海岸防護工程胸墻穩(wěn)定性及越浪量研究

尤 薇

（1.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京210000；2.江蘇省水運工程技術(shù)研究中心，南京210000）

海岸防護工程胸墻穩(wěn)定性及越浪量研究

尤 薇1，2

（1.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京210000；2.江蘇省水運工程技術(shù)研究中心，南京210000）

文章采用物理模型試驗對日照港石臼港區(qū)海岸防護工程中胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進行了研究。首先，利用物理模型對不同高程下胸墻越浪量進行研究，確定了胸墻頂高程為7.5 m時，可滿足越浪量控制要求；然后，對有無潛堤作用下，防護工程胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進行試驗研究。研究結(jié)果表明：極端高水位時，50 a一遇波高作用下，潛堤對后方防護措施影響較小，但是100 a一遇波浪作用時，由于波浪在潛堤處產(chǎn)生了破碎從而導致波高發(fā)生衰減，因此提高了后方防護設(shè)施胸墻的穩(wěn)定性。

海岸防護工程；越浪量；穩(wěn)定性；物理模型

海岸防護工程對于岸線保護具有十分重要的意義。防護工程設(shè)計中，越浪和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是兩大不可忽略的問題，其不僅關(guān)系到水工結(jié)構(gòu)本身的安全，還關(guān)系防護工程后方居民的生命財產(chǎn)安全問題。因此，對其進行研究是十分有意義的。

隨著科技的不斷發(fā)展，越浪量模擬技術(shù)也取得了飛快的發(fā)展。按照研究方法的不同，可分為物理模型和數(shù)值模型。對于越浪的數(shù)值模擬，其主要是基于計算流體力學軟件進行二次開發(fā)，使其具備造波消波的能力，并能運用于越浪模擬［1-7］。由于受數(shù)值計算方法的限制，這類方法目前還存在一定的不足，例如：受紊流模型以及波面捕捉方法的限制，目前數(shù)值模型對于波浪破碎的模擬精度還不高；此外，采用數(shù)值研究方法還不能模擬出柵欄板，扭王字塊體等對越浪的影響等。對于越浪的物理模型試驗方法而言，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已相對成熟，目前也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到實際工程領(lǐng)域，如防波堤、船廠胸墻的設(shè)計等［8-10］，具有較高的實際應(yīng)用價值。對于建筑物的穩(wěn)定性研究，由于數(shù)值模型模擬方法還相對不成熟，因此目前主要還采用物理模型進行研究［11-12］。

日照港石臼港區(qū)擬進行海岸帶恢復(fù)開發(fā)的護岸工程建設(shè)，工程具體位置如圖1所示，圖中方框所示區(qū)域

即為本次工程區(qū)域。該項目建成以后將對當?shù)氐暮０稁┩抠Y源具有一定的保護作用。為了確定海岸防護工程中胸墻的頂高程，并對越浪量和穩(wěn)定性進行分析，本文在波浪水槽中對該工程進行了試驗研究。研究過程共可分為兩個部分：首先對不同頂高程胸墻的越浪量進行了試驗，試驗結(jié)果表明胸墻頂高程為7.5 m時可滿足越浪量控制要求；然后再根據(jù)確定好的胸墻尺寸，對有無潛堤作用時，胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進行分析研究。研究結(jié)果表明：50 a一遇波高作用下，潛堤對后方防護措施受力影響不大，而100 a一遇波高作用時，潛堤可有效削減波浪力提高胸墻的穩(wěn)定性。

圖1 工程海域位置示意圖Fig.1 Location of project

1 工程概況與模型概況

1.1 試驗?zāi)Ｐ透艣r

本次試驗在無反射波浪水槽中進行，該水槽長約81.0 m、寬1.4 m、高2.6 m。按照區(qū)域功能的不同，整個試驗水槽寬度方向可為兩部分：工作區(qū)和消波區(qū)。水槽一端安裝由計算機控制的低慣量直流電機式不規(guī)則造波機，其不僅能精確的生成線性波、斯托斯克波、橢圓余弦波等規(guī)則波，同時還能生成具有Johnswap譜和PM譜的正向不規(guī)則波；水槽末端則安有消波設(shè)施，能較好的消除反射波。據(jù)測試，該消波設(shè)備能消除95%以上的反射波。本次試驗才采用的波高采集儀和波壓力測量設(shè)備均采用DS-30系統(tǒng)。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本次工程區(qū)域位于日照港石臼港區(qū)，主要研究內(nèi)容可分為兩個部分：第一部分是根據(jù)試驗確定防護工程胸墻的頂高程；第二部分是對有無潛堤方案時護岸工程中胸墻的越浪量和穩(wěn)定性進行分析。本次工程共選取了斷面1-1和斷面2-2進行相應(yīng)物理模型試驗，其斷面具體位置示意見圖2。

