帶擋浪墻斜坡堤在滿足越浪要求下的高程優(yōu)化試驗研究

戈龍仔,管 寧 ，陳漢寶，彭 程

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 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)

1 概 述

港口工程中擋浪墻的頂高程主要由潮位和波浪爬高確定，目前海岸工程逐漸向外海浪大、掩護條件較差區(qū)域發(fā)展，往往會設(shè)置高大擋浪墻以控制越浪。建成后的海堤完全避免越浪將會使堤頂高程增大，雖然對陸域進(jìn)行了有效防護，但綿長的高墻環(huán)繞，觀感差、壓抑，尤其在較小的場所，感覺尤甚。以往的設(shè)計主要考慮防浪功能要求，波浪稍大的海域，防浪擋浪墻高出地面多達(dá)3～5 m，近年來，離岸人工島建設(shè)工程越來越多，大多以休閑觀光、旅游和房地產(chǎn)開發(fā)為目的，對環(huán)境、生態(tài)和景觀的要求越來越高。如不能保持景觀特色、提高人的感觀，不利于項目開發(fā)，提高土地價值，甚至喪失開發(fā)價值，因此在大部分工程設(shè)計過程中一般考慮允許部分越浪，即在滿足越浪量要求條件下，通過采用調(diào)整不同堤頂型式和改變堤迎浪側(cè)形式，得到在滿足越浪要求前提下，堤頂高程又合理，顯得尤為重要[1-2]。對于防波堤高程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，參考《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS154-1-2011)第4.1.3節(jié)和5.12節(jié)可進(jìn)行設(shè)計，另外通過以往大量物理模型結(jié)果也總結(jié)出經(jīng)驗公式，即在不越浪的情況下，擋浪墻高程設(shè)計值為設(shè)計高水位加1.75倍H13%(重現(xiàn)期50 a)。但由于高程的確定需要結(jié)合當(dāng)?shù)夭ɡ藯l件來確定，而波浪引起的越浪是導(dǎo)致高程調(diào)整主要因素，越浪量本身的因素非常多，主要有海堤斷面形式、堤頂高程、堤前水深、堤前地形、波浪要素、風(fēng)速、風(fēng)向、堤的滲透性、擋浪墻的形式等[3-4]，導(dǎo)致越浪問題非常復(fù)雜，因此根據(jù)不同工程的實際情況，可采取不同優(yōu)化措施。本文以廈門港后石港區(qū)中利石化5萬t級碼頭護岸工程項目為例，探討降低擋浪墻高程和控制越浪的設(shè)計優(yōu)化論證，開展了波浪斷面物理模型試驗[5]，得到結(jié)果可為設(shè)計人員在類似工程設(shè)計時提供參考。

2 工程概況

2.1 工程及試驗簡介

圖1 工程平面布置Fig.1 Plan scheme of harbor

廈門港后石港區(qū)位于福建省南部沿海的廈門灣西南側(cè)，龍海市港尾島美村，護岸斷面為擬建中利石化碼頭工程，其后方東護岸長度為505 m，平面見圖1，結(jié)構(gòu)采用帶擋浪墻的塊體護面斜坡式結(jié)構(gòu)，堤前泥面高程為-7.0 m，堤頂高程為+10.0 m，采用5 t扭王字塊護面，護面坡度1:2；采用300～500 kg塊石作為墊層；護底塊石重量為80～100 kg，塊石端部坡度為1:2，擋浪墻采用現(xiàn)澆混凝土，形狀為“L”型，擋浪墻前平臺寬為9 m，安放5排扭王字塊；后方陸域高程為+8.5 m，護岸斷面結(jié)構(gòu)見圖2。試驗在波浪水槽中進(jìn)行，試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計，結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似，根據(jù)試驗場地、現(xiàn)有塊體質(zhì)量及試驗要求，模型選用幾何比尺為31.5，時間比尺為5.61，力比尺為31 255.9。試驗采用不規(guī)則波，波譜為JONSWAP 譜[6]。試驗波要素見表1。

