威海灣海域治理工程物理模型試驗研究

張宏，高濤，馬杰，周鵬，戈龍仔

（1.山東省交通規(guī)劃設計院，山東 濟南 250031；2.交通運輸部天津水運工程科學研究院，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

0 引言

為保護和優(yōu)化海岸線生態(tài)環(huán)境，提升城市民生建設水平，威海市開展沿海岸線環(huán)境綜合整治工程。本項目針對其中的威海灣合慶山莊至東山賓館區(qū)段，進行波浪局部整體穩(wěn)定和沙灘剖面模型試驗，驗證各部分結構在不同水位波浪條件下的穩(wěn)定性、頂高程的合理性、人工沙灘的斷面穩(wěn)定性，并提出優(yōu)化方案，為設計提供依據(jù)。

1 項目概況

工程位于威海灣北側岸線，與劉公島隔海相望。近岸重現(xiàn)期50 a一遇波要素見表1。

表1 工程近岸重現(xiàn)期50 a一遇波浪條件Table 1 Wave condition of 50 years return period in engineering nearshore

工程包括直立式護岸、斜坡式護岸、觀景親水平臺及人工沙灘等組成[1-2]，見圖1、圖2。

圖1 斜坡式護岸結構圖Fig.1 Structure diagram of slope revetment

圖2 人工沙灘結構圖Fig.2 Structure diagram of artificial beach

2 研究方法

采用局部整體物理模型和沙灘剖面斷面試驗，驗證護岸結構穩(wěn)定性和人工沙灘剖面穩(wěn)定性。

2.1 局部整體物理模型

局部整體物理模型試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所波浪試驗廳水池內進行，港池寬45 m，長45 m，深1.2 m。模型水深地形采用樁點法復制，平面尺寸及高程按幾何相似原則制作。港池中配備有2臺25 m/臺可移動不規(guī)則造波機分別對E、NE向波浪進行模擬。模型水位通過測針控制。模型波高采用TK2008型動態(tài)波高測試系統(tǒng)進行波高測量。根據(jù)試驗場地、塊體重量及試驗要求，局部整體物理模型比尺為1∶25，試驗模擬范圍約為800 m×600 m，即水池模擬范圍為32 m×24 m[3]。波浪在由外海傳至近岸的過程中，波向會隨著地形折射及繞射發(fā)生轉變，通過折射模型對模型主要試驗浪向NE和E向的方向變化進行模擬，得到模型邊界處的實際波浪方向，見圖3。

圖3 模型平面布置圖Fig.3 Model layout plan

2.2 岸灘剖面穩(wěn)定斷面試驗

沙灘剖面穩(wěn)定性試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院水工廳波浪水槽中進行，水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m。造波機為電機伺服驅動推板吸收式造波機，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，波高采用波高傳感器測量，并通過SG2000型動態(tài)水位測量系統(tǒng)對波高進行采集分析。人工沙灘上泥沙中值粒徑為0.44 cm，在分析原型水動力條件和泥沙特性的基礎上，依據(jù)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[4]中的相關規(guī)定進行模型設計，采用重度為1.4 g/cm3，中值粒徑為0.042 cm的電木粉為模型沙，滿足泥沙的起動和沉降相似；充填土工袋采用原型材料，保證了摩擦系數(shù)相等，可以模擬土工袋的穩(wěn)定性[5]。泥沙運動采用正態(tài)模型。不規(guī)則波采用頻譜模擬，試驗采用JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》[6]推薦的波譜。根據(jù)試驗要求中給出的水位和波浪要素進行計算，結果見表2。

