防波堤表面植被對越浪的影響

耿寶磊，高峰，孫精石，崔雷

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室，遼寧 大連 116023）

在海洋波浪場中，防波堤不但受到波浪的沖擊，在大浪作用下還會出現(xiàn)嚴(yán)重的越浪，往往造成巨大的經(jīng)濟損失，因此防波堤的越浪量不但是防波堤結(jié)構(gòu)和斷面設(shè)計的關(guān)鍵因素之一，也是衡量防波堤防浪效果以及評價堤后安全的重要參數(shù)。對越浪量的控制一方面需要在工程前防波堤設(shè)計中進行充分的論證，另外在工程后也可以采取一定的防護措施降低越浪量，而利用護岸植被消波即是有效手段之一。

以往對護岸植被消波作用的應(yīng)用和研究主要針對河道岸堤、堤圍及近岸的灘涂[1-3]，且這些研究多注重波高的衰減[4-5]、波浪的爬高以及護岸波壓力的變化[6-7]等，而鮮見針對護岸植被對越浪量影響的研究。本研究以天津中心漁港休閑作業(yè)區(qū)為依托工程，目前其東導(dǎo)堤柵欄板護面孔腔中長有成熟的大體植株。本文采用物理模型試驗方法，針對天津中心漁港東導(dǎo)堤已有的植被情況進行斷面試驗，探討防波堤表面植被對越浪量的影響，從而為防波堤越浪問題的相關(guān)研究提供借鑒。

1 試驗條件

1.1 試驗斷面

選取天津中心漁港休閑作業(yè)區(qū)東導(dǎo)堤泥面高程+1.0 m處初步設(shè)計斷面為參考斷面，斷面形式見圖1。該斷面泥面高程+1.0 m，肩臺高程為+3.0 m，堤頂高程為+6.0 m，胸墻頂高程為+7.5 m。斷面海側(cè)肩臺至堤頂鋪設(shè)柵欄板，且肩臺與堤頂之間的坡度為1∶2；肩臺以下鋪設(shè)200~300 kg塊石，坡度為1∶3。由于本研究主要考察植被的消波作用，試驗中暫未考慮胸墻結(jié)構(gòu)，因此模型設(shè)計時斷面的堤頂高程為+6.0 m。

圖1 東導(dǎo)堤+1.0 m泥面高程初步設(shè)計斷面Fig.1 Preliminary design section of east-breakwater at+1.0 m mud surface elevation

1.2 試驗水位

設(shè)計高水位：+4.30 m。

1.3 波浪條件

根據(jù)已有研究成果，ENE向為該海域常浪向和強浪向，因此選取ENE向為波浪作用方向。對于護坡植被的消波效果而言，其對較小波浪的消減較為明顯，因此選取重現(xiàn)期2 a波浪作為參考，設(shè)計高水位重現(xiàn)期2 a的0~+3 m等深線ENE向波浪的H13%在1.26~0.78 m之間，根據(jù)該波高范圍，試驗斷面入射波要素選取有效波高分別為1.25 m，1.0 m，0.8 m和0.6 m，平均周期均取5.6 s，試驗波要素組次見表1。

表1 試驗波要素Table1 Wave factors in experiment

2 模型設(shè)計與制作

2.1 相似準(zhǔn)則與模型比尺

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，結(jié)構(gòu)斷面尺寸按幾何相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用正態(tài)模型。根據(jù)試驗要求，結(jié)合植株尺寸和斷面結(jié)構(gòu)尺度，并考慮試驗場地及設(shè)備能力，取模型幾何比尺為10，亦即波高比尺為10，周期比尺為3.16，越浪量比尺為31.62。

2.2 斷面制作

試驗中嚴(yán)格按照J(rèn)TJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[8]的要求進行模型制作。斷面模型中各種塊石和塊體按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，試驗中考慮ρ海水=1.025ρ淡水，在計算模型重量時考慮了這種影響。

2.3 模型植被

1）植株的尺寸。護岸植被為具有一定高度的植株，根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)研得到其主要尺寸見表2。

