扭王字塊護(hù)岸破壞修復(fù)方法波浪穩(wěn)定性試驗研究

楊會利，劉海成，陳漢寶

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456）

1 概述

我國海岸線較長且沿海港口大多位于臺風(fēng)頻發(fā)區(qū)域，眾所周知，臺風(fēng)一般歷時長、風(fēng)力強、頻率高，所形成的巨浪和海潮往往會造成港口水工建筑物的嚴(yán)重破壞，由于防浪建筑物在海港各類水工建筑物中有其特殊的地位[1]，防浪建筑物的損壞是海岸工程界歷來關(guān)注的課題[2]。

分析防浪建筑物損壞原因主要包括以下幾個方面：設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)取值偏?。晃纯紤]波向、波能集中影響因素；未充分考慮越浪、護(hù)底失穩(wěn)等因素的影響[3]；施工期穩(wěn)定性不足等[1]，設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)偏低和波浪水動力特性認(rèn)識不足是防波堤損壞的主要原因[2]。

根據(jù)破壞受損主要原因選擇不同的修復(fù)方法，如在經(jīng)常遭受臺風(fēng)區(qū)域提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在波能集中及堤頭易破壞處加大塊體重量等。目前防波堤修復(fù)加固中，對破壞的護(hù)面人工塊體一般采用將原有塊體分解，達(dá)到墊層的質(zhì)量，但此種方式耗時耗力，施工困難。

本文通過物理模型試驗進(jìn)行了扭王字塊護(hù)岸破壞修復(fù)加固后的斷面穩(wěn)定性試驗研究，驗證了原塊體作為墊層塊石的適應(yīng)性，為此類型護(hù)面破壞后的修復(fù)方法提供科學(xué)依據(jù)。

2 防波堤修復(fù)方案

2.1 破壞原因分析

2011年8月“梅花”臺風(fēng)曾造成大連某化工護(hù)岸部分損壞，使得護(hù)面塊體失穩(wěn)，擋浪墻滑移等?！懊坊ā迸_風(fēng)具有強度高、移動速度較慢、歷時時間較長、海域形成的波浪周期較長等特點。根據(jù)大連損毀海岸工程附近海域老虎灘測站實測資料，已有文獻(xiàn)推算E向浪50 a一遇重現(xiàn)期波浪T=7.5 s，H1/10=4.0 m[4]，SE或 ESE強浪向 50 a一遇重現(xiàn)期波浪T=9.0 s，H1/10=6.2 m 或 6.7 m[4-5]；“梅花”臺風(fēng)過程中，E向浪T=9.0 s，H1/10=3.03 m。波高雖然未達(dá)到50 a一遇，但平均周期卻已超過50 a一遇[6]，較長周期波一般波高較小，波長較長，所以它具有極強的穿透性，且波速較大，在水平方向上水的流動性很大，具有相當(dāng)大的能量，周期越長，在特定海岸附近折射聚能現(xiàn)象越強，進(jìn)而在局部區(qū)域產(chǎn)生具有破壞力的波高[7]。雖然臺風(fēng)引起的護(hù)岸損壞可能有多種原因，但“梅花”臺風(fēng)過程引起的較長周期波浪是引起護(hù)岸損壞的重要原因之一。

2.2 修復(fù)加固方案

根據(jù)現(xiàn)場破壞情況，護(hù)面塊體失穩(wěn)比較嚴(yán)重，如何處置和利用已有的人工護(hù)面塊體為本修復(fù)方案的關(guān)鍵，采用拆除辦法不僅施工難度大且會造成很大的浪費，由于現(xiàn)場破壞的護(hù)面塊體經(jīng)大浪不斷的沖擊已密實，因此提出在現(xiàn)有護(hù)面塊體基礎(chǔ)上安放1層15 t扭王字塊，使得原護(hù)面塊體作為墊層，此種方法可以大大減少施工難度和節(jié)約施工成本。通常墊層石重量為護(hù)面塊體的1/10～1/20，為驗證原護(hù)面塊體作為墊層的可行性，在重新推算護(hù)岸修復(fù)加固工程設(shè)計波浪基礎(chǔ)上，通過波浪模型試驗對加固方案進(jìn)行研究，考慮到波向、波能集中對護(hù)岸穩(wěn)定性的影響，本次研究除進(jìn)行二維物理模型試驗研究外還進(jìn)行了三維整體物理模型試驗研究。

