護(hù)岸修復(fù)穩(wěn)定性的二維與三維模型試驗(yàn)研究對(duì)比

劉洋 劉針 胡朔 陳漢寶 劉海成 張亞敬

摘 要：護(hù)岸的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)、水深地形、折角、水動(dòng)力要素等都有關(guān)系。二維物理模型試驗(yàn)可以用更接近原體的比尺模擬穩(wěn)定性和越浪量，三維物理模型能夠反映護(hù)岸平面布置及其地形的影響。在超越設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)浪作用下，護(hù)岸發(fā)生了護(hù)面塊體下滑、塊體破損、胸墻傾覆等破壞，引發(fā)巨大威脅。護(hù)岸采用更大的扭王字塊體進(jìn)行防護(hù)，采用三維波浪整理物理模型對(duì)修復(fù)護(hù)岸進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，并與二維試驗(yàn)的穩(wěn)定性和越浪成果進(jìn)行對(duì)比并給出分析和推薦意見。

關(guān)鍵詞：護(hù)岸;穩(wěn)定性;扭王字塊;越浪量

中圖分類號(hào)：U656.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0083-04

1概述

防浪建筑物的損壞是海岸工程界歷來(lái)關(guān)注的課題[1]。我國(guó)大多數(shù)沿海地區(qū)經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)的襲擊，臺(tái)風(fēng)一般風(fēng)力強(qiáng)、頻率高、歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度高，在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域會(huì)形成巨浪，一般會(huì)造成港口水工建筑物嚴(yán)重破壞[2]，1972年在3號(hào)臺(tái)風(fēng)的影響下，大連石油七廠的防波堤嚴(yán)重受損，護(hù)面四角空心方塊失穩(wěn);1981年在14號(hào)臺(tái)風(fēng)的影響下山東某港口防波堤護(hù)面塊體失穩(wěn)下滑，堤腳淘刷嚴(yán)重，擋浪墻坍塌，部分堤頂被沖刷;2011年在梅花臺(tái)風(fēng)的影響下，大連某化工廠護(hù)岸防波堤部分損壞，擋浪墻滑移，護(hù)面塊體失穩(wěn)，造成較為嚴(yán)重的社會(huì)影響。梅花臺(tái)風(fēng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、移動(dòng)速度較慢，海域形成的波浪周期較長(zhǎng)。根據(jù)大連損毀海岸工程附近海域測(cè)站實(shí)測(cè)資料，已有文獻(xiàn)推算 E 向浪 50 年一遇重現(xiàn)期波浪平均周期為7.5 s， H1/10 為 4.0 m[1];“梅花”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，E 向浪平均周期9.0 s， H1/10 為 3.03 m。雖然臺(tái)風(fēng)期間平均波高比 50 年一遇重現(xiàn)期波高小，但平均周期卻已經(jīng)超過(guò) 50 年一遇。通過(guò)臺(tái)風(fēng)期間波浪特征與 50 年一遇設(shè)計(jì)波浪進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)過(guò)程引起的較長(zhǎng)周期波浪是引起護(hù)岸損壞的重要原因之一。由于水深地形、折角及波浪入射方向等因素的影響引起的局部的波能集中，也是造成防浪建筑物損壞的重要原因。

根據(jù)防波堤破壞主要原因，選擇不同的修復(fù)加固方法，如在出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)頻率較高的區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在堤頭及波能集中部位可以選擇加大塊體重量等。對(duì)于修復(fù)方案必須通過(guò)波浪數(shù)學(xué)、物理模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等手段進(jìn)行驗(yàn)證。二維物理模型試驗(yàn)可以用更接近原體的比尺模擬穩(wěn)定性和越浪量，三維物理模型則能夠更好地反映護(hù)岸平面布置及其地形的影響。本文采用二維和三維波浪模型對(duì)受梅花臺(tái)風(fēng)破壞的大連某化工碼頭護(hù)岸修復(fù)穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的穩(wěn)定性和越浪成果進(jìn)行對(duì)比并給出分析和推薦意見。