表2 護岸植株的外形幾何數(shù)據(jù)Table 2 Shape size of the vegetation on breakwater

根據(jù)依托工程的結(jié)構(gòu)斷面形式和水文條件，試驗中為滿足斷面水位的要求，以表2的植株外形數(shù)據(jù)為依據(jù)稍作調(diào)整，即：樹高取130 cm，胸徑5 cm，冠幅100 cm，冠高70 cm。對于植株的胸徑，這里指樹干的平均直徑。以模型樹為例，植株各部分示意圖見圖2。試驗中，護岸植株（樹）的模型選擇需要綜合考慮幾何外形相似和力學(xué)性能相似。由于原體護岸植株高度取130 cm，按照1∶10的幾何比尺，設(shè)定模型樹露出地表的高度為13 cm，其中冠高7 cm。對于原體的樹木而言，其枝葉柔性較大，而樹干部分有一定的韌性，試驗中根據(jù)樹干部分在外力F作用下的幾何變形dl相似（如圖3）條件，選取合適的材料代替模型樹。

圖3 樹干在外力作用下的幾何變形示意圖Fig.3 Deformation sketch for tree by force

對于植物的株距，由于在現(xiàn)實中，樹林的密度有一個不致太疏也不致太密的普遍經(jīng)驗值，即株距和行距確定為使樹之間樹冠外沿剛好接觸而不刺入對方，因此株距和行距均取植株冠幅的一半，即50 cm，模型中取株距和行距均為5 cm。

2）樹木模型的選取。對材料的選取進行理論分析，將圖3的模型假定為懸臂梁，則在集中荷載F的作用下，懸臂梁的撓度dl可用下式計算：

式中：l為懸臂梁長度；E為懸臂梁的彈性模量；I為懸臂梁截面慣性矩，當(dāng)截面為圓形時，可用下式計算：

式中：d為圓截面的直徑。

當(dāng)原型和模型的幾何變形相似時，即dl原型/dl模型=λ，將式（1）代替 dl，并考慮 F原型/F模型=λ3，當(dāng)λ=10時，可得：

即原型材料彈性模量與模型材料彈性模量之比等于幾何比尺。

木材的彈性模量約為 0.098×105~0.12×105MPa，塑料（低壓聚乙烯）材料的彈性模量約為0.004 8×105~0.007 8×105MPa，兩者的比值范圍在12.56~25之間，因此可尋找一種塑料材料并適當(dāng)提高其彈性模量即可滿足比尺要求。

試驗前利用砝碼率定不同種類的樹干材料在外力作用下的變形曲線（見圖4），最終找到塑料材質(zhì)的模型樹力學(xué)性能與原體樹木的變形曲線較為吻合（見圖5），原型樹木的理論撓度曲線計算時取樹干長度為1.3 m，樹干截面直徑為0.05 m，彈性模量為0.098×105MPa。

圖5 模型材料變形曲線（撓度）與理論曲線的比較Fig.5 Comparison of deflection curve for model material and theory value

該種材料的模型樹枝葉部分為塑料材質(zhì)，其樹干部分外部為塑料，中間為一根較細(xì)的鐵絲，模型樹見圖2。另外，在模型制作中，通過在模型樹的下部捆綁一段鐵絲，然后鐵絲部分完全插入到柵欄板的空隙中。

3 試驗設(shè)備與方法

1）波浪模擬。試驗在交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院水工試驗廳風(fēng)浪水槽中進行，水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m。試驗波浪采用頻譜不規(guī)則波，頻譜采用JONSWAP譜（簡稱J譜）模擬。

