多因素影響下深中通道西人工島擋浪墻頂高程確定及優(yōu)化研究

戈龍仔，欒英妮，劉海源

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

1 概述

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，規(guī)?？涨?、建設(shè)條件異常復(fù)雜、綜合技術(shù)難度再上新高，是我國(guó)繼港珠澳大橋之后的又一項(xiàng)世界級(jí)的重大跨海交通工程。整個(gè)路線(xiàn)起于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，與深圳側(cè)連接線(xiàn)對(duì)接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門(mén)互通，全長(zhǎng)24 000 m，西人工島原泥面高程為-12～-15 m，島形采用了分水效果較好的菱形，形似中國(guó)傳統(tǒng)的風(fēng)箏，人工島島壁軸線(xiàn)東、西長(zhǎng)625 m，南、北寬430 m。文中為便于描述，將西人工島各岸線(xiàn)按逆時(shí)針?lè)譃? 條，分別為AB、BC、CD、DE、EA，具體工程平面布置見(jiàn)圖1。西人工島島壁的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用臺(tái)階方案，擋浪墻頂高程為8.0 m。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Layout of the project plan

考慮工程重要性和特殊的島形，以及所提出的越浪量小于15×10-3m3/（m·s）的高標(biāo)準(zhǔn)條件，同時(shí)要求考慮天文潮+海平面上升的水位、重現(xiàn)期300 a 的臺(tái)風(fēng)浪、島形結(jié)構(gòu)形式多樣性和高程限制等多因素影響，單獨(dú)采用規(guī)范相關(guān)規(guī)定計(jì)算難以準(zhǔn)確確定島擋浪墻頂高程。關(guān)于上述各因素對(duì)堤頂高程確定的影響，前期研究根據(jù)各自工程的特點(diǎn)，前后開(kāi)展了其中1 個(gè)或者2～3 個(gè)因素影響數(shù)值模擬或者物理模型試驗(yàn)研究，得出相應(yīng)的研究成果。例如陳國(guó)平[1]等提出通過(guò)采用適當(dāng)?shù)淖o(hù)面形式和塊體擺放方式來(lái)減少波浪的爬高和越浪量試驗(yàn)結(jié)論，從而達(dá)到降低堤頂高程，減少工程造價(jià)的目的。陳銘輝[2]等提出改變斷面結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)不同高程的形式，靜水位處設(shè)置戧臺(tái)和胸墻前肩臺(tái)來(lái)減小爬高和越浪，從而降低頂高程。常江[3]等人通過(guò)物理模型試驗(yàn)論證，給出了堤頂寬度對(duì)越浪量衰減系數(shù)的影響關(guān)系式，為工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。孫大鵬[4]等人提出考慮波陡、相對(duì)水深、堤頂超高、坡肩寬度和塊體尺寸等影響因素，通過(guò)試驗(yàn)研究，給出了扭王字塊體平均越浪量的計(jì)算修訂公式，對(duì)斜坡堤工程設(shè)計(jì)具有重要參考意義。戈龍仔[5]等人通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，提出不同擋浪墻形式和其前方肩臺(tái)寬度對(duì)越浪影響研究，并給出了在工程上常采用的減少越浪的措施。張金成[6]提出考慮潮位和臺(tái)風(fēng)浪的影響，針對(duì)較高的堤頂及防浪墻高度嚴(yán)重影響景觀(guān)和后方土地開(kāi)發(fā)利用的問(wèn)題，探討了降低防浪墻頂高程和控制越浪的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。郭立棟[7]通過(guò)數(shù)值模擬方法，探討了斜坡堤斷面形式（胸墻高度、平臺(tái)超高、平臺(tái)寬度、外堤坡度）與波浪要素（波陡、相對(duì)水深）等因素對(duì)越浪量的影響，并與物模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出相對(duì)胸墻高度 Hc/H 對(duì)越浪量系數(shù)具有十分顯著的影響，它們之間存在指數(shù)反比關(guān)系；其它變量對(duì)越浪量也有一定影響，隨著Hc/H的變化，變量與越浪量之間具有指數(shù)關(guān)系。

綜上所述可知，針對(duì)深中通道工程的重要性和西人工島島形的特殊性，開(kāi)展了多因素影響下波浪物理模型試驗(yàn)，論證各因素對(duì)高程影響敏感性，為高程的確定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)也為其它類(lèi)似工程提供參考。文中為了能更明顯反映多因素的影響，按照西人工島的平面布置形式，試驗(yàn)斷面選擇在最外側(cè)AB 段。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

1）水位因素：采用重現(xiàn)期300 a 極端高水位3.61 m，以及在此基礎(chǔ)上考慮的海平面上升水位4.11 m。

2）波浪要素因素：選擇最不利臺(tái)風(fēng)浪，波浪要素見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波浪要素Table 1 Test wave elements

3）斷面結(jié)構(gòu)形式因素：設(shè)計(jì)斷面，以及在設(shè)計(jì)斷面基礎(chǔ)上+1.0 m 高程至堤頂范圍內(nèi)分別采用小臺(tái)階、扭王字塊+擋浪墻結(jié)構(gòu)的2 個(gè)對(duì)比工況，斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.2 Structural cross-section diagram