表2 試驗波要素規(guī)范譜參數(shù)Table 2 Standard spectrum parameter of test wave elements

3 局部整體穩(wěn)定性試驗結果及優(yōu)化方案

3.1 試驗結果

NE向試驗結果：波浪在東側護岸段弧形胸墻的作用下部分回卷至海側，部分水體向上沖擊后跌落在后方位置，形成較大越浪，部分護底塊石在波浪作用下有晃動現(xiàn)象，但波浪連續(xù)作用下未喪失護底功能，可認為穩(wěn)定；飯店段面對外海的內凹段在波浪作用下波能聚集嚴重，大部分波浪涌上護岸，一部分波浪匯流至凹段中間處形成越浪，由于凹段波能向中間匯集，護底塊石從凹段兩側隨波浪向中部移動，且有部分塊石滾落至護底坡腳處，護底失穩(wěn)；人工沙灘段受飯店填海部分掩護，波浪不大，但非掩護區(qū)的直立護岸段受波浪直接作用，形成較大的越浪，其下部護底塊石在波浪作用下有少量滾動，但波浪連續(xù)作用下未喪失護底功能，可認為穩(wěn)定；波浪沿直墻傳播作用于與直立護岸相交的斜坡護岸處，造成兩種結構相交處圓弧段的3 t護面塊體失穩(wěn)；斜坡式護岸段在波浪作用下，波峰線與護岸走向有一定夾角，波浪沿護岸岸線方向向西側移動，波浪沿護岸傳播并在斜坡護岸西端發(fā)生破碎，破波水體沖擊端部護面塊體結構及護底塊石，使此位置處的護底塊石在越堤水體向下沖擊和正向波浪在此匯集的共同作用，局部發(fā)生淘刷，失穩(wěn)的扭王字塊滾落至掏空處，掏空位置的護底塊石隨波浪沿岸向西側移動，滾落至西側景觀平臺位置處。護面塊體局部失穩(wěn)，護底塊石局部失穩(wěn)。E向作用時的結果與NE相似，但失穩(wěn)程度和越浪量相對較小，本文暫僅列舉NE向作用時的試驗結果。見圖4、圖5，表3。

圖4 飯店段內凹處護底塊石失穩(wěn)Fig.4 Stone blocks instability in the concave section of the hotel segment

圖5 斜坡護岸段西端護底塊石及護面塊體失穩(wěn)Fig.5 Instability of stone blocks and armor blocks at the west end of slope revetment segment

表3 越浪量結果Table 3 Results of wave overtopping

3.2 優(yōu)化方案及試驗結果

3.2.1 飯店段內凹處及端部優(yōu)化方案

針對飯店段內凹處及端部護底塊石失穩(wěn)，在原設計護底塊石上采用5～15 t大塊石拋填，經(jīng)過試驗驗證，該優(yōu)化方案可保證護底結構的穩(wěn)定，同時還可降低該處護岸的越浪量。

3.2.2 直立式護岸與斜坡式護岸相交處優(yōu)化方案

根據(jù)原方案試驗觀察，該處扭王字塊失穩(wěn)的主要原因為直立式護岸反射較大，且在波谷吸力的作用下，使得靠近直立式護岸的最下一排塊體首先滾落失穩(wěn)，繼而導致護面塊體連鎖失穩(wěn)，因此將相交圓弧段塊體由原設計3 t增加至5 t，同時提高護底塊石頂高程至坡腳處護面塊體的一般高度（半掩埋狀態(tài)）。經(jīng)過試驗驗證，該優(yōu)化方案護面結構穩(wěn)定。

3.2.3 斜坡式護岸西端連接段優(yōu)化方案

將斜坡式護岸末端扭王字塊失穩(wěn)及護底掏空位置處換成方塊結構堵頭，在連接處拋10 t礁石。經(jīng)過試驗驗證，個別拋填大塊石仍發(fā)生滾動，但整體可保證結構穩(wěn)定。

4 沙灘穩(wěn)定剖面試驗結果

在整個波浪的傳播過程中，泥沙運動主要集中在波浪破碎帶內。破碎帶內水體紊動較強，將灘沙裹挾在水體內，灘沙隨著破波水體向上爬升，一部分灘沙留在爬升的過程中，一部分灘沙隨回流的水體回到破碎帶附近。停留在爬升階段的灘沙逐漸形成灘肩，形成淤積體；而破碎帶附近的泥沙由于沒有足夠的沙源，出現(xiàn)了沖刷。淤積體的高度和沖刷的深度因波要素的不同而不同；淤積的位置和沖刷的部位因水位的不同而不同?？偟囊?guī)律為波浪越大，沖刷深度越深，淤積體高度越高。

4.1 50 a一遇波浪作用

4.1.1 極端高水位

極端高水位（2.08 m）時，50 a一遇波浪作用下，沙灘的主要沖刷區(qū)域位于高程+1.0 m以下的沙灘處，有部分泥沙在波浪的帶動下越過充填土工袋，落淤在土工袋的外側；淤積部位主要發(fā)生在高程+1.0 m以上至護岸之間的沙灘處，并有部分泥沙在波浪的帶動下越過胸墻堆積在胸墻后方的道路上。沙灘剖面在波浪作用3.5 h后一般趨于平衡狀態(tài)，相當于原型在波浪連續(xù)作用下約16 h。50 a重現(xiàn)期波浪作用下沙灘最大的沖刷深度約1.50 m，淤積厚度約為0.90 m[7-8]。50 a一遇波浪作用下充填土工袋沒有出現(xiàn)位移或者晃動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。見圖6。