2）單寬越浪量的測量。試驗時，在斷面堤頂距離堤頂前沿1 m（原型值）位置處用接水裝置接取越浪水體，通過測量體積得到模型的單寬越浪量。

3）越浪量消減系數(shù)的定義。設(shè)無植被方案時的越浪量為c1，有植被方案時的越浪量為c2，則定義越浪量的消減系數(shù)m為：

4）試驗組次。試驗中采用柵欄板和六角型多孔塊體2種護面塊體，并分別在無植被試驗的基礎(chǔ)上，進行了不同植被種植位置對越浪影響的比較，具體的試驗組次見表3。

表3 試驗組次Table3 Cases for experiment

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 柵欄板方案不同種樹位置越浪量的比較

為了考察不同位置的植被對波浪消減的影響，試驗中將樹木種植在肩臺、護岸斜坡和堤頂3個位置，且在3種方案中均采用矩形布置3排植被，模型中樹木的行距和株距均為5 cm。對于肩臺種樹方案，中間排植株位于肩臺的中央；對于斜坡種樹方案，將最下排樹木種植在斜坡的中間部位，由于斜坡鋪設(shè)兩塊柵欄板，即最下排樹木種植在第一塊柵欄板的下沿，其距斜坡頂部的距離約為36 cm；對于堤頂種樹方案，第一排樹木緊靠堤頂?shù)那把亍?/p>

圖6給出了不同種樹位置時單寬越浪量的比較；圖7給出了相應(yīng)的越浪量消減系數(shù)的比較。從圖6可以看出，3種方案越浪量隨入射波高的增大而增大，與種樹位置在肩臺時相比，種樹位置在斜坡和堤頂時越浪量明顯減少，且斜坡方案的越浪量略小于堤頂方案。在入射波高為0.6 m時，堤頂和斜坡2種方案的單寬越浪量為0，肩臺方案的單寬越浪量為6.41×10-4m3/（m·s）。從圖7可以看出，3種方案m值隨入射波高的增大而減小，且斜坡方案的m值略大于堤頂方案。在入射波高為0.6 m時，堤頂和斜坡2種方案的m值為1，肩臺方案的m值為0.337。

圖6 柵欄板護面不同種樹位置時越浪量的比較Fig.6 Comparison of overtopping water for different plant locations on fence panels

圖7 柵欄板護面不同種樹位置時m值的比較Fig.7 Comparison of m for different plant locationson fence panels

樹木種植在斜坡和堤頂時消波能力較好的原因在于，該2種方案時波浪的沖擊和破碎可直接作用于植被上，減弱了護面塊體（柵欄板）與波浪的作用。另外，堤頂方案比斜坡方案略差的原因在于斜坡方案時主要靠樹木的枝葉進行消波，而堤頂方案時主要靠樹木的樹干部分進行消波，從而表明樹木的枝葉消波能力要好于樹干。圖8是不同種樹位置時植被的消波狀態(tài)，從圖中可以看出，肩臺方案時部分波浪可越過植被；斜坡方案時波浪直接作用于植被上，枝葉的消波能力較強；堤頂方案時，波浪作用于植被的下部樹干部分。

圖8 柵欄板護面不同種樹位置時消波效果的比較Fig.8 Comparison of absorbing effect for different plant locations on fence panels

4.2 六角型多孔塊體方案不同種樹位置越浪量的比較

六角型多孔塊體是一種新型的護面塊體，其研究和應(yīng)用的時間不長。六角型多孔塊體的典型應(yīng)用即為我國連云港西大堤，在該工程4+725~4+755 m之間50 m長的堤段進行了六角型多孔塊體的工程性試驗。經(jīng)過研究比較并結(jié)合工程實際，證實該塊體確實具有施工方便，速度快，材料省，造價低等優(yōu)點。

本試驗選取六角型多孔塊體進行試驗，一方面考慮其工程實踐中的諸多優(yōu)點，另外還考慮其多孔結(jié)構(gòu)的孔腔中適合種植樹木的特點。試驗中選用的六角型多孔塊體的尺寸如下：六邊形邊長為5.5 cm、內(nèi)部圓孔直徑為2.2 cm，塊體厚度為1.8 cm。按照1∶10的模型比尺，假定混凝土密度為2.3×103kg/m3，可計算得到該塊體原型的單塊重量為215 kg。六角型多孔塊體具有以嵌固性和重量維持穩(wěn)定的特點，根據(jù)孫精石等人的研究[9-11]，單個六角型多孔塊體的最小重量為200 kg時可滿足設(shè)計波高4 m的穩(wěn)定要求（無豎向通縫排列方式），因此對于本試驗波浪條件，所選擇的塊體尺寸是滿足穩(wěn)定性要求的。

