻防洪問題研究思路Fig.1 Research thought for the flood control problem of the land seawall behind submerged breakwater

從圖1分析可以看出，該問題的研究需要涉及3個(gè)基本方面，按照先后順序，分別是：1）采用水槽試驗(yàn)確定潛堤的透浪系數(shù)；2）將該系數(shù)代入合理的數(shù)值模型，得到極端條件下的設(shè)計(jì)波要素；3）采用該波浪要素作為物理模型試驗(yàn)要素，進(jìn)行越浪量試驗(yàn)，最終評(píng)價(jià)防汛墻的防洪安全，并優(yōu)化堤型。

關(guān)于潛堤的透浪系數(shù)，目前的研究成果基本是基于室內(nèi)波浪二維斷面試驗(yàn)確定的。在早期，Van der Meer等[1]對(duì)潛堤的透浪系數(shù)進(jìn)行了研究；在上世紀(jì)50年代，南京水利科學(xué)研究院就對(duì)直立式矩形潛堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)，楊正己等[2]的研究成果被引入《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。自新世紀(jì)以來(lái)，許多學(xué)者進(jìn)行了不規(guī)則波條件下的越浪量公式的擬合，同樣普遍采用了二維水槽斷面的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。鄒紅霞等[3]、馮衛(wèi)兵等[4]等均基于各自的研究成果提出了拋石潛堤的透浪系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，其結(jié)構(gòu)形式均為淹沒水深（a/H）、相對(duì)堤頂寬度（B/H）和波陡（H/L）的函數(shù)。

對(duì)于越浪或透浪堤后的設(shè)計(jì)波要素，早期通常是將堤前波要素乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，在計(jì)算得到的或者規(guī)范內(nèi)的繞射系數(shù)，分段予以計(jì)算并迭加，獲得了透浪防波堤后的波浪繞射特征[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平提高，部分科技工作者嘗試在數(shù)值模型中引入透射，目前常見的技術(shù)手段是在Boussinesq方程中引入孔隙層和在SWAN模型中引入Obstacle參數(shù)等。張娜等[6]、毛丹紅等[7]均將物理模型得到的透浪系數(shù)，通過(guò)孔隙層的方法引入MIKE21-BW模塊，取得了較好的成果。但基于Boussinesq方程的BW模塊對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性要求很高，且不能考慮風(fēng)能輸入，而基于波作用平衡方程（譜方程）的SWAN模型能較好地模擬風(fēng)能輸入等各種源匯項(xiàng)，且在新版本（自40.71始）中引入了透射的Obstacle選項(xiàng)，可以設(shè)置透浪系數(shù)，是適用于透浪掩護(hù)區(qū)域的風(fēng)浪場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值模型。

防汛墻的海岸防洪問題，本質(zhì)是防汛墻的越浪量問題，其為港口防浪工程以及海堤、防汛堤設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的問題，目前直立式防波堤較典型的計(jì)算方法，分別有合田良實(shí)法[8]、Allosop 法[9]、俞聿修方法[10]、Franco L 法[11]及浙江省海塘水文規(guī)程法[12]。

1 問題的提出

在上海某港區(qū)改造工程的設(shè)計(jì)中，為充分利用岸線資源，將江堤重新進(jìn)行規(guī)劃。新規(guī)劃的江堤位于潛堤掩護(hù)的某港區(qū)后方，工程地理位置見圖2。

圖2 工程地理位置圖Fig.2 Geographical location of the project

工程所臨江面水域?qū)掗?，最長(zhǎng)風(fēng)區(qū)達(dá)十余km，而上海市防汛要求較高，要求海塘及堤防能在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇極端高潮位（6.34 m）疊加12級(jí)風(fēng)（下限風(fēng)速，32.7 m/s）產(chǎn)生風(fēng)浪的惡劣條件下不越浪。港區(qū)外圍的擋沙堤堤頂高程在4.9～5.0 m，在該極端條件下呈潛堤狀態(tài)，但仍然有一定的消浪作用。工程平面布置見圖3。

圖3 港區(qū)布置圖Fig.3 Port area layout

防汛墻設(shè)置于碼頭面的后方，防汛墻前沿有較長(zhǎng)的碼頭平臺(tái)，碼頭面上的淹沒水深為0.68m，防汛墻試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 原設(shè)計(jì)典型斷面結(jié)構(gòu)圖（五泊位，8-8）Fig.4 Typical section structure of original design （No.5 berth，8-8）

研究根據(jù)設(shè)計(jì)工況，推算潛堤后方的設(shè)計(jì)波要素，然后根據(jù)重力相似準(zhǔn)確設(shè)計(jì)水槽斷面試驗(yàn)，測(cè)量防汛墻上的越浪量，論證防汛墻規(guī)劃的可行性，并優(yōu)化堤頂高程和堤型結(jié)構(gòu)。

2 透浪系數(shù)的確定

首先在長(zhǎng)江口大范圍風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型中，對(duì)工程水域周邊的波浪概況進(jìn)行了概算。根據(jù)長(zhǎng)江口風(fēng)浪模型計(jì)算分析，在不同風(fēng)向的條件下，擋沙堤外側(cè)的波高略有差異，但是周期與波長(zhǎng)基本差不多。

故在比尺為1∶15的水槽物理模型中，保持原型條件下周期5.5 s，波長(zhǎng)約為42m的試驗(yàn)條件，調(diào)整入射波高，得到不同波高下的透浪系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果與各家的經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見圖5。

