深中通道西人工島島形對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪的影響*

戈龍仔,蔡翠蘇,胡 鵬,劉海源

(1.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；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

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，路線起于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，與深圳側(cè)連接線對(duì)接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門互通，全長(zhǎng)24 km。項(xiàng)目西人工島原泥面高程為-15～-12 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，人工島島壁軸線東、西方向長(zhǎng)625 m，南、北方向?qū)?30 m，陸域高程為4.9 m，北側(cè)布置救援碼頭，碼頭長(zhǎng)度為65 m，設(shè)計(jì)采用直立沉箱結(jié)構(gòu)。為便于描述，將西人工島各岸線按逆時(shí)針?lè)譃?條，分別為AB、BC、CD、DE、EA，具體工程平面布置見圖1。人工島島壁的斷面結(jié)構(gòu)采用臺(tái)階+扭王字塊的組合方案，堤頂高程為9.0 m，結(jié)構(gòu)斷面見圖2?？紤]到西人工島凹凸多變的特殊島形，尤其直接面對(duì)珠江口且易受強(qiáng)浪作用的外側(cè)AB段島壁，軸線為內(nèi)凹后直接銜接轉(zhuǎn)角BC段和AE段，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的建筑物和規(guī)范規(guī)定“軸線夾角應(yīng)向外側(cè)拐，且夾角大于150°以上”的要求存在較大的差異，另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)于勾連護(hù)面塊體施工經(jīng)驗(yàn)判定，這種凸凹多變的島壁形狀，將大大減弱護(hù)面勾連咬合的性能。因此針對(duì)這種復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)建筑物，面對(duì)珠江口傳入強(qiáng)浪向(SE向)斜向入射作用，按照規(guī)范公式進(jìn)行塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量計(jì)算，由于入射波浪在特殊島形后將產(chǎn)生波能集中、波浪破碎產(chǎn)生波流疊加作用，以及轉(zhuǎn)角區(qū)漩渦等復(fù)雜波態(tài)，很難準(zhǔn)確計(jì)算出塊體的穩(wěn)定質(zhì)量，經(jīng)以往研究成果驗(yàn)證后均發(fā)生失穩(wěn)，表明針對(duì)復(fù)雜條件下計(jì)算的結(jié)果偏小。姜云鵬等[1]提出，特殊防波堤形態(tài)條件下，波浪破碎使局部沖擊能量增加，從而使設(shè)計(jì)質(zhì)量塊體失穩(wěn)，以及拐角處扭王字塊護(hù)面塊體受波浪側(cè)向力作用比正向偏于危險(xiǎn)。夏運(yùn)強(qiáng)等[2]指出波浪在特殊轉(zhuǎn)角區(qū)段形成復(fù)雜漩渦等復(fù)雜波態(tài)、最終導(dǎo)致護(hù)面塊體穩(wěn)定性影響，并提出優(yōu)化措施。戈龍仔等[3]得出，在特殊地形下波浪破碎導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量的扭王字塊體之間咬合性減弱，脫開、失穩(wěn)，并提出優(yōu)化措施。張宏等[4]指出護(hù)岸段內(nèi)凹處、外凸端部和斜坡護(hù)岸段與兩端結(jié)構(gòu)相交處等特殊部位受波能集中,原設(shè)計(jì)護(hù)面塊體失穩(wěn)，提出通過(guò)加大塊體質(zhì)量來(lái)穩(wěn)定的優(yōu)化措施。綜上，考慮深中通道工程的重要性和西人工島島形的特殊性，有必要對(duì)西人工島進(jìn)行塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量的試驗(yàn)研究，確定設(shè)計(jì)方案的護(hù)面塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量是否滿足要求，以此提出必要優(yōu)化調(diào)整措施，為設(shè)計(jì)方案確定提供科學(xué)依據(jù)。為了能更清楚描述島形的影響，根據(jù)西人工島的平面布置，以及本次三維港池整體物理模形試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從AB、BC、CD、DE、EA共5段島壁中選擇外海波浪能直接作用、塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量受島形影響最大的AB段進(jìn)行論述。

圖1 工程平面布置

圖2 方案結(jié)構(gòu)斷面(高程：m)

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水位為：重現(xiàn)期300 a極端高水位3.61 m；設(shè)計(jì)高水位1.89 m；設(shè)計(jì)低水位-0.73 m；重現(xiàn)期300 a極端低水位-1.41 m；試驗(yàn)波浪要素為：對(duì)于AB段島壁，由珠江口傳入不同方向外海波浪結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得到，SE向?yàn)閺?qiáng)浪向，因此選擇該波向進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，波要素結(jié)果見表1。斷面結(jié)構(gòu)為：臺(tái)階+扭王字塊護(hù)面組合方案，具體見圖2。