圖1為破壞的防波堤和護(hù)岸的平面布置圖，包括逸盛大化石化有限公司已建防波堤及西護(hù)岸的加固工程，防波堤定位軸線方位為N92°～N272°，均為斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。防波堤兼碼頭段位于工程最西端，長260 m。西護(hù)岸西端與防波堤根部相接，東端接?xùn)|護(hù)岸。西護(hù)岸長600 m，堤頂處設(shè)反“L”形防浪墻。圖2為堤頭處2號斷面原設(shè)計（虛線）與加固斷面圖，圖3為拐角處7號斷面原設(shè)計（虛線）及加固斷面圖。從斷面圖可以看出原設(shè)計方案中堤頭處護(hù)面塊體為9 t扭王字塊，拐角及堤身處護(hù)面塊體為7 t扭王字塊，扭王字塊下面為300～400 kg塊石墊層，護(hù)底為100～200 kg塊石。在“梅花”臺風(fēng)期間，扭王字塊護(hù)面發(fā)生護(hù)面塊體下滑、塊體破損、堤心石淘出等破壞，引發(fā)后方陸域塌方的巨大威脅。從圖2和圖3中可以看出加固修復(fù)方案為在破壞的防波堤上采用更大的扭王字塊，堤頭及堤身加固斷面在+2.60 m以上區(qū)域直接在原7 t（9 t）護(hù)面塊體上安放1層15 t扭王字塊，在+2.60 m以下區(qū)域在原7 t（9 t）護(hù)面塊體上依次鋪設(shè) 50～100 kg、500～800 kg墊層塊石，墊層塊石的上方安放1層15 t扭王字塊，戧臺處安放3排15 t扭王字塊，-13.0 m處為2排7 t扭王字塊，護(hù)底為500～800 kg塊石，隨著護(hù)面高程的加高，胸墻高程由原來的+7.50 m加高至+10.0 m。

圖1 防波堤及護(hù)岸平面布置圖Fig.1 Breakwater and revetment layout

圖2 堤頭處2號斷面原設(shè)計及加固修復(fù)斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of original design and reinforced section 2 at breakwater head

圖3 拐角處7號斷面原設(shè)計及加固修復(fù)斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of original design and reinforced section 7 at the corner

3 修復(fù)護(hù)岸波浪物理模型試驗研究

3.1 試驗簡介

斷面物理模型試驗在波浪水槽中進(jìn)行，三維物理模型在綜合試驗廳水池中進(jìn)行。模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計[8]，結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似，且計算模型重量時已考慮淡水與海水的密度差影響。根據(jù)試驗場地、現(xiàn)有塊體重量及試驗要求，斷面模型選用幾何比尺為λ=40，三維物理模型選用幾何比尺λ=60。

3.2 試驗水位

極端高水位：3.10 m（100 a）；

設(shè)計高水位：1.86 m；

設(shè)計低水位：-1.62 m。

3.3 試驗波浪條件

試驗波浪要素根據(jù)《逸盛大化石化有限公司對苯二酸項目防波堤、護(hù)岸加固工程波浪數(shù)模試驗研究報告》[9]及《逸盛大化石化有限公司對苯二酸項目防波堤、護(hù)岸加固工程波浪數(shù)模試驗研究補充報告》[10]選取。

3.3.1 二維斷面物理模型試驗波浪條件

二維波浪模型穩(wěn)定性試驗波要素選取各波向中最大的100 a一遇設(shè)計波要素條件，波浪選用不規(guī)則波。

斷面位置處波浪要素見表1所示。

表1 斷面位置處設(shè)計波浪要素Table 1 Design wave elements at each section position

3.3.2 三維整體物理模型試驗波浪條件

三維整體波浪模型穩(wěn)定性試驗采用重現(xiàn)期100 a一遇SE、S、SW三個方向的不規(guī)則波進(jìn)行試驗。

模型與3個來浪方向相對位置如圖4所示。波浪要素詳見表2所示。

圖4 來浪方向與模型相對位置Fig.4 Direction of incoming wave and the relative position of model