2防波堤修復(fù)方案

圖1為修復(fù)加固后防波堤平面布置圖，圖2為堤頭處斷面原設(shè)計(jì)與加固斷面對(duì)比圖，圖3為拐角處斷面原設(shè)計(jì)圖及加固斷面對(duì)比圖。從斷面圖可以看出原設(shè)計(jì)中堤頭處護(hù)面塊體為9t扭王字塊，拐角及堤身處護(hù)面塊體為7t扭王字塊，在“梅花”臺(tái)風(fēng)期間，現(xiàn)場(chǎng)堤心石被淘出、防波堤護(hù)面發(fā)生損壞和下滑等破壞，因而引發(fā)后方陸域塌陷的巨大威脅。修復(fù)加固方案為在破壞的防波堤上采用更大的扭王字塊，堤頭及堤身全部采用15t扭王字塊，原護(hù)面塊體直接作為加固護(hù)面塊體的墊層，隨著護(hù)面高程的加高，胸墻高程由原來(lái)的+7.50m加高至10.0m，詳見圖2和圖3。

3波浪整體模型試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)介紹

本次試驗(yàn)在臨港試驗(yàn)基地綜合試驗(yàn)廳港池中進(jìn)行，模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，塊體重量級(jí)模型斷面結(jié)構(gòu)尺寸均滿足幾何相似，模型重量計(jì)算時(shí)考慮海水與淡水密度差的影響，波浪模擬采用港池專用搖板式不規(guī)則波造波機(jī)，水池四周均設(shè)置有消波設(shè)備。根據(jù)場(chǎng)地及試驗(yàn)技術(shù)要求，波浪整體物理模型試驗(yàn)比尺為1：60，時(shí)間比尺為7.75[3]。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D4所示。

3.2 試驗(yàn)水位

極端高水位：3.10m （100年一遇）;極端高水位：2.96m;設(shè)計(jì)高水位：1.86m;設(shè)計(jì)低水位：-1.62m。

3.3 試驗(yàn)波浪條件

采用重現(xiàn)期100年一遇SE、S、SW三個(gè)方向的不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)浪方向與模型相對(duì)位置見圖5所示。試驗(yàn)波浪要素通過(guò)波浪數(shù)學(xué)模型推算獲得，不規(guī)則波設(shè)計(jì)波浪要素詳見表1。

3.4 物理模型試驗(yàn)方法

波浪物理模型試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)波浪模型試驗(yàn)規(guī)程（JTJ/T 234-2001）[4]，每組工況模擬時(shí)間為原體為3h，觀察斷面各個(gè)部位在波浪累積作用下的變化情況。每組至少重復(fù)3次，當(dāng)3次試驗(yàn)結(jié)果差別較大時(shí)，要增加重復(fù)次數(shù)，每次試驗(yàn)斷面塊體需重新擺放。

3.4.1穩(wěn)定性判斷

（1）護(hù)底塊石。波浪累積作用3h后觀察護(hù)底塊石的整體情況，根據(jù)護(hù)底塊石表面是否發(fā)生明顯變形、是否失去護(hù)底功能來(lái)判斷是否穩(wěn)定性。

（2）護(hù)面塊體。護(hù)面塊體為扭王字塊時(shí)：在波浪累積作用3h后，觀察護(hù)面塊體位移超過(guò)塊體最大幾何尺度一半、塊體滑落或跳出時(shí)，即判斷為失穩(wěn)，沒(méi)有位移即判斷為穩(wěn)定。

3.4.2越浪量

越浪量的測(cè)量是在測(cè)量位置用接水裝置接取越浪水體，通過(guò)接到水體的質(zhì)量或體積得到模型的越浪量，不規(guī)則波需接取一個(gè)完整波列的總越浪水體的質(zhì)量或體積作為相應(yīng)歷時(shí)的總越浪量，然后計(jì)算單寬平均越浪量。

4模型試驗(yàn)結(jié)果

4.1 斷面穩(wěn)定性

在重現(xiàn)期100a波浪作用下，設(shè)計(jì)低水位時(shí)500～800kg護(hù)底塊石表面?zhèn)€別晃動(dòng)，波浪連續(xù)作用3h后，塊石表面整體未發(fā)生明顯變形，因此判定穩(wěn)定;扭王字護(hù)面塊體、胸墻均保持穩(wěn)定，護(hù)面塊體失穩(wěn)率為0。設(shè)計(jì)高水位和極端高水位（100a）時(shí)，護(hù)底塊石、護(hù)面塊體及胸墻均保持穩(wěn)定，原設(shè)計(jì)方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4.2 堤頂越浪量

4.2.1? SE向浪作用

在極端高水位（100a）重現(xiàn)期100a一遇波浪作用下，波浪爬高可越過(guò)堤頂形成越浪，最大平均越浪量為0.025m?/m.s;設(shè)計(jì)高水位時(shí)最大平均越浪量為0.0068 m?/m.s，設(shè)計(jì)低水位時(shí)由于水深和波高較小，僅有濺浪，無(wú)明顯越浪出現(xiàn)。