表1 試驗(yàn)波要素

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型采用定床、正態(tài)，幾何比尺為40。模型試驗(yàn)港池寬40 m、長(zhǎng)45 m，試驗(yàn)水池中配備先進(jìn)的L形港池吸收式多方向造波機(jī)，該造波機(jī)造波能力為：最大造波水深0.7 m，波高0～30 cm，周期0.5～5.0 s，可以實(shí)現(xiàn)180°多方向造波。為解決邊壁反射影響在港池四周設(shè)置消波邊界。模型地形制作采用樁點(diǎn)法復(fù)制，按1.0 m×1.0 m布設(shè)樁點(diǎn)，平面尺寸偏差控制在1 cm以內(nèi)，樁點(diǎn)高程用水準(zhǔn)儀精確控制，偏差在1 mm以內(nèi)，場(chǎng)地平面尺寸用鋼卷尺測(cè)量。護(hù)面塊體制作采用原子灰和鐵粉進(jìn)行加工，質(zhì)量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求，模型制作完成效果見圖3。試驗(yàn)采用不規(guī)則波的JONSWAP譜[5](γ=3.3)。

圖3 模型制作完成效果

2.3 試驗(yàn)方法

由于人工島的特殊形狀，由試驗(yàn)觀測(cè)，波浪作用下AB岸線沿程不同位置上水存在差異，為了測(cè)量堤頂越浪量的結(jié)果，對(duì)AB段島壁進(jìn)行區(qū)域劃分，具體為端部B點(diǎn)轉(zhuǎn)角區(qū)、AB-1區(qū)、AB-2區(qū)、AB-3區(qū)、AB-4區(qū)、AB-5區(qū)、AB-6區(qū)、AB-7區(qū)、AB-8區(qū)、AB-9區(qū)和端部A點(diǎn)轉(zhuǎn)角區(qū)，共計(jì)11個(gè)，分區(qū)見圖4。對(duì)每個(gè)區(qū)段分別進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)集水槽測(cè)取每一個(gè)完整波列的越浪量，將水稱質(zhì)量并折算成體積，再換算到原體，得到單位長(zhǎng)度、單位時(shí)間內(nèi)的平均越浪量。

Q=V/(bt)

(1)

式中：Q為單寬平均越浪量(L·m-1·s-1)；V為1個(gè)波列作用下的越浪總水量(L)；b為收集越浪量的接水區(qū)域長(zhǎng)度(m)；t為1個(gè)波列作用的持續(xù)時(shí)間(s)。

圖4 AB段測(cè)量分區(qū)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 島形影響下島前波況

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同水位、強(qiáng)浪向SE斜向入射作用下，入射波浪首先由人工島轉(zhuǎn)角B點(diǎn)位置分成兩股浪，波浪分別沿AB、BC岸線向兩側(cè)傳播，人工島受波浪影響的區(qū)段為人工島的BC、AB和AE段。針對(duì)AB段島壁前波浪分布為：波浪由B點(diǎn)傳入，并迅速在島壁內(nèi)凹弧頂處形成波能聚集和反射疊加現(xiàn)象，表現(xiàn)為波能集中和局部波高增加，此時(shí)島前波群中部分波浪發(fā)生破碎水體沖上島，破碎產(chǎn)生的破波流與入射波浪疊加向端部A點(diǎn)角處集中釋放，形成沖擊波。波浪流在經(jīng)過(guò)島端部轉(zhuǎn)角時(shí)，由于水面突然變寬，波浪流慣性前行，造成靠近人工島島壁側(cè)的“負(fù)壓區(qū)”，此時(shí)周圍水體進(jìn)行補(bǔ)充而產(chǎn)生復(fù)雜的漩渦現(xiàn)象，測(cè)量得到此時(shí)的漩渦流的流速達(dá)到5.0 m/s以上。綜上，外海入射波浪受特殊島形的影響，形成了一系列波能集中、波浪破碎、越浪和端部漩渦流等復(fù)雜的波況，這將對(duì)塊體的穩(wěn)定性和堤頂越浪量產(chǎn)生不利的影響。

3.2 島形影響下的塊體穩(wěn)定性

針對(duì)特殊島形，首先參考JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中給出的單個(gè)塊體的穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算公式(2)，依據(jù)提供的設(shè)計(jì)波高進(jìn)行塊體穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算。

(2)

(3)

式中：W為單個(gè)塊體的穩(wěn)定質(zhì)量(t)；ρb為塊體密度(t/m3)；KD為塊體形狀穩(wěn)定系數(shù)；H為設(shè)計(jì)波高(m)；α為斜坡與水平的夾角(°)；ρ為水的密度(t/m3)。