4）斷面高程因素：設(shè)計(jì)斷面頂高程8.0 m，以及當(dāng)越浪量高于15×10-3m3/（m·s）時(shí)，逐步抬高高程直到滿(mǎn)足為止。

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用定床、正態(tài)，幾何比尺為25，試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1.0 m，高1.5 m，造波能力為最大造波水深1.0 m、波高0～35 cm、周期0.5～5.0 s。模型混凝土擋浪墻以及臺(tái)階采用混凝土預(yù)制，幾何尺寸偏差控制在±1%，且不超過(guò)±5 mm，質(zhì)量偏差控制在±3%。模型中各種塊石按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以?xún)?nèi)。扭王字塊采用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿(mǎn)足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]的要求。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，根據(jù)本工程的波浪特征，及JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[9]的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行論證后，確定最終頻譜采用JONSWAP 譜[10]（γ=3.3），每種工況模擬的原型波作用時(shí)間不少于2 h。

2.3 試驗(yàn)方法

越浪量測(cè)量，利用收集越浪水體的裝置（寬度為0.2 m），對(duì)越浪水體進(jìn)行收集，通過(guò)1 000 mL規(guī)格的量筒測(cè)量1 個(gè)完整波列所收集到的水體總體積，然后利用下列公式計(jì)算單寬平均越浪量，再按比例關(guān)系，將模型越浪量換算成原體越浪量。單寬平均越浪量按式（1）計(jì)算：

式中：q 為單寬平均越浪量，m3/（m·s）；V 為1 個(gè)波列作用下的總越浪水量，L；b 為收集越浪量的接水寬度，m，模型上取0.2 m 接水槽；t 為1 個(gè)波列作用的持續(xù)時(shí)間，s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 各因素影響試驗(yàn)

試驗(yàn)通過(guò)驗(yàn)證越浪量是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，從而確定碼頭的高程，但在確定的各影響因素之前，首先開(kāi)展斷面結(jié)構(gòu)形式試驗(yàn)。

1）斷面結(jié)構(gòu)形式因素

按照設(shè)計(jì)提出的大臺(tái)階方案以及對(duì)比方案，即小臺(tái)階方案和扭王字塊+擋浪墻，在重現(xiàn)期300 a水位、重現(xiàn)期300 a 波浪作用下，得出堤頂越浪量分別為19.55×10-3m3/（m·s）、60.36×10-3m3/（m·s）和 13.26×10-3m3/（m·s）。由上述越浪量結(jié)果可知，扭王字塊+擋浪墻方案，受護(hù)面塊體的消浪影響，其越浪量最小，大臺(tái)階方案次之，小臺(tái)階方案最大，3種結(jié)構(gòu)堤頂越浪現(xiàn)象見(jiàn)圖3。在綜合考慮人工島各影響因素后，業(yè)主最終選擇大臺(tái)階方案。

圖3 3種結(jié)構(gòu)堤頂越浪現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of wave overtopping on the top of three structures of dikes

2）斷面高程因素

采用選定的大臺(tái)階方案，根據(jù)越浪量的要求，試驗(yàn)通過(guò)逐步增加臺(tái)階高程方式，來(lái)測(cè)量不同擋浪墻高程下的越浪結(jié)果。

在重現(xiàn)期300 a 水位、重現(xiàn)期300 a 波浪作用下，不同高程堤頂越浪結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4 結(jié)果可知，隨著高程的增加，越浪逐漸減小。在重現(xiàn)期300 a 水位、重現(xiàn)期300 a 波浪作用下，越浪量如要滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，則高程應(yīng)高于8.8 m以上。

圖4 各影響因素越浪量對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison results of wave overtopping rate under multi influencing factors

3）波浪、水位因素

采用選定的大臺(tái)階方案，3.61 m 和4.11 m 水位對(duì)應(yīng)波浪作用下，堤頂高程為8.8 m 和9.0 m，測(cè)得越浪量分別為13.30×10-3m3/（m·s）和7.91×10-3m3/（m·s）、18.49 × 10-3m3/（m·s）和14.92 ×10-3m3/（m·s），按照越浪標(biāo)準(zhǔn)，斷面頂高程為9.0 m時(shí)，滿(mǎn)足要求。

3.2 各影響因素綜合分析及頂高程確定探討

1）各影響因素綜合分析

由圖4 可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)影響下，擋浪墻頂越浪量結(jié)果變幅最大為308.7%；水位影響下，擋浪墻頂越浪量結(jié)果變幅最大為40.5%；動(dòng)力條件（水位、波浪）影響下，擋浪墻頂越浪量結(jié)果變幅最大為19.3%。因此通過(guò)本次試驗(yàn)可得：斷面結(jié)構(gòu)形式變化因素影響對(duì)越浪量敏感度最大，斷面高程因素次之，水動(dòng)力條件（波浪、水位）因素最小。

