不同海塘提標(biāo)加固方法波浪模型試驗研究

修海峰，董偉良，黃世昌，黃君寶，王永舉，邵 杰

（1.岱山縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局（水利局），浙江 岱山 316200；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

海塘工程作為沿海防御海洋災(zāi)害的主要載體，在保障沿海人民生命財產(chǎn)安全等方面發(fā)揮著積極作用。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各項基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對海塘防御能力提出更高的要求，同時部分海塘年久失修，因此海塘提標(biāo)加固十分必要。

目前海塘提標(biāo)加固方法較多，如：塊石消浪、護(hù)面加糙、擋浪墻加高、反弧形擋浪墻、擋浪墻后置、構(gòu)筑潛堤等，各方法的消浪原理和消浪效果不盡相同?，F(xiàn)有針對海塘提標(biāo)加固的波浪研究成果偏少，而新建海塘越浪量影響因子研究較為成熟，所以提標(biāo)加固的消浪效果基本參考新建海塘波浪研究成果。1992年章家昌通過模型試驗提出海堤平均越浪量計算公式[1-2]，被1998版《海港水文規(guī)范》引用并沿用至JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》，2018年邵杰、許凡等人也分別通過波浪水槽試驗系統(tǒng)研究斜坡式海堤結(jié)構(gòu)尺度對越浪量的影響[3-4]。潛堤屬于在堤前構(gòu)筑一道防波堤，可削減來波能量，從而減小海塘越浪量，前人對此進(jìn)行了相關(guān)研究。2018年彭程通過水槽試驗研究不同波浪要素對潛堤波浪傳播的影響[5]，邊峰采用波浪斷面物理模型試驗研究矩形、梯形、三角形、半圓形4種結(jié)構(gòu)形式潛堤的消浪效果[6]，2020年肖樂針對福建省長樂市外文武圍墾海堤提級工程采用數(shù)值波浪水槽研究潛堤的消浪效果[7]。

由于海塘結(jié)構(gòu)型式、地形地貌、水文條件、社會經(jīng)濟(jì)等差異，采用何種方法最適合當(dāng)?shù)厍闆r，是目前海塘提標(biāo)加固的重點問題。針對岱山縣西南塘蟹文化產(chǎn)業(yè)園段海塘，選擇直接加高擋浪墻、后置擋浪墻、鋪設(shè)塊石和構(gòu)筑潛堤4種常見的提標(biāo)加固方法進(jìn)行波浪模型試驗，研究各方法的消浪效果，綜合比較分析其經(jīng)濟(jì)性和施工難度，據(jù)此選擇最適合該海塘的提標(biāo)加固方法。

2 物理模型設(shè)計

2.1 試驗斷面

海塘位于岱山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，總體呈U型布置，全長1 168 m，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，允許越浪。由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，擬提標(biāo)加固至50 a一遇，允許越浪量控制在0.020 m3/（m · s）以下。海塘斷面型式為混合式（見圖1）：堤腳為1 000～1 200 kg拋填塊石，坡度為1:3.0，頂高程為2.00 m；隨后布置長7.00 m平臺，由重600～800 kg理砌大塊石組成，厚度為0.80 m；灌砌塊石布置在理砌大塊石平臺后方，在灌砌塊石上方布置埋石混凝土擋墻，擋墻前坡坡度為1:0.2，后坡坡度為1:0.4，擋墻頂高程為4.40 m；擋墻后方為混凝土道路，路面高程為3.20 m。

圖1 海塘結(jié)構(gòu)斷面圖 單位：m

2.2 試驗布置

試驗在不規(guī)則波水槽中進(jìn)行，水槽長70.00 m，寬1.20 m，高1.70 m，首端采用伺服電機(jī)造波機(jī)系統(tǒng)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠型式的推板式造波機(jī)。水槽試驗段分割成寬為0.50 m和0.70 m兩部分，0.50 m寬的部分用來安放模型斷面和進(jìn)行模型試驗，另一部分用于擴(kuò)散造波板的二次反射波。為消除波浪反射，在水槽末端設(shè)置1:7.0的消波灘，灘上裝有格柵及浮動泡沫板，借以吸收波浪能量，消波設(shè)施性能良好，基本能消除反射波。試驗不規(guī)則波譜采用JONSWAP譜，越浪量采用集水稱質(zhì)量法測量。考慮堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素，采用模型比尺λ=18。