圖6 沙灘剖面沖淤平衡過程（極端高水位）Fig.6 Balance process of erosion and deposition in beach profile（extreme high water level）

4.1.2 設計高水位

設計高水位（1.15 m）時，50 a一遇波浪作用下，沙灘的主要沖刷區(qū)域位于高程+0.5 m以下的沙灘處，有部分泥沙在波浪的帶動下越過充填土工袋，落淤在土工袋的外側；淤積部位主要發(fā)生在高程+0.5 m以上至護岸之間的沙灘處，沒有泥沙越過胸墻。50 a重現(xiàn)期波浪作用下沙灘最大的沖刷深度約1.52 m，淤積厚度約為1.54 m。50 a一遇波浪作用下充填土工袋沒有出現(xiàn)位移或者晃動等不穩(wěn)定現(xiàn)象，充填土工袋保持穩(wěn)定。見圖7。

圖7 沙灘剖面沖淤平衡過程（設計高水位）Fig.7 Balance process of erosion and deposition in beach profile（design high water level）

4.2 25 a一遇波浪作用

25 a一遇波浪作用時，淤積、沖刷位置與50 a一遇波浪作用時基本相同。極端高水位時，沙灘最大的沖刷深度約1.46 m，淤積厚度約為0.88 m。設計高水位時沙灘最大的沖刷深度約1.30 m，淤積厚度約為1.34 m。

4.3 常年波浪作用

平均水位（0.0 m）時，常年波浪（H13%=0.99 m；T =4.1 s）作用下，沙灘的主要沖刷區(qū)域位于高程+0.0 m以下的沙灘處，有部分泥沙在波浪的帶動下越過充填土工袋，落淤在土工袋的外側；淤積部位主要發(fā)生在高程+0.0 m以上至護岸之間的沙灘處，沒有泥沙越過胸墻。從模型試驗結果可以看出，沙灘剖面在波浪作用下4.5 h（原型約21 h）后基本趨于平衡狀態(tài)。常年波浪作用下沙灘最大的沖刷深度約0.79 m，淤積厚度約為0.31 m。常年波浪作用下充填土工袋沒有出現(xiàn)位移或者晃動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

5 結語

1）本工程飯店段填海區(qū)岸線形狀為曲線狀，面對外海為內凹曲線，該處及飯店填海外凸端部波能集中嚴重，該處原設計護底塊石失穩(wěn)，且上水嚴重。優(yōu)化后采用5～15 t大塊石護底方案后，可保證護底結構的穩(wěn)定，且可以減少一定的上水。

2）斜坡護岸段與兩端結構相交處由于波能集中作用，原設計局部護面和護底結構不穩(wěn)定，通過增加塊體重量、抬高護底塊石頂高程和拋填礁石等措施，可保證結構安全。

3）本工程各段均有不同程度的上水，局部由于波能集中，上水明顯，建議在這幾處加以注意，保證臨近護岸地坪結構的安全，同時注意排水設施的布置。

4）人工沙灘土工袋在各種水位和波浪條件下均能保持穩(wěn)定。極端高水位、50 a一遇波浪作用下，部分泥沙在波浪的帶動下越過充填土工袋，落淤在土工袋的外側；部分泥沙在波浪的帶動下越過胸墻堆積在胸墻后方的道路上；大部分的泥沙沖淤局限在沙灘段，沙灘最大的沖刷深度約1.50 m，淤積厚度約為0.90 m。25 a一遇波浪作用下部分泥沙越過胸墻，沙灘最大的沖刷深度約1.46 m，淤積厚度約為0.88 m。

5）設計高水位時，50 a一遇波浪作用下沒有泥沙越過胸墻，沙灘最大的沖刷深度約1.52 m，淤積厚度約為1.54 m；25 a一遇波浪作用下沒有泥沙越過胸墻，沙灘最大的沖刷深度約1.30 m，淤積厚度約為1.34 m。

6）平均水位（0.0 m）時，常年波浪作用下，沙灘最大的沖刷深度約0.79 m，淤積厚度約為0.31 m。