2）頂高程確定及優(yōu)化探討

對(duì)于西人工島擋浪墻頂高程的確定，根據(jù)上述大臺(tái)階斷面試驗(yàn)研究成果，9.0 m 高程能滿(mǎn)足要求。但由于在斷面模型試驗(yàn)中無(wú)法模擬三維波浪分布，造成波浪條件與原型存在一定差異；參考日本運(yùn)輸省港灣技術(shù)研究所（PARI）[11]和高峰[12]等文獻(xiàn)，文中提出水槽試驗(yàn)因正向浪作用和受水槽邊壁壅水影響，通常情況下，斷面試驗(yàn)越浪結(jié)果將大于采用規(guī)范公式計(jì)算和港池整體模型試驗(yàn)結(jié)果的20%～30%。對(duì)此本模型參考規(guī)范公式和三維港池整體模型試驗(yàn)對(duì)本工程再次進(jìn)行論證。

①JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》計(jì)算：斜坡堤堤頂有胸墻時(shí)的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中：Q 為單位時(shí)間單位堤寬的越浪量，m3/（m·s）；Hc＇為胸墻堤頂在靜水面以上的高度，m；H1/3為有效波波高，m；b1為胸墻前肩寬，m；B 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；Tp為譜峰周期，s；m 為斜坡坡度系數(shù)；d 為建筑物前水深，m； g 為重力加速度，m/s2；

通過(guò)式（2）計(jì)算得到在考慮海平面上升水位4.11 m 對(duì)應(yīng)波浪條件下，采用大臺(tái)階方案，島擋浪墻頂高程在8.0 m、8.1 m 和9.0 m，越浪量分別為 15.57×10-3m3/（m·s）、14.23×10-3m3/（m·s）和6.34×10-3m3/（m·s），因此可得通過(guò)規(guī)范計(jì)算，高程在8.1 m 以上均可以滿(mǎn)足要求。

②三維港池整體模型試驗(yàn)論證：采用大臺(tái)階斷面，島擋浪墻頂高程為9.0 m 方案，在考慮海平面上升水位4.11 m 對(duì)應(yīng)波浪條件下，測(cè)量AB段擋浪墻頂越浪量結(jié)果。

由于人工島AB 段島壁為內(nèi)凹形狀，為了測(cè)量AB 各區(qū)段越浪結(jié)果，由B 端點(diǎn)至A 端點(diǎn)島壁沿程進(jìn)行分區(qū)，然后測(cè)量每個(gè)區(qū)的越浪情況，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中越浪結(jié)果可知：除受AB 島岸線(xiàn)內(nèi)凹波能集中后，在端部集中釋放產(chǎn)生最大越浪量為20.71×10-3m3/（m·s），超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)外，其余均滿(mǎn)足要求，越浪現(xiàn)象見(jiàn)圖5。

表2 三維港池整體試驗(yàn)越浪量結(jié)果Table 2 Wave overtopping results of 3D harbor basin integral test

圖5 波浪作用下各區(qū)段越浪現(xiàn)象Fig.5 Wave overtopping in each section under wave action

通過(guò)本次三維整體試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，受局部波能集中的影響和突出拐點(diǎn)地形影響，該特殊位置整體模型試驗(yàn)越浪結(jié)果大于斷面試驗(yàn)，而其它各位置均為斷面試驗(yàn)越浪結(jié)果大于整體試驗(yàn)。因此對(duì)工程上局部越浪大的區(qū)段，建議其后方內(nèi)陸集中采用設(shè)置大功率排水泵的應(yīng)對(duì)措施。

綜合上述研究成果，針對(duì)工程所提出的小于15×10-3m3/（m·s）越浪標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合二維斷面物理模型試驗(yàn)、規(guī)范公式計(jì)算和三維港池整體物理模型多種研究手段的對(duì)比論證，選擇大臺(tái)階斷面形式，島擋浪墻頂高程為9.0 m 方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)本次試驗(yàn)研究，針對(duì)各因素對(duì)越浪影響試驗(yàn)得出：結(jié)構(gòu)形式變化因素對(duì)越浪結(jié)果影響敏感度最大，斷面高程因素次之，水動(dòng)力條件（波浪、水位）因素最小。

2）按照工程所提出的小于15×10-3m3/（m·s）的越浪指標(biāo)，結(jié)合二維斷面物理模型試驗(yàn)、規(guī)范公式計(jì)算和三維港池整體物理模型多種研究手段的對(duì)比論證，選擇大臺(tái)階斷面形式，島擋浪墻頂高程為9.0 m 方案是可行的。

3）由本工程二維水槽試驗(yàn)、三維港池整體物理模型試驗(yàn)和規(guī)范公式計(jì)算越浪結(jié)果可知，規(guī)范公式計(jì)算偏小，三維整體試驗(yàn)除出現(xiàn)局部波能集中個(gè)別位置外，二維水槽斷面試驗(yàn)結(jié)果偏大。因此為了更能真實(shí)反映原型波浪作用情況，應(yīng)采用三維整體物理模型試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證。