2.3 試驗方法

海塘初步選擇直接加高擋浪墻、后置擋浪墻、鋪設(shè)塊石和構(gòu)筑潛堤4種提標(biāo)加固方法（見圖2），波浪斷面物理模型試驗針對以上方法開展研究。其中擋浪墻頂寬0.35 m；潛堤頂寬3.50 m，前坡坡度為1:3.0，后坡坡度為1:2.5，潛堤后坡坡腳距塘腳7.00 m左右。波浪要素及水位組合：水位為50 a一遇，高潮位3.18 m，堤前水深d =4.18 m；波浪選擇SW～WSW強(qiáng)浪向，有效波高為1.82 m，波長為29.04 m。

圖2 海塘提標(biāo)加固方法示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加高擋浪墻

擋浪墻作為海塘防潮防浪的主要結(jié)構(gòu)部位，改變波流水體傳至海塘上部結(jié)構(gòu)處的運(yùn)動狀況，消減一部分波浪能量，從而直接影響越浪量的大小。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波高較大時，由于理砌塊石平臺上水深較淺，波形發(fā)生變化，前坡變陡后坡變緩，直至撞擊到擋墻，由于擋墻前坡較陡，反射波較大，部分入射大波和反射波在理砌大塊石平臺上疊加，波高增大，部分產(chǎn)生破碎現(xiàn)象；當(dāng)入射波高較大時，在理砌塊石平臺上直接產(chǎn)生破碎，由于擋墻前坡較陡，部分破碎水體撞擊擋墻后沿?fù)鯄^續(xù)上爬，部分水體向堤頂飛濺，當(dāng)水體能量較大時產(chǎn)生越浪現(xiàn)象。圖3為越浪量隨新建擋浪墻高度變化的規(guī)律，反映了在海塘擋墻處直接加高擋浪墻的消浪效果。從圖3中可以看出，隨著擋浪墻的加高，越浪量也在逐漸減小，當(dāng)擋浪墻頂高程為0.80 m左右時，海塘基本能滿足越浪量≤0.020 m3/（m · s）的設(shè)防 要求。

圖3 越浪量隨新建擋浪墻高度變化規(guī)律圖

3.2 后置擋浪墻

擋浪墻多數(shù)布置在塘頂靠海側(cè)，塘頂能形成受保護(hù)的道路，方便行人車輛通行；也有部分海塘將擋浪墻布置在塘頂靠陸側(cè)，使得越浪水體與塘頂作用后再與擋浪墻作用，塘頂起到消浪平臺的作用，能夠減小越浪量。圖4為擋浪墻高度P為0.36 ，0.54，0.78 ，0.90 m時后移至不同位置處對應(yīng)的越浪量。從試驗結(jié)果可知，擋浪墻后置能夠有效減少越浪量，相同越浪量條件下?lián)趵藟ξ恢迷娇筷憘?cè)，擋浪墻所需高度越低。

圖4 越浪量隨擋浪墻位置變化規(guī)律圖

3.3 鋪設(shè)塊石

圖5 為越浪量隨塊石頂高程變化規(guī)律。從圖5中可以看出，隨著塊石鋪設(shè)層數(shù)增加，越浪量逐漸減小，塊石消浪效果越好。理砌大塊石平臺頂部鋪設(shè)重200～250 kg、直徑約50 cm塊石，一方面使得塘前水深減小，入射波浪在該處破碎更劇烈，能量耗散更多，塊石層起到消浪平臺的作用，從而降低擋浪墻前波浪；另一方面由于海塘擋浪墻坡度較小，近似于直墻，波浪反射明顯，塊石降低入射波高的同時也降低了反射波，所以最終疊加的波浪要素小于無塊石情況。當(dāng)鋪設(shè)1層塊石后，塊石頂高程約2.50 m，此時越浪量可以減小至0.017 m3/（m · s）左右；鋪設(shè)2層塊石后塊石頂高程約3.00 m，此時越浪量可以減小至0.010 m3/（m · s）左右。