規(guī)范也指出公式(2)的限定條件是波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于 22.5°，且堤前波浪不破碎，考慮到島壁AB段為內(nèi)凹形態(tài)，在某個(gè)區(qū)段可以滿足上述條件，因此塊體穩(wěn)定質(zhì)量暫按公式(2)進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)波高按照最不利波要素H5%計(jì)算得到扭王字塊穩(wěn)定為1.76 t，同時(shí)根據(jù)規(guī)范“對(duì)于斜坡堤堤頭部分塊體質(zhì)量須考慮增加30%以上，位于波浪破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體質(zhì)量，均應(yīng)相應(yīng)再增加不少于25%”的規(guī)定，最終按照規(guī)范公式計(jì)算，得到島壁中間段穩(wěn)定質(zhì)量為2.28 t、島壁端部穩(wěn)定質(zhì)量為2.85 t。

考慮到開展三維港池整體物理模型試驗(yàn)中護(hù)面塊體制作數(shù)量多、提交成果周期長(zhǎng)，因此在開始三維整體物理模型試驗(yàn)時(shí)，也開展了二維水槽斷面試驗(yàn)，驗(yàn)證方案塊體的穩(wěn)定性。在不同水位、波浪作用下，得到方案塊體質(zhì)量3.0 t時(shí)失穩(wěn)，優(yōu)化采用質(zhì)量5 t的塊體則穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)方案護(hù)面塊體采用質(zhì)量5 t的扭王字塊。

采用上述設(shè)計(jì)方案，開展三維港池整體試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)島壁AB段塊體穩(wěn)定性，由試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，低水位時(shí)，島壁坡腳安放于棱體塊石上方的2排質(zhì)量5 t扭王字塊護(hù)面塊體受波浪作用滾落失穩(wěn)；高水位，護(hù)面塊體與臺(tái)階連接區(qū)域和島的端部A點(diǎn)轉(zhuǎn)角位置,護(hù)面塊體5 t扭王字塊也滾落失穩(wěn)，見圖5。針對(duì)塊體失穩(wěn)特點(diǎn)分析：低水位時(shí)，疊加后的斜向浪在坡腳棱體塊石表面發(fā)生破碎形成破波流，尤其波谷時(shí)，由于波流聯(lián)合吸力作用，靠海側(cè)塊體間失去支撐而失穩(wěn)，并在沿堤流推力作用下向島端部A點(diǎn)位置堆積。高水位時(shí)，尤其轉(zhuǎn)角位置，受內(nèi)凹波能集中和島端部轉(zhuǎn)角集中釋放，波流主導(dǎo)的側(cè)向力很快將勾連的扭王字塊護(hù)面塊體之間脫開，隨著漩渦波流持續(xù)作用，最終導(dǎo)致護(hù)面塊體失穩(wěn)。這也再次驗(yàn)證了轉(zhuǎn)角位置(例如防波堤堤頭等)護(hù)面塊體穩(wěn)定性側(cè)向力作用比正向波浪力偏于危險(xiǎn)的結(jié)論。另外，從模型上塊體擺放難易程度來(lái)看，端部轉(zhuǎn)角段難于直線段塊體的安放，所以轉(zhuǎn)角凹凸變化的特殊島壁形狀，也會(huì)減弱護(hù)面塊體咬合性能，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，須關(guān)注和重視塊體安放。

圖5 護(hù)面塊體失穩(wěn)情況

通過(guò)三維港池整體穩(wěn)定性試驗(yàn)可知，受島形影響，經(jīng)二維水槽斷面試驗(yàn)優(yōu)化后得到質(zhì)量5 t的設(shè)計(jì)方案的護(hù)面塊體仍失穩(wěn)，為了穩(wěn)定方案，先后采取了2種優(yōu)化措施，包括坡腳加大塊體質(zhì)量和增加前排塊體的支撐作用。端部轉(zhuǎn)角凸出區(qū)段加大塊體質(zhì)量，同時(shí)關(guān)注塊體間的咬合和施工數(shù)量，優(yōu)化措施及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

三維港池整體穩(wěn)定性結(jié)果驗(yàn)證表明：凹凸多變的特殊島形，對(duì)利用塊體間勾連咬合塊體穩(wěn)定性影響較大，與采用規(guī)范公式計(jì)算和二維水槽試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)比，須增加穩(wěn)定質(zhì)量。同時(shí)位于轉(zhuǎn)角凸出區(qū)段，漩渦流形成的側(cè)向力對(duì)塊體穩(wěn)定性比正向波浪力更偏于危險(xiǎn)。因此對(duì)于凸凹多變的特殊島形、防波堤堤頭等水工結(jié)構(gòu)物，三維港池整體模型試驗(yàn)更能真實(shí)反映原體上的實(shí)際波浪作用情況，也再次驗(yàn)證了三維整體模型試驗(yàn)在塊體穩(wěn)定和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面論證的必要性。

