埋入式直立防波堤堤前波浪作用影響分析

高凌霄，馬志強(qiáng)

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津300461）

1 工程概況

某沉管結(jié)構(gòu)海底隧道工程下穿現(xiàn)有防波堤結(jié)構(gòu)，隧道施工前拆除部分防波堤，安裝沉管后依次鋪設(shè)塊石墊層兼基礎(chǔ)、隧頂段結(jié)構(gòu)恢復(fù)。平面上隧道與防波堤軸線投影斜交，交角約40°，平面位置關(guān)系見圖1。防波堤采用寬體沉箱結(jié)構(gòu)形式，沉箱箱體寬21.5 m，底寬25.5 m（含前后趾各2 m），為盡量減少混凝土重量、做高沉箱結(jié)構(gòu)，最終以沉箱頂板兼作胸墻結(jié)構(gòu)，頂高程3.64 m，沉箱底高程-12.0 m。

圖1 防波堤與隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Plane relationship between breakwater and tunnel

本段隧道基礎(chǔ)軟土層較厚，為防止隧頂受到沿防波堤法線方向下傳的不均勻應(yīng)力產(chǎn)生節(jié)段間不平衡受力而相對扭轉(zhuǎn)，在沉箱兩側(cè)增設(shè)回填壓載塊石以平衡重量，壓載的重量與無波浪作用的防波堤自重相當(dāng)，壓載外沿與隧道軸線垂直，壓載塊石自管頂回填覆蓋至-7.0 m，回填軸線投影寬度不小于10.0 m，防波堤結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 埋入式防波堤剖面圖Fig.2 Section of buried breakwater

防波堤埋入壓載塊石深度達(dá)5 m，作用于防波堤上的波浪力與常規(guī)直接作用在直立式防波堤上的波浪力[1]存在一定差異，本文通過對相同波浪要素條件下防波堤埋入式、非埋入式2種工況物理模型試驗(yàn)測定數(shù)值與現(xiàn)行海港水文規(guī)范中波浪水平力和浮托力計(jì)算值進(jìn)行對比[2]，并對對比結(jié)果進(jìn)行分析，可為類似工程的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和借鑒。

本工程為恢復(fù)結(jié)構(gòu)，頂高程為固定值不可變，根據(jù)水文波高等要素越浪現(xiàn)象在50 a一遇高水位和設(shè)計(jì)高水位時均存在，堤前波浪力計(jì)算值參照規(guī)范要求，按d/L對應(yīng)立波減去越頂部分波浪力進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室海洋環(huán)境波浪水槽中進(jìn)行，水槽長50.0 m、寬3.0 m，試驗(yàn)斷面模型按照Froude相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作，模型幾何比尺為1∶25。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，頻譜采用合田改進(jìn)的JONSWAP譜，堤前波壓強(qiáng)分布測量采用YL2000型多點(diǎn)壓力儀系統(tǒng)（相對誤差小于0.5%），總力測量采用應(yīng)變式三維總力傳感器（量程為100 N，相對誤差小于0.5%），水槽尾部安裝消能網(wǎng)，以避免波浪的反射。試驗(yàn)采用的潮位波浪組合及設(shè)計(jì)波浪要素依據(jù)工程專題波浪數(shù)模試驗(yàn)報告內(nèi)容，見表1。

表1 防波堤斷面波浪要素Table 1 Wave elements in breakwater section

為分析防波堤前回填塊石對堤前波浪力的影響，試驗(yàn)分別對防波堤埋入式、非埋入式2種工況進(jìn)行了波浪力的測定，試驗(yàn)斷面見圖3，點(diǎn)壓力測點(diǎn)分布見圖4，最大波壓力時刻各測點(diǎn)數(shù)值見表2、表3，最大值合成結(jié)果見表4。

表3 直立防波堤底部浮托力Table 3 Uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表4 每延米水平力和浮托力對比表Table 4 Comparison of horizontal wave force and uplift wave force per linear meter kN/m

圖3 防波堤試驗(yàn)斷面Fig.3 Picture of experimental breakwater section

圖4 點(diǎn)壓力測點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of measuring pressure points

表2 直立防波堤波峰迎浪面波壓力Table 2 Wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

根據(jù)試驗(yàn)測定，埋入式防波堤迎浪面所受的波壓力[3]略高于常規(guī)非埋入式防波堤，50 a一遇高水位組合50 a一遇波浪時，總力差距在5%～6%左右，埋入式防波堤的浮托力也略高于非埋入式，差距在3%～5%左右。

3 波浪力理論算法計(jì)算

直立式防波堤對波浪運(yùn)動的影響由2部分組成，一是波浪遇到直墻產(chǎn)生的規(guī)則反射[4]，二是基床使堤前水深減小，促使波浪在基床上破碎[5]，堤前回填相當(dāng)于在斷面型式上抬高了防波堤基床，一定程度上影響了波態(tài)分布。JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中對低、中、高3種基床及堤前波浪形態(tài)進(jìn)行了定義，文中對應(yīng)防波堤斷面在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位工況下，無堤前回填影響時為暗基床立波，堤前回填后為中基床立波，因此回填后堤前仍有足夠水深對波浪接近于形成完全反射[6]。

現(xiàn)行的JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》在計(jì)算立波時當(dāng)d/L=0.139～0.2，且H/L≥1/30時選用森弗羅簡化法計(jì)算；當(dāng)d/L=0.05～0.139，d≥1.8H時選用大連理工大學(xué)發(fā)展的橢余立波法；當(dāng)H/L≥1/30，且相對水深0.2＜d/L＜0.5時，選用有限振幅波浪理論一次近似解。本計(jì)算模型根據(jù)波浪要素判斷，防波堤工況組合適宜采用森弗羅簡化法[7]一次近似解計(jì)算波浪力。