表1 波浪試驗條件Tab.1 Wave conditions

2.2 工程允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)提出

圖2 護岸設(shè)計斷面Fig.2 Layout of revetment section

越浪量研究工作主要通過模型試驗來確定。堤頂越浪可能產(chǎn)生的不利影響主要表現(xiàn)在兩方面：(1)危及堤體和堤后結(jié)構(gòu)的安全；(2)危及建筑物的功能性安全，亦即影響到建筑物使用功能的發(fā)揮，其中尤以堤頂通道的交通安全為主。參考日本海堤護岸的越浪受災(zāi)界限[7]和美國陸軍工程師兵團編著的《海岸工程手冊》中提出的平均越浪量界限[8]，校核工況：本工程按“岸坡(墻)后無護面的護岸工程”考慮，在100 a一遇潮位疊加50 a一遇相應(yīng)波浪組合作用下，越浪量≤0.05 m3/m·s確保護岸結(jié)構(gòu)不致后方受嚴(yán)重沖刷而導(dǎo)致?lián)趵藟κХ€(wěn)受破壞。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計斷面試驗

表2 極端高水位 不同堤頂高程越浪結(jié)果Tab.2 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level

極端高水位+7.14 m重現(xiàn)期50 a波浪作用，雖然擋浪墻前設(shè)有一個9 m寬的扭王字塊平臺(5個塊體)，但爬高至平臺上的水體能量很難在短時間內(nèi)減弱，因而波浪越過較低擋浪墻產(chǎn)生越浪見圖3，測量其越浪量為0.073 3 m3/m·s，不滿足越浪量的要求。但對于擋浪墻穩(wěn)定性，由于其前方受塊體掩護(胸墻頂高出塊體0.51 m)及越堤能量損失，因此在波浪連續(xù)作用后，穩(wěn)定。

由于設(shè)計高程不滿足越浪要求，因此模型上通過在擋浪墻頂逐級加木條的方法，測量其越浪量結(jié)果，見表2。

3.2 堤頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化斷面一試驗

為滿足越浪量的要求，且考慮到后方設(shè)施的重要性以及陸域?qū)挾?，對堤頂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將堤頂高程由+10.0 m修改為+11.0 m，形狀由L型修改為反弧型，擋浪墻前平臺由9 m縮減5.4 m(塊體由5排縮至3排)，優(yōu)化后斷面一見圖4。

圖3 設(shè)計斷面堤頂越浪情況 圖4 優(yōu)化斷面一結(jié)構(gòu)設(shè)計情況Fig.3 Overtopping condition on design section Fig. 4 Structure design of optimized section one

在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，反弧型擋浪墻減小越浪效果明顯，測量越浪結(jié)果為0.034 6 m3/m·s，通過試驗觀測由于越浪量的減少，且迎浪側(cè)肩臺寬度減少，因而入射波浪能量全部集中于反弧型迎浪面見圖5-a，波浪連續(xù)沖擊作用下，反弧型擋浪墻后傾失穩(wěn)見圖5-b，說明越浪減小了，而胸墻受力，即在入射總能量不變的條件下，越入堤后能量變小，則作用在擋浪墻的能量變大，由于結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定，因此繼續(xù)對設(shè)計斷面進(jìn)行優(yōu)化。

5-a 堤頂越浪反射回海測 5-b 反弧型擋浪墻失穩(wěn)圖5 波浪被返回至海側(cè)和擋浪墻失穩(wěn)情形Fig.5 Situation of wave returned to the seaside and parapet unstable

3.3 堤坡度優(yōu)化二試驗

由于反弧型擋浪墻受力失穩(wěn)，因此仍在設(shè)計斷面(L型擋浪墻)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)以往研究成果[9]，考慮將迎浪側(cè)護面坡度1:2修改為1:1.5，其他均與設(shè)計斷面相同即優(yōu)化斷面二見圖6-a。

6-a優(yōu)化斷面二結(jié)構(gòu)設(shè)計 6-b堤頂越浪情況圖6 優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計和堤頂越浪情況Fig. 6 Situation of structure design optimized section and overtopping condition levee crest

在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測量此時越浪量為0.087 m3/m·s，越浪量也超過允許標(biāo)準(zhǔn)。與設(shè)計斷面相比較，隨著護面坡度變陡后，護面對波浪的消能面減小，以及堤前反射增加，波浪作用時堤頂越浪也相應(yīng)的增加，越浪現(xiàn)象見圖6-b，同樣模型上通過在擋浪墻頂逐級加木條的方法，測量其越浪量結(jié)果，見表3。由該優(yōu)化斷面越浪量結(jié)果可知，如果要滿足越浪的要求，則需要將堤頂高程加至+10.5 m以上。

表3 優(yōu)化斷面2極端高水位不同堤頂高程越浪結(jié)果Tab.3 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level for optimized section two