表2 穩(wěn)定性優(yōu)化后結(jié)果

3.3 島形影響下的越浪量

采用優(yōu)化后塊體穩(wěn)定方案進(jìn)行越浪量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只有重現(xiàn)期300 a極端高水位時(shí)人工島堤頂存在上水現(xiàn)象，島壁越浪情況見圖6。測(cè)量此時(shí)越浪結(jié)果見表3，由表3可知：對(duì)于整個(gè)AB段的島壁，越浪量與波浪傳播分布規(guī)律相同，在人工島端部A點(diǎn)轉(zhuǎn)角位置越浪量最大為14.9 L/(m·s)，可滿足工程提出的15.0 L/(m·s)的要求。

表3 三維港池整體試驗(yàn)越浪量結(jié)果

圖6 三維整體試驗(yàn)和二維水槽試驗(yàn)越浪對(duì)比情況

對(duì)于受特殊島形影響下的越浪量，采用JTS 154—2015《港口與航道水文規(guī)范》[7]給出的斜坡堤堤頂有胸墻時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。

(4)

式中：Q為單位時(shí)間單位堤寬的越浪量(L·m-1·s-1)；H′c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)公式(4)計(jì)算得到重現(xiàn)期300 a極端高水位對(duì)應(yīng)波浪條件下，越浪量為5.41 L/(m·s)。而采用二維水槽斷面試驗(yàn)測(cè)量了相同條件下堤頂越浪量，得到重現(xiàn)期300 a極端高水位波浪作用下，越浪量為7.91 L/(m·s)。與表3的越浪量比較可知，受島形影響的轉(zhuǎn)角處越浪量，三維整體試驗(yàn)最大，與以往日本運(yùn)輸省港灣技術(shù)研究所(PARI)[8]和高峰等[9]所提出的“水槽試驗(yàn)因正向浪作用和受水槽邊壁壅水影響，越浪結(jié)果將大于采用規(guī)范公式計(jì)算和三維港池整體模形試驗(yàn)結(jié)果20%～30%”的結(jié)論存在差異，而其它島壁段，則仍符合以往研究成果的結(jié)論，原因?yàn)?，以往研究的防波堤軸線基本為直線或軸線向外側(cè)拐布置，而對(duì)于特殊水工建筑物，須綜合考慮其影響因素。綜上，無(wú)論處于哪種結(jié)論，為了能更真實(shí)地反映原形波浪作用的結(jié)果，應(yīng)采用三維整體模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證工程穩(wěn)定性和越浪量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在凸凹多變特殊島形的影響下，島前波浪形成了波能集中、沿程破碎和端部漩渦流等復(fù)雜的波態(tài)現(xiàn)象；參照模型塊體擺放難易程度來(lái)看，端部轉(zhuǎn)角段難于直線段塊體的安放，因此島形結(jié)構(gòu)對(duì)塊體勾連穩(wěn)定影響較大，設(shè)計(jì)、施工應(yīng)給予注意和重視，應(yīng)盡量遵循規(guī)范關(guān)于軸線向外側(cè)拐、且夾角大于150°以上的要求。

2)受島形的影響，設(shè)計(jì)方案中質(zhì)量為5 t的扭王字塊體均失穩(wěn)，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，坡腳增加支撐作用的棱體塊石和加大塊體質(zhì)量已達(dá)到穩(wěn)定，堤身斷面增加至質(zhì)量8 t可達(dá)到穩(wěn)定，端部須增加至質(zhì)量14 t方能穩(wěn)定。試驗(yàn)得到的穩(wěn)定質(zhì)量均大于采用規(guī)范公式計(jì)算和二維水槽斷面試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，模型試驗(yàn)也再次驗(yàn)證了轉(zhuǎn)角位置側(cè)向力比正向波浪力對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定性更危險(xiǎn)。

3)受島形的影響，端部轉(zhuǎn)角處越浪量的試驗(yàn)結(jié)果大于采用規(guī)范公式計(jì)算和二維水槽斷面試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，與以往研究成果不同。但其它位置仍與之相吻合，因此為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能更真實(shí)地反映原形波浪作用，應(yīng)采用三維整體物理模型試驗(yàn)研究。通過(guò)本次試驗(yàn)再次驗(yàn)證了三維整體物理模型試驗(yàn)的必要性。