規(guī)范在立波范疇內(nèi)基床高低對波浪力的形態(tài)沒有影響，本項(xiàng)目回填范圍較廣，設(shè)計(jì)寬度約在10～30 m之間，遠(yuǎn)超普通基床對波浪形態(tài)[8-9]的影響，堤前回填塊石使波浪能量更多在回填塊石以上集中，回填塊石的透水性，波浪產(chǎn)生的動水壓力又可傳遞至埋入式結(jié)構(gòu)的防波堤前，因此根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》計(jì)算了回填塊石作為回填底標(biāo)高并線性向下傳遞波浪力（埋入式堤前回填無限遠(yuǎn)）工況（此時由于底標(biāo)高抬高，波浪力計(jì)算方法采用大連理工大學(xué)橢余立波法），同時計(jì)算以沉箱底作為海床底標(biāo)高工況計(jì)算的波浪力，得到兩種極端情況的堤前波浪力數(shù)值，兩種工況下，防波堤所受波浪水平力及浮托力計(jì)算結(jié)果見表5～表7。

表5 直立防波堤波峰迎浪面波壓力計(jì)算值Table 5 Calculated value of wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

表6 直立防波堤底部浮托力計(jì)算值Table 6 Calculated value of uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表7 每延米水平力及浮托力計(jì)算值對比表Table 7 Comparison of calculated values of horizontal wave force anduplift wave force per linear meter kN/m

規(guī)范計(jì)算結(jié)果與波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律存在一致性，埋入式在波要素不變的基礎(chǔ)上抬高地形、減少堤前水深進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示埋入式防波堤前水平波浪力和浮托力也均高于非埋入式，波浪力分布形狀也有所變化如圖5、圖6所示。根據(jù)規(guī)范算法，當(dāng)采用相同的波要素進(jìn)行波浪力計(jì)算時，當(dāng)?shù)糖八钭儨\時靜水面處波壓力極值增大，整體波能受上部動水壓力變化影響能量也有所增強(qiáng)。但因墻前回填范圍實(shí)際小于計(jì)算模型所對應(yīng)的無限遠(yuǎn)，例如本項(xiàng)目僅能到1/3～1/9倍波長，實(shí)際回填對波浪影響效果有限，理論應(yīng)小于該計(jì)算值，但目前尚沒有完備的理論計(jì)算方法可做參考。

圖5 非埋入式波浪力分布圖Fig.5 Distribution of wave pressure of unburied breakwater

圖6 埋入式波浪力分布圖（回填無限）Fig.6 Distribution of wave pressure of buried breakwater（backfilled infinity）

4 結(jié)果分析

防波堤結(jié)構(gòu)外增加較寬的塊石回填時，對堤前波浪形態(tài)造成一定程度的淺水變形，形成影響，當(dāng)波高不變、波長變短、波陡增加時，造成波壓力的增加。本文通過計(jì)算在波要素不變的前提下，假設(shè)回填無限遠(yuǎn)抬高地形、減小堤前水深的方式增加靜水面位置附近的波壓力極值來擬合這一現(xiàn)象。將物模試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)、繪制曲線圖，可直接對比各高程點(diǎn)力分布情況、分析其中受力規(guī)律。各值總體規(guī)律呈現(xiàn)一致性，水平力計(jì)算值與試驗(yàn)值相差在10%以內(nèi)，浮托力除埋入式極端高水位浮托力相差加大外也基本在10%以內(nèi)。采用墻前無限回填方式進(jìn)行核算增加了靜水面附近波壓力的峰值，且數(shù)值與試驗(yàn)所測不規(guī)則波的最大波峰壓力數(shù)值分布接近，見圖7、圖8。由于試驗(yàn)值波浪水平力與浮托力最大值不在同一個相位發(fā)生，計(jì)算值將與兩個極值相比較數(shù)值均接近，見圖9、圖10。以該方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[10]是偏于安全的，綜上所述，采用墻前回填代替原始地形進(jìn)行埋入式防波堤的波浪力核算是可行的。

圖7 50 a一遇高潮位波浪水平力對比圖Fig.7 Comparison diagram of horizontal wave pressure on high tide of fifty-year return period

圖8 設(shè)計(jì)高水位波浪水平力對比圖Fig.8 Comparison diagram of horizontal wave pressure on design high water level

圖9 50 a一遇高潮位波浪浮托力對比圖Fig.9 Comparison diagram of uplift wave pressure on high tide of fifty-year return period

圖10 設(shè)計(jì)高水位波浪浮托力對比圖Fig.10 Comparison diagram of uplift wave pressure on design high water level

5 結(jié)語

通過回填形成的埋入式結(jié)構(gòu)防波堤所受到的波浪水平力和浮托力，經(jīng)波浪模型試驗(yàn)測定是高于原地形非埋入式防波堤的，在設(shè)計(jì)該種結(jié)構(gòu)時應(yīng)對改變防波堤前地形帶來的影響加以重視，避免設(shè)計(jì)中預(yù)留安全富裕不足產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)風(fēng)險。經(jīng)論證，對該種情況下可通過將埋入后回填標(biāo)高當(dāng)做地形的方式并采用現(xiàn)行JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》相對應(yīng)的波浪力算法進(jìn)行計(jì)算，該種算法可作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的參考，同時考慮其他因素帶來的不確定性，建議類似工程同時采用波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步完善研究。