圖5 透浪系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比Fig.5 Comparison of the transmission coefficient test data with other empirical formulas results

在設(shè)計(jì)水文條件下，在擋沙堤?hào)|側(cè)，各向的入射波高普遍在2.2～2.6m，此時(shí)的透浪系數(shù)約為0.60左右；在擋沙堤西側(cè)，受郵輪碼頭和擋沙堤前拋石潛堤的影響，各向的波高普遍在1.2～1.5 m，此時(shí)的透浪系數(shù)約為0.75左右。故在數(shù)值模型中，將擋沙堤分為兩段，分別設(shè)置不同的透浪系數(shù)，保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

3 設(shè)計(jì)波要素的確定

通常情況下，在港內(nèi)波要素的計(jì)算中，為了準(zhǔn)確的計(jì)算波浪繞射，需要采用相位復(fù)演類型的數(shù)值模型，如緩坡方程模型或Boussinesq方程模型，但是該兩類模型往往對(duì)透浪的模擬較為困難，且較難準(zhǔn)確的加入風(fēng)能輸入。在本工程中，不但透浪對(duì)港區(qū)波況起著更為顯著的作用，且因港區(qū)寬闊，風(fēng)能輸入引起的波高增加也值得重視。

目前，SWAN模型可以完整的考慮風(fēng)能輸入項(xiàng)，也可以通過(guò)相位解耦的方式計(jì)算波浪繞射，在引入透浪系數(shù)后，SWAN模型同樣可以準(zhǔn)確的模擬波浪的透射過(guò)程，故SWAN模型適用于本次波浪要素的數(shù)值計(jì)算。

港池內(nèi)有兩個(gè)走向的碼頭線，分別為SE-NW向碼頭線和E-W向碼頭線，本次試驗(yàn)斷面位于E-W向的碼頭面上（見圖6中的A區(qū)域）。經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算及分析，N向?yàn)樵摰湫蛿嗝娴淖畈焕L(fēng)向。在N向12級(jí)風(fēng)的條件下，港區(qū)內(nèi)及工程周邊水域的波況分別見圖6和圖7。

圖6 正向入射（N）波作用下港區(qū)附近波高矢量圖Fig.6 Vector diagram of the wave height under the north forward incident wave near the port

圖7 N向工程周邊水域波高矢量圖Fig.7 Vector diagram of the wave height with north wind surrounding the project

試驗(yàn)采用來(lái)浪向與碼頭面基本垂直的N向波要素作為典型斷面的試驗(yàn)條件，具體數(shù)值見表1。

表1 模型試驗(yàn)采用波浪要素Table1 Wave parameters of the model test

4 越浪量與堤頂高程關(guān)系

影響防汛墻越浪量的因素很多，且各因素間存在交叉影響，各自的影響機(jī)制很難分析清楚，目前主要還是通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法，測(cè)量越浪量。試驗(yàn)遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)潮位、波浪要素、試驗(yàn)斷面及試驗(yàn)設(shè)備條件等因素，模型比尺取為1∶15。采用不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)，波譜采用JONSWAP譜。將按模型比尺換算后的特征波要素輸入計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生造波訊號(hào)，控制造波機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的不規(guī)則波序列。越浪量試驗(yàn)的模型設(shè)計(jì)見圖8。

圖8 越浪量試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖Fig.8 over topping model test design

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，波浪沖擊防汛墻后，因原設(shè)計(jì)斷面堤頂高程較高，達(dá)9.3m，沿墻面上爬水體不能到達(dá)堤頂，只有一些零星水花飛過(guò)堤頂。為了達(dá)到節(jié)約工程量和美化景觀的目的，本次研究進(jìn)行了防汛墻堤頂高程優(yōu)化試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量不同堤頂高程的越浪量，分析堤頂高程降低的可能性。堤頂高程與越浪量的關(guān)系見圖9。

圖9 越浪量與堤頂高程關(guān)系（8-8斷面）Fig.9 Relationship between the crest elevation and over topping （8-8 section）

為了進(jìn)一步降低越浪量，設(shè)計(jì)中考慮在原反L型防汛墻迎浪側(cè)上緣增加45°的鷹嘴挑檐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬度0.4m，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)挑檐結(jié)構(gòu)反浪效果非常好，同等高程的越浪量均遠(yuǎn)小于直立堤型式，增加了挑檐的防汛墻在堤頂高程降低至8.34m時(shí)，仍然沒有越浪產(chǎn)生。模型中挑檐結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的反卷情況見圖10。

圖10 挑檐結(jié)構(gòu)的反浪效果Fig.10 effect of the reflexed wave on the overhanging eave structure

5 結(jié)語(yǔ)

本論文基于實(shí)際工程項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)多種技術(shù)手段，對(duì)潛堤后防汛墻的越浪量進(jìn)行了研究，得到了防汛墻頂高程與越浪量的關(guān)系，并驗(yàn)證了優(yōu)化堤型的越浪量。研究表明：采用水槽斷面試驗(yàn)確定潛堤的透浪系數(shù)，然后引入SWAN模型模擬潛堤后方水域的波況，在技術(shù)上是可行的；采用水槽斷面試驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地測(cè)定防汛墻的越浪量，并進(jìn)一步確定堤頂高程與越浪量的關(guān)系；引入挑檐結(jié)構(gòu)可以較大程度地降低直立防汛墻的越浪量，在波高較小的地區(qū)可以廣泛推廣。

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