圖5 越浪量隨大塊石頂高程變化規(guī)律圖

3.4 構(gòu)筑潛堤

潛堤是設(shè)置在堤前一定距離的一種低于或超過潮水位、起消減波能作用的堤壩。當(dāng)波浪行進(jìn)翻越潛堤時，因堤頂處水深驟減使波浪破碎，消耗大量波能，從而使堤后波高衰減。潛堤軸線一般與所修建海堤軸線平行，可減小波浪能量。圖6為越浪量隨潛堤頂高程變化的規(guī)律。潛堤采用重200～300 kg塊石拋填，從圖6中可以看出，隨著潛堤頂高程增加，越浪量逐漸減小，但相對于無潛堤條件，越浪量減小幅度較小，對海塘防浪能力提升較少。

圖6 越浪量隨潛堤頂高程變化規(guī)律圖

3.5 綜合分析

潛堤陸側(cè)堤腳離海塘腳距離一般大于0.5倍波長。由于用海限制，潛堤海側(cè)堤腳布置在用海紅線附近，潛堤離海塘較近，同時受空間限制，潛堤頂寬度較小。試驗中可以觀察到，入射大波基本可以穿過潛堤和海塘相互作用，所以塘前構(gòu)筑潛堤對本海塘越浪量減小效果并不明顯。并且構(gòu)筑潛堤需要較多滿足一定重量的大塊石，潛堤材料很難獲取，另外在塘前灘地施工難度大、投資大且消浪效果不明顯。

鋪設(shè)塊石可以顯著耗散波浪能量，減低越浪量，提升海塘防浪能力，但塊石和波浪相互作用強(qiáng)烈，對塊石自身穩(wěn)定性和塊石頂高程提出較高的要求，需要采購較多大重量塊石，對于本海塘提標(biāo)加固工程而言，工程量大，施工難度也較大。

擋浪墻后置可以有效減低越浪量，所需擋浪墻高度較低，但擋浪墻后置會使后方道路變窄，縮小可使用面積，對于土地資源本身緊張的岱山縣不是很合適的提標(biāo)方法，且原塘身為塘渣填筑，位置后移無法固定擋浪墻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在問題，需對塘身結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分更改才能滿足要求，增大了投資。

在擋浪墻頂部直接加高可以有效減小越浪量，施工簡單、投資小，但擋浪墻高度偏高，視野受到影響?？紤]到本海塘外側(cè)為碼頭作業(yè)區(qū)，經(jīng)綜合比較最終采用直接加高擋浪墻的提標(biāo)加固方法。

4 結(jié) 語

針對岱山縣西南塘蟹文化產(chǎn)業(yè)園段海塘，采用波浪模型試驗方法，對新建擋浪墻、后置擋浪墻、鋪設(shè)塊石和構(gòu)筑潛堤4種提標(biāo)加固方法進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

（1）在現(xiàn)有海塘頂構(gòu)造新?lián)趵藟梢燥@著降低越浪量，越浪量隨擋浪墻高度增加而減小，隨擋浪墻位置后移也同樣減小。在滿足相同越浪量條件下，后置擋浪墻能夠減小所需擋浪墻高度，但后置擋浪墻需要綜合考慮擋浪墻自身結(jié)構(gòu)設(shè)計和堤頂可使用面積等問題。

（2）在塘前布置大塊石消浪，越浪量能夠顯著降低，但對塊石自身穩(wěn)定性要求高，工程量偏大。

（3）在使用海域范圍有限的情況下，構(gòu)筑離岸近、堤頂窄的潛堤并不能起到很好的消浪效果，且潛堤所需土石方量較大，存在工程投資大、施工難度大等問題，需進(jìn)行深入研究。