4.2.2? S向浪作用

相對(duì)于SE向來(lái)浪，S向來(lái)浪更直接作用于防波堤，由于S向來(lái)浪相對(duì)于SE向來(lái)浪小很多，因此防波堤在S向浪作用下各水位時(shí)堤頂均未發(fā)生越浪，在極端高水位（100a）重現(xiàn)期100a一遇波浪作用下存在濺浪現(xiàn)象。

4.2.3? SW向浪作用

相對(duì)于S向來(lái)浪，SW向來(lái)浪先作用于防波堤堤頭，因此在極端高水位（100a）水位時(shí)堤頭出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，濺浪位置由拐角西側(cè)變?yōu)楣战屈c(diǎn)東側(cè)防波堤處（見圖6），由于SW向來(lái)浪比S向來(lái)浪較小，因此濺浪現(xiàn)象均不明顯。

4.3 與波浪斷面試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

本工程對(duì)防波堤和護(hù)岸斷面也進(jìn)行了波浪水槽試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比波浪整體與斷面試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波浪斷面試驗(yàn)中的防波堤和護(hù)岸斷面結(jié)構(gòu)，各部分均能保持穩(wěn)定，原設(shè)計(jì)方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，這與三維結(jié)果保持一致。在相同的波浪條件和斷面位置處越浪量出現(xiàn)差異，在極端高水位（100a）波浪作用下，西護(hù)岸7#斷面位置二維與三維物理模型中越浪量分別為0.0011 m?/m.s和0.0039m?/m.s，在極端高水位波浪作用下，防波堤處4#斷面位置越浪量分別為0.023m?/m.s和0.057 m?/m.s，設(shè)計(jì)高水位時(shí)均無(wú)明顯越浪出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，二維斷面試驗(yàn)越浪量比三維試驗(yàn)中大60%～70%。

分析二維斷面越浪量偏大的原因有以下幾點(diǎn)：首先斷面試驗(yàn)中采用的為正向浪作用，而三維整體模型中入射波浪與防浪建筑軸線存在一定的夾角，造成越浪量的不同，這與Owen[5]、Juhl[6]、Banyard[7]、李曉亮[8]等研究的波向角對(duì)平均越浪量有影響的結(jié)論相符;其次，由于水槽長(zhǎng)度的限制，對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波浪在水槽中試驗(yàn)時(shí)更容易造成入射波浪的疊加，導(dǎo)致堤前壅水，造成越浪量偏大[9]。因此，采用三維穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)更為合理。

5主要結(jié)論

在超越設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)浪作用下，護(hù)岸發(fā)生了護(hù)面塊體下滑、塊體破損、胸墻傾覆等破壞，引發(fā)巨大威脅[10-11]。分析護(hù)岸受損原因主要是臺(tái)風(fēng)期間波高和周期的增大造成的[12-13]，因此，在修復(fù)加固工程中將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高了波浪標(biāo)準(zhǔn)。本文采用三維波浪整理物理模型對(duì)修復(fù)加固護(hù)岸進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，并與二維試驗(yàn)的穩(wěn)定性和越浪成果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比波浪整體與斷面試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波浪斷面試驗(yàn)中的防波堤和護(hù)岸斷面結(jié)構(gòu)，各部分均能保持穩(wěn)定，原方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，這與三維波浪物理模型結(jié)果保持一致。越浪量試驗(yàn)中兩者出現(xiàn)較明顯的差異，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，模型中相同波浪條件和斷面位置處二維斷面試驗(yàn)越浪量比三維試驗(yàn)中大約60%～70%，由于二維水槽試驗(yàn)受各種因素制約，不能有效地反應(yīng)平面布置、地形及方向角的影響，其越浪量結(jié)果會(huì)比采用三維防波堤模型試驗(yàn)的結(jié)果偏大，基于三維波浪物理模型試驗(yàn)比二維波浪斷面物理模型試驗(yàn)更能夠真實(shí)的反映海浪的傳播變形和好浪對(duì)防浪建筑物的作用情況，其結(jié)果可以避免槽壁限制、正向浪作用等二維試驗(yàn)中的不足。因此，三維波浪物理模型試驗(yàn)研究能更加真實(shí)的模擬工程情況，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有更好的指導(dǎo)意義。

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