階梯式海堤波浪爬高試驗研究

陳 剛，李 君，胡金春

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

采用預(yù)制塊、干砌塊石等護面的斜坡式海堤已得到廣泛應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)海堤的波浪作用已有大量的研究與分析，但其需要消耗較多的工程材料，在城市防洪工程中還會影響城市景觀。親水型階梯式斜坡海堤結(jié)構(gòu)簡單美觀，平時可作為旅游者休閑活動場所，臺風(fēng)期可抵御風(fēng)浪。然而這種結(jié)構(gòu)的消浪效果與傳統(tǒng)海堤相比有何差異，不同臺階尺寸的消浪效果如果，目前研究不多。

選擇階梯式海堤，通過不同波高、周期的組合試驗，對比分析階梯式和干砌塊石護面的波浪爬高，對階梯式海堤的波浪爬高進行初步探索，并提出階梯式海堤的糙滲系數(shù)，試驗結(jié)果可為今后的類似設(shè)計提供參考。

2 斷面形式及水文條件

2.1 斷面基本方案

根據(jù)海堤工程安全、景觀、親水等多功能要求，試驗采用單斜坡坡比1∶2.5。階梯式海堤設(shè)2個方案，方案1:臺階高16cm，寬40cm;方案2:臺階高22cm，寬55cm，方案3:對比分析干砌塊石護面形式 (即臺階高度為0的光滑斜坡)，試驗斷面結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 試驗斷面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 水文要素

設(shè)計堤前水文要素見表1，考慮到階梯式海堤景觀配套及安全因素，且主要應(yīng)用于波浪較小且周期不長的河口及內(nèi)河地區(qū)，因此設(shè)計波高介于2.0～3.4m，周期7～11s。

表1 試驗斷面堤前水文要素表

2.3 試驗設(shè)計

考慮堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素，采用模型比尺M=15，即長度比尺λL=λH=15，時間比尺λT=3.87，該比尺符合JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》［1］的要求。

試驗內(nèi)容為3個斷面方案和表1所示的水文組合，采用規(guī)則波試驗。試驗在浙江省水利河口研究院波浪實驗室不規(guī)則波水槽中進行，水槽長70.0m，寬1.2m，高1.7m，首端采用液壓造波機系統(tǒng)，可生成規(guī)則波和不規(guī)則波。為消除波浪反射，在水槽末端設(shè)置1∶7的消波灘，灘上裝有格柵及浮動泡沫板，借以吸收波浪能量，消波設(shè)施性能良好，基本上能消除反射波。水槽試驗段分割成0.5m和0.7m兩部分，0.5m寬的部分用來安放模型斷面和進行模型試驗，另一部分用于擴散造波板的二次反射波試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 波浪爬高試驗結(jié)果

不同方案的波浪爬高試驗值列于表2，并繪于圖2以便對比分析。

波浪爬高R:

(1)方案1＜方案2＜方案3(干砌塊石護面)，主要是階梯式的糙率較大，波浪沿斜坡前進破碎后，破波水流向上行進時，阻力較大，造成階梯式波浪爬高明顯小于干砌塊石護面;

表2 各方案海堤波浪爬高試驗值表 m

(2)同為階梯式海堤，方案2波浪爬高較大，波浪破碎后，水流在向上行進時，方案1水平方向上流程較短，導(dǎo)致斜坡方向上破波水流需要流經(jīng)更多臺階，波浪動能因此消耗更多，進而造成波浪爬高反而略小;

(3)大波高 (3.4m)小周期 (7s)的波浪爬高較大，而小波高 (2.0～2.7m)大周期 (10～11s)的波浪爬高較小。

圖2 各方案波浪爬高試驗值圖

3.2 階梯式海堤與干砌塊石海堤的消浪效果對比

3.3 階梯式海堤的糙滲系數(shù)

規(guī)則波在單坡上的波浪爬高可由SL 435—2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》［2］計算得出，比較試驗值與規(guī)范計算值，兩者較為吻合 (見圖4)，以此來反推階梯式海堤的糙滲系數(shù)KΔ。根據(jù)試驗結(jié)果分析可得出，階梯式海堤的糙滲系數(shù)KΔ=0.50～0.55，且方案1要小于方案2，階梯式海堤的糙滲系數(shù)與拋填2層塊石 (透水基礎(chǔ))護面結(jié)構(gòu)的糙滲系數(shù)基本接近。

圖3 階梯式海堤的消浪效果圖

圖4 干砌塊石護面波浪爬高試驗值與規(guī)范計算值對比圖

4 結(jié)語

本文以階梯式海堤作為研究對象，分析其在不同尺寸和水文要素組合下的波浪爬高，對比傳統(tǒng)的干砌塊石護面，可初步得到以下幾點認識:

(2)大波高 (2.7～3.4m)和小周期 (7～10s)的水文要素組合上，階梯式海堤的消浪效果要好于干砌塊石護面海堤，最小折減系數(shù)在0.7左右，小波高 (2.0m)、大周期(10～11s)水文要素組合，階梯式海堤消浪效果不明顯。

(3)依據(jù)規(guī)范公式的干砌塊石護面波浪爬高計算，反推階梯式的滲透系數(shù)，可得階梯式海堤的滲透系數(shù)KΔ=0.50～0.55。

考慮到城市景觀、人性化、親水性的實際需求，階梯式海堤的適用范圍主要在河口或內(nèi)河等周期不長、波高較小的水域。

［1］南京水利科學(xué)研究院.JTJ/T 234—2001波浪模型試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.SL 435—2008海堤工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.