3.4 擋浪墻前增加護面塊體優(yōu)化三試驗

考慮到優(yōu)化斷面二，斜坡變陡有利于減少堤心石的用量，因此在此優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，加高擋浪高程至10.8 m，即優(yōu)化斷面三。

在極端高水位重現(xiàn)期50 a不規(guī)則波作用下，測量其越浪量為0.050 7 m3/m·s(優(yōu)化斷面二中模型上通過加木條方法至+10.8 m高程時測為0.045 m3/m·s)，分析主要原因為模型上是通過垂直加木條的方法至+10.8 m高程，而優(yōu)化斷面3擋浪墻的迎浪側(cè)為斜坡所致。優(yōu)化斷面三越浪量仍大于所要求的0.05 m3/m·s指標(biāo)，與設(shè)計溝通和以往試驗研究成果，進(jìn)一步在該優(yōu)化方案胸墻前方兩排扭王字塊上再安放2排(即為兩層)見圖7-a。

極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測量其越浪量為0.039 2 m3/m·s(即達(dá)到小于0.05 m3/m·s要求)，水體跌落最遠(yuǎn)距離為6.38 m見圖7-b。另外，波浪連續(xù)作用后，斷面各部分均保持穩(wěn)定。根據(jù)上述試驗結(jié)果，優(yōu)化斷面三滿足設(shè)計要求。

為了保障后方陸域?qū)挾龋瑢趵藟η凹缗_的寬度進(jìn)一步縮短優(yōu)化試驗，依次由5塊護面塊體減至4塊和3塊兩種方案，在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測量其越浪量分別為0.047 9 m3/m·s和0.051 7 m3/m·s，后者略大于允許越浪量，且根據(jù)以往研究成果[10-11]，二維水槽斷面試驗越浪量結(jié)果比三維整體試驗所測越浪量結(jié)果大于20%～30%，三維整體試驗從模擬的波浪傳播方向和地形淺水變形更接近實際波浪情況，因此肩臺采用3塊護面塊體方案，越浪量是可以接受的，且兩種工況在波浪連續(xù)作用后，斷面各部分均保持穩(wěn)定。

從上述各斷面優(yōu)化過程看，擋浪墻頂高程的提高、前肩臺寬度增加和弧形形狀均對減少越浪量有利，其中反弧型擋浪墻受力大，本身結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，對于反弧型擋浪墻受力大，工程上常采用增設(shè)泄壓孔方式，但本工程提出頂高程和迎浪側(cè)肩臺寬度是主要改善措施方向。試驗表明，肩臺寬度越大越浪量越少，試驗中分別對3塊、4塊和5塊扭王字塊分別進(jìn)行試驗，當(dāng)肩臺擺放5塊時越浪量是最小的，同時對投資增加也有限，因此，設(shè)計斷面選用肩臺為5塊布置作為最終斷面。依據(jù)評審專家意見要適當(dāng)考慮海平面上升的影響，越浪量需有一定富裕度，同時為了增強海堤對越浪水體的抗沖刷能力，在擋浪墻后設(shè)置了抗沖刷塊石。

3.5 減少越浪量工程措施提出

為了減少堤頂越浪量，依據(jù)上述試驗成果以及作者所進(jìn)行其它工程過程中研究成果[12-13]，統(tǒng)計目前工程可能采用措施見表4，當(dāng)然考慮作者的水平和經(jīng)驗有限，可能不限于以下措施。

表4 減少越浪量措施優(yōu)缺點對比Tab. 4 Comparison of advantages and disadvantages for measures to reduce overtopping

4 結(jié)語

通過對在較低的高程滿足越浪量和穩(wěn)定性的要求，運用波浪斷面物理模型試驗，對堤頂和設(shè)計斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施進(jìn)行了對比研究，可得以下結(jié)論：

(1)擋浪墻頂高程的提高、擋浪墻前肩臺寬度增加和優(yōu)化擋浪墻弧形斷面均對越浪量減少有利，其中反弧型擋浪墻受力大，本身結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，對于反弧型擋浪墻受力大，工程上常采用增設(shè)泄壓孔方式。本工程提出加高程和變肩臺寬度是改善越浪措施的方向，最終得到穩(wěn)定斷面。

(2)由研究成果總結(jié)，提出了一些工程上采用減少越浪量的實用措施。

(3)對重要建筑物或級別較高的海堤或護岸進(jìn)行頂高程等設(shè)計時,均要進(jìn)行物理模型試驗來測定越浪量的數(shù)值，使海堤或護岸的設(shè)計滿足使用要求、結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟合理。