試驗中采用相同的斷面形式，僅將六角型多孔塊體代替柵欄板，模型的布置與采用柵欄板護面時的布置形式相同。圖9是塊體的擺放方式示意圖和斷面模型的照片。

圖9 六角型多孔塊體擺放方式示意圖及斷面模型照片F(xiàn)ig.9 Layout of hexagon multiholearmour block and the section model picture

圖10 給出了六角型多孔塊體護面不同種樹位置時越浪量的變化；圖11給出了對應(yīng)工況越浪量消減系數(shù)的變化。從圖10可以看出，3種方案越浪量隨入射波高的增大而增大，與種樹位置在肩臺時相比，種樹位置在斜坡和堤頂時越浪量較少，且斜坡方案的越浪量最小。在入射波高為0.6 m時，斜坡方案的越浪量為0，肩臺方案的單寬越浪量為5.18×10-4m3/（m·s），堤頂方案的單寬越浪量為1.78×10-4m3/（m·s）。從圖11可以看出，3種方案m值隨入射波高的增大而減小，且斜坡方案的m值最大。在入射波高為0.6 m時，斜坡方案的m值為1，肩臺方案的m值為0.809，堤頂方案的m值為0.935。

通過對越浪的分析表明斜坡種樹的消波效果要優(yōu)于其他兩種方案，這與柵欄板護面時不同種樹位置植被消浪效果的趨勢是一致的。

圖10 六角型多孔塊體護面不同種樹位置時越浪量比較Fig.10 Comparison of overtopping water for different plant locations on hexagon multihole armour block

圖11 六角型多孔塊體護面不同種樹位置時m值比較Fig.11 Comparison of m for different plant locations on hexagon multihole armour block

4.3 2種護面塊體肩臺種樹方案試驗結(jié)果的比較

為了檢驗不同護面塊體對植被消波效果的影響，對2種護面塊體肩臺種樹方案的試驗結(jié)果進行比較。圖12給出了2種護面結(jié)構(gòu)肩臺種樹3排時越浪量的比較，圖13給出了對應(yīng)越浪量消減系數(shù)的比較。

圖12 不同護面塊體時堤頂越浪量的比較Fig.12 Comparison of overtopping water for different armour blocks

圖13 不同護面塊體時m值的比較Fig.13 Comparison of m for different armour blocks

從圖12可以看出，在無植被時，2種護面結(jié)構(gòu)的越浪量隨入射波高的增大而增大，且六角型多孔塊體護面的越浪量大于柵欄板護面。在肩臺種樹后，2種工況的越浪量仍隨入射波高的增大而增大，且2條曲線差異較小，在入射波高1.25 m時，單寬越浪量分別為7.250×10-3m3/（m·s）（六角型多孔塊體）和7.418×10-3m3/（m·s）（柵欄板），兩者僅相差2.26%。從圖13可以看出，2種工況的m值均隨入射波高的增大而減小，六角型多孔塊體護面肩臺種樹后的m值明顯大于柵欄板護面肩臺種樹情況。在入射波高1.25 m時，2種情況的m值分別為0.510（六角型多孔塊體）和0.102（柵欄板）。

5 結(jié)語

本文通過物理模型試驗，研究了防波堤表面植被對越浪的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）護岸植被對波浪有一定的消減作用，可減小波浪對護面結(jié)構(gòu)的直接沖擊，并降低越浪量。

2）就消波效果而言，斜坡種樹方案的消波效果要優(yōu)于肩臺和堤頂種樹方案；堤頂種樹方案的消波效果好于肩臺方案。且通過對堤頂種樹方案和斜坡種樹方案消浪機理的分析還表明樹木枝葉的消波能力要強于樹干的消波能力。

3）對于柵欄板和六角型多孔塊體兩種護面結(jié)構(gòu)肩臺種樹方案，通過對越浪量的分析表明植被對于改善消能較差的護面塊體的消波效果更明顯。

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