表2 三維物理模型設(shè)計波浪要素Table 2 Wave elements in 3D physical model design

3.4 模型試驗結(jié)果及分析

3.4.1 二維斷面物理模型試驗結(jié)果

1）堤頂結(jié)構(gòu)與越浪量

設(shè)計低水位與設(shè)計高水位波浪作用時由于水深及波高較小，堤頂無越浪發(fā)生，隨著水深及波高的加大，在100 a一遇極端高水位波浪作用時，堤頂單寬平均越浪量為0.001 1 m3/（m·s），滿足0.005 m3/（m·s）的設(shè)計要求，并未對堤頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2）護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

在100 a一遇波浪和設(shè)計低水位、設(shè)計高水位組合波浪作用下，對于500～800 kg護(hù)底塊石，波浪作用時表面有個別塊石晃動，塊石表面整體未發(fā)生明顯變形，因此判定穩(wěn)定；15 t扭王字塊護(hù)面，在每組工況波浪連續(xù)作用3 h后未發(fā)現(xiàn)塊體有位移現(xiàn)象，因此判定穩(wěn)定；斷面其它各部分均保持穩(wěn)定。

在100 a一遇極端高水位重現(xiàn)期100 a不規(guī)則波作用下，對于500～800 kg護(hù)底塊石，在波浪連續(xù)作用3 h后，塊石表面整體均未發(fā)生明顯變形，因此判定穩(wěn)定；對于15 t扭王字塊護(hù)面，在波浪連續(xù)作用3 h后，未發(fā)現(xiàn)護(hù)面塊體有位移和塊體滾落，因此判定穩(wěn)定，同樣原設(shè)計方案中的7 t扭王字塊作為墊層也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；擋浪墻在波浪連續(xù)作用下也未出現(xiàn)傾覆、滑移現(xiàn)象，因此判定擋浪墻穩(wěn)定，斷面其它各部分均保持穩(wěn)定。

3.4.2 三維整體物理模型試驗結(jié)果

1）堤頂結(jié)構(gòu)與越浪量

在3個浪向作用下，最大平均越浪出現(xiàn)在極端高水位（100 a）SE向重現(xiàn)期100 a一遇波浪作用下，越浪量為0.025 m3/（m·s）； SW向來浪先作用于防波堤堤頭，因此在極端高水位（100 a）水位時堤頭出現(xiàn)壅水現(xiàn)象。3個方向波浪作用下堤頂結(jié)構(gòu)均穩(wěn)定。

2）護(hù)面塊體的穩(wěn)定性

防波堤不同部位的破壞程度與其局部波高密切相關(guān)，波高的局部增大突出表現(xiàn)在凹角附近[1]。在3個浪向重現(xiàn)期100 a波浪作用下，防波堤與西護(hù)岸連接拐角段7號斷面凹角處由于不同方向波浪反射相互疊加使得附近波高增大，見圖5和圖6所示。在波浪連續(xù)作用3 h后，護(hù)底塊石、護(hù)面塊體及胸墻均能保持穩(wěn)定，堤頭及其它部位均穩(wěn)定。原設(shè)計方案中的7 t扭王字塊作為墊層也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，通過本項目試驗研究證明將原有的塊體作為墊層在技術(shù)上具有可行性。

圖5 極端高水位（100 a）SW向浪作用時場景Fig.5 Phenomena of extreme high water level(100 a)SW directional wave action

圖6 設(shè)計高水位（100 a）SE向浪作用時場景Fig.6 Phenomena of design high water level(100 a)SE directional wave action

4 主要結(jié)論

針對護(hù)岸工程受損原因，修復(fù)工程設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)需提高到能抵御臺風(fēng)期波浪，護(hù)岸工程護(hù)面需安放新護(hù)面結(jié)構(gòu)，通常墊層石重量為護(hù)面塊體的1/10～1/20，為減少工程費用，本修復(fù)加固斷面采取原護(hù)面塊體作為墊層，上部安放新護(hù)面結(jié)構(gòu)，并采用波浪斷面和整體物理模型對加固后的護(hù)岸進(jìn)行穩(wěn)定性試驗研究，驗證原塊體作為墊層的適應(yīng)性，試驗結(jié)果表明原塊體直接作為墊層具有較好的穩(wěn)定性，在技術(shù)上是可行的，且在已經(jīng)破壞的護(hù)岸上采用更大的扭王字塊體進(jìn)行防護(hù)是一種有效的加固方式。