本次試驗采用正態(tài)模型模擬，并按照重力相似準則進行設(shè)計，即模型與原型之間Froude數(shù)相等，模型比尺為1：20。試驗水位以日照港石臼港區(qū)理論最低潮面為基準面，其極端高水位為5.90 m，設(shè)計高水位為4.83 m，設(shè)計低水位為0.57 m。試驗分別對極端高水位、設(shè)計高兩種水位條件下100 a一遇和50 a一遇波浪作用組合進行了研究。本次斷面實驗的邊界波要素主要由波浪模型從外海推算得出，模型具體參數(shù)可詳見表1。表1中Tˉ為平均周期，按照《隨機波浪及其工程應(yīng)用》［14］，有效周期與平均周期之間的可以由TS＝1.15Tˉ計算得出。

進行胸墻穩(wěn)定性試驗時，為了測量作用在擋浪墻上波浪力的大小，分別在擋浪墻的迎浪面和墻底布置了5處和4處波壓力測量點。胸墻底部的波浪力傳感器布置位置呈等間距分布，每個傳感器布置間距為20 mm，從左往右依次取名為B1～B4測點；胸墻迎浪面?zhèn)鞲衅鞑贾瞄g距呈不均勻分布，第一個測點A5布置在胸墻前趾15 mm處，第二個測點A4與第一個測點A5之間距離為30 m，第三個A3測點與第二個測點A4之間距離為25 mm，最后兩個測點A2、A1布置位置為距離前一測點35 mm，其具體位置可詳見圖3所示，為確保測量數(shù)據(jù)的準確性，每個壓力測量點均安裝了兩個傳感器，計算時采用兩個傳感器的平均值確定該點的受力大小。

圖2 本工程區(qū)域示意圖Fig.2 Location of section 1-1 and section 2-2

表1 試驗波浪模型值一覽表Tab.1 Wave parameters of experimental model

圖3 擋浪墻壓力傳感器安裝位置圖Fig.3 Distribution of measured point of wave force

2 模型結(jié)果分析

2.1 胸墻頂高程確定試驗

為了確定海岸防護工程擋浪墻的頂高程，本文選取了位于開敞海域的2-2斷面進行越浪試驗。本次試驗進行比選的胸墻高程方案有+7.00 m，+7.20 m和+7.50 m，試驗結(jié)果見表2。按照要求，本工程最大允許越浪量為0.028 m3/m·s，由表2可知，胸墻頂高程為7.5 m時可滿足越浪量需求。為了對試驗中越浪發(fā)生的頻次進行統(tǒng)計，表2中給出了越浪頻次出現(xiàn)率的大小，其主要是通過試驗中越浪發(fā)生的次數(shù)與試驗總波列數(shù)的比值計算得出。整體而言，越浪率隨著頂高程的增加而逐漸減小。

2.2 胸墻穩(wěn)定性和越浪試驗

在對海岸防護工程胸墻越浪量和穩(wěn)定性研究時，本文主要選取了斷面2-2的試驗結(jié)果進行分析。這主要是由于1-1斷面屬于開敞海域，外海波要素相對較大，波浪從外海向近岸傳播時，在胸墻前的斜坡上便會產(chǎn)生破碎使得波高衰減，導致作用于胸墻的波浪力相對較小。圖4顯示了有潛堤作用時1-1斷面示意圖。如圖4所示，胸墻頂高+7.50 m，胸墻前是一個比較緩的自然斜坡，坡度為1：30，潛堤位于胸墻前250 m左右的位置。

表2 擋浪墻不同頂高程越浪量一覽表Tab.2 The overtopping of different height breast walls

圖4 有潛堤方案工程1-1斷面示意圖Fig.4 Profile view of section 1-1

2.2.1 無潛堤方案試驗

（1）越浪量分析。

根據(jù)無潛堤方案的試驗結(jié)果，擋浪墻在極端高水位作用時，波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時均產(chǎn)生了越浪，越浪量實測值如表3。在設(shè)計高水位作用下，入射波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時，無越浪現(xiàn)象產(chǎn)生。越浪概率為越浪次數(shù)與總的試驗波列數(shù)的比值，從表3可以看出，100 a一遇波浪作用時的越浪次數(shù)大于50 a一遇時的波浪越浪次數(shù)。

表3 擋浪墻一越浪量表Tab.3 The overtopping in the situation without submerged breakwater

（2）波浪力分析。

對胸墻進行穩(wěn)定性試驗時，有3個重要時刻需進行關(guān)注：最大水平波浪力時刻（波峰作用），最大浮托力時刻以及最大負向水平力作用時刻（波谷作用）。本次試驗中，由于波浪在胸墻前的淺灘處已經(jīng)發(fā)生了破碎，并產(chǎn)生了強烈的紊動，波峰波谷的區(qū)分已經(jīng)不為明顯，因此本次試驗重點關(guān)注作用于胸墻的最大水平力作用時刻和最大浮托力作用時刻作用力的情況。

極端高水位作用下，入射波高重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時，各測點的最大波浪力測量結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，胸墻迎浪面的最大波壓力點出現(xiàn)在A3點，胸墻底部的最大波浪力出現(xiàn)在B1點。對于極端高水位下，不同重現(xiàn)期波浪作用時，胸墻底部變化率比胸墻迎浪面的波浪力變化率大。胸墻底部最大波浪力對于波要素的變化更為敏感。對于胸墻迎浪面而言，不同重現(xiàn)期波浪作用下，最大波浪力變化率由上往下呈逐漸增大的趨勢。

表4 極端高水位作用時最大波浪力測量結(jié)果Tab.4 The maximum wave force of experiment without submerged breakwater kPa

表5顯示了極端高水位作用下最大水平波浪力時刻和最大浮托力時刻各測點的測量結(jié)果。從表5可以看出極端高水位作用下，最大水平波浪力出現(xiàn)時刻，胸墻迎水面所受波浪力要大于胸墻底部所受波浪力，其最大值出現(xiàn)在A3測點，其值分別達到了21.41 kPa和22.40 kPa。相比而言，波浪力變化率卻呈現(xiàn)一個相反的趨勢，不同重現(xiàn)期波浪作用下，胸墻迎水面的波浪力變化率要遠小于胸墻底部波浪力的變化率，變化率最大點出現(xiàn)在B4點，變化率達到了78.73%。最大浮托力時刻，胸墻迎水面的波浪力與胸墻底部波浪力作用大小相近，50 a一遇波浪作用時，波浪力最大值出現(xiàn)在A3測點，其值達到了16.81 kPa；100 a一遇波浪作用時，波浪力最大值出現(xiàn)在A4測點，其值達到了20.96 kPa。整體而言，不同重現(xiàn)期波浪作用下，胸墻迎水面的波浪力變化率要略大于胸墻底部波浪力的變化率，變化率最大點出現(xiàn)在A1點，達到了55.78%。

圖5 擋浪墻在極端高水位及100 a一遇波浪作用時越浪示意圖Fig.5 Wave overtopping on the breast wall

表5 極端高水位最大水平波浪力時刻與最大浮托力時刻測量結(jié)果Tab.5 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

表6 擋浪墻一越浪量表Tab.6 The overtopping in the situation with submerged breakwater

圖6 極端高水位100 a一遇時波浪破碎圖Fig.6 Wave breaking near the submerged breakwater

2.2.2 有潛堤方案試驗

有潛堤方案時，胸墻高程、設(shè)計水位及入射波要素等參數(shù)均與無潛堤方案相同。潛堤設(shè)置位于胸墻前約250 m處，潛堤頂標高為-1.3 m，堤心石采用300～400 kg塊石結(jié)構(gòu)，表層鋪設(shè)600 mm厚的柵欄板進行防護，具體情況見圖6。

（1）越浪量結(jié)果分析。

有潛堤方案時，在極端高水位作用下，波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時均產(chǎn)生了越浪，試驗結(jié)果如表6所示。在設(shè)計高水位作用下，入射波浪重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時，均無越浪現(xiàn)象產(chǎn)生。

與無潛壩方案相比，有潛堤工程方案在極端高水位作用下，50 a一遇波浪作用時，胸墻底部越浪量減少了約22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率減少了約7%；100 a一遇波浪作用時，越浪量減少了約25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率減少了約4%。

（2）波浪力分析。

有潛堤作用時，極端高水位作用下，入射波高重現(xiàn)期為50 a一遇和100 a一遇時，波壓力測點的最大波浪力測量結(jié)果如表7所示。從表7可知，胸墻迎浪面的最大波壓力出現(xiàn)點與無潛堤方案相比未發(fā)生明顯變化，均為A3點，胸墻底部的最大波浪力出現(xiàn)在B1點。整體而言，100 a一遇波浪作用下胸墻迎水面所收到的波浪力要小于50 a一遇波浪作用時，最大變化率達到了-11.7%。這主要是由于100 a一遇波浪作用時在潛堤處產(chǎn)生了破碎，使得波高發(fā)生衰減。潛堤作用引起的波浪破碎見圖6。與無潛壩方案相比，100 a一遇波浪作用時胸墻所受的最大波浪力有所減小，其變化幅度最大達到了-14.5%。

表8為極端高水位時，最大水平力作用時刻和最大浮托力時刻波浪力的測量結(jié)果。整體而言，胸墻迎水面和底部波浪力分布趨勢未出現(xiàn)明顯變化，迎水面最大波浪力仍出現(xiàn)在A3點位置，胸墻底部最大波浪力仍出現(xiàn)在B1點。與50 a一遇波要素作用下胸墻迎水面所受的波壓力相比，100 a一遇波浪作用下迎水面波浪力有所減小，其中最大變化幅度達到15.7%。與無潛壩方案相比，100 a一遇波浪作用時胸墻所受的最大波浪力均有所減小，其變化幅度最大達到了-14.5%。

表7 有潛堤方案極端高水位下最大波浪力測量結(jié)果Tab.7 The maximum wave force of experiment with submerged breakwater

表8 有潛堤方案極端高水位下最大水平波浪力時刻和最大浮托力時刻測量結(jié)果Tab.8 Wave force at the moment of maximum horizontal wave force and maximum buoy force without submerged breakwater

3 結(jié)論

綜上所示，無潛壩作用時胸墻迎浪面的最大波壓力點出現(xiàn)在A3點，胸墻底部最大波浪力出現(xiàn)在B1點，胸墻所受波浪力隨著波高的增加而增大，就變化率而言，100 a一遇波浪作用下，胸墻底部變化率比胸墻迎浪面的波浪力變化率大。不同重現(xiàn)期波浪作用時，胸墻迎浪面最大波浪力變化率呈由上往下呈逐漸增大趨勢。與無潛壩方案相比，有潛堤工程方案在50 a一遇波浪作用時，胸墻底部越浪量減少了約22.62%（0.001 9 m3/m·s），越浪率減少了約7%；100 a一遇波浪作用時，越浪量減少了約25%（0.002 5 m3/m·s），越浪率減少了約4%?？傮w而言，有潛堤時，50 a一遇波浪作用下胸墻穩(wěn)定性無明顯變化，而100 a一遇波浪作用下，胸墻穩(wěn)定性有顯著提高。

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Study of stability and overtopping of breast wall in coastal protection engineering

YOU Wei1,2
（1.China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China;2.Jiangsu Province Water Transport Engineering Research Center,Nanjing 210000,China）

In this paper,the stability and overtopping of breast wall in Rizhao harbor was studied by physical model.According to the difference of content,the research can be divided into two parts:firstly,the overtopping of different height walls was studied,and it is found that when the height reaches up to 7.5 m,it can meet the requires of overtopping.And then the stability of breast wall in the condition of submerged breakwater was learned.The re?sult of research shows that in the condition of extreme high water level,the submerged breakwater has little impact on the stability of breast wall when the incident wave height period is 50 years,while for the condition of 100 years, the wave will break in front of the submerged breakwater,which will cause the breast wall more stable.

coastal protection engineering;overtopping;stability;physical model

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2016）06-0578-06

2016-07-22；

2016-08-05

江蘇交通運輸科技項目《江蘇沿海建港條件及關(guān)鍵技術(shù)集成研究》（2011Y01）

尤薇（1984-），女，江蘇省南京人，工程師，主要從事港口與海岸工程安全模擬研究工作。

Biography：YOU Wei（1984-），female，engineer.