基于波浪斷面物理模型試驗(yàn)的大萬(wàn)山島防波堤(潛堤)工程穩(wěn)定性研究

楊志偉

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

防波堤(潛堤)通常由混凝土、石頭、木材或鋼筋混凝土等材料構(gòu)建而成[1-5]，其主要作用是保護(hù)海岸線和港口設(shè)施，防止海浪侵蝕和水位上漲對(duì)海岸線和周圍區(qū)域造成的破壞[7-14]，因此，研究防波堤(潛堤)穩(wěn)定性具有重要意義。為了改善大萬(wàn)山島錦塘灣及周邊海域海洋生態(tài)環(huán)境，擬在大萬(wàn)山島西北側(cè)的錦塘灣岸段進(jìn)行沙灘修復(fù)工程，同時(shí)在離岸水域構(gòu)筑水下潛堤，潛堤長(zhǎng)約280 m，推薦堤頂面高程-1.0 m。為明確潛堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，有必要基于極端波浪動(dòng)力條件對(duì)潛堤進(jìn)行斷面物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證堤頂寬度、堤頂高程、加固體的穩(wěn)定重量，并對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文以珠海大萬(wàn)山島防波堤(潛堤)工程為例，通過波浪斷面物理模型試驗(yàn)，研究了工程防波堤斷面在相應(yīng)設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)波浪動(dòng)力作用下，護(hù)面塊體(扭王字塊或拋石塊體)、塊石墊層、護(hù)底塊石等各部位的穩(wěn)定性，并測(cè)量潛堤結(jié)構(gòu)前后的波浪動(dòng)力要素，并提出了相應(yīng)的加固措施，為大萬(wàn)山島錦塘灣整治工程防波堤(潛堤)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)備

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

本次試驗(yàn)各設(shè)計(jì)水位如下：設(shè)計(jì)高水位為1.742 m；設(shè)計(jì)低水位為-0.72 m；極端高水位為 2.883 m，極端低水位為-1.725 m。本試驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)波浪要素由自然資源部第三海洋研究所2020年3月編制的《珠海市大萬(wàn)山島重點(diǎn)海灣整治工程可行性研究報(bào)告(報(bào)批稿)》成果提供，并在中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司2020年7月編制的《珠海市大萬(wàn)山島重點(diǎn)海灣整治工程初步設(shè)計(jì)》中使用。工程區(qū)域?qū)摰逃绊懙闹饕ㄏ蚴荢向～SW向，設(shè)計(jì)波要素見表1。試驗(yàn)規(guī)程包括《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234—2001)、《港口與航道設(shè)計(jì)水文規(guī)范》(JTS 145—2—2015)、《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)、《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT 51015—2014)。

表1 錦塘灣口門處50 a一遇設(shè)計(jì)波要素

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

大萬(wàn)山島錦塘灣潛堤工程波浪斷面物理模型水槽的長(zhǎng)、寬、高分別為52 m、1.0 m、1.3 m；試驗(yàn)儀器及材料包括造波機(jī)、電容式波高儀、動(dòng)水壓力傳感器、電子稱(精確到0.01 g)、高清攝像機(jī)扭王字塊體、塊石、砂、土工布、水泥等。部分試驗(yàn)儀器見圖1。

圖1 部分試驗(yàn)儀器示意

3 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

3.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)要求代表波浪更符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，并盡可能減小比尺效應(yīng)的影響，因此，選擇模型比尺要綜合考慮波浪水槽尺寸、斷面結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)波浪要素、水位等因素。模型按重力相似準(zhǔn)則及《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)尺寸、水深、波浪等多種要素及水槽尺度和造波機(jī)性能指標(biāo)，確定本次斷面模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，潛堤斷面結(jié)構(gòu)幾何比尺為λ=24，滿足規(guī)范中關(guān)于斜坡式防波堤比尺≤40的要求，相應(yīng)的其他物理量的模型比尺為：

長(zhǎng)度比尺：λL=λ；時(shí)間比尺：λt=λ0.5；重量比尺：λW=λ3。

模型安放位置距造波機(jī)的距離為7倍平均波長(zhǎng)之外，后方距消浪網(wǎng)的距離大于5倍平均波長(zhǎng)。根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的防波堤斷面尺寸，制作斷面模型。斷面中扭王字塊由水泥砂漿混合適量鐵粉澆制而成，護(hù)面塊石、墊層塊石、護(hù)底塊石等均采用天然塊石。根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的斷面布置方案，水槽寬1.0 m，模型擺放寬度為0.5 m，水槽中間用玻璃板材隔開，扭王字塊護(hù)面塊體的擺放遵循“隨即擺放、相鄰不同向”的規(guī)則，先鋪設(shè)堤心石，然后鋪設(shè)塊石墊層，護(hù)底塊石，最后鋪設(shè)扭王字塊或者護(hù)面塊石。為了便于觀測(cè)，試驗(yàn)斷面所使用的塊體和塊石均涂有不同顏色。試驗(yàn)中模型塊體的安放方法亦與現(xiàn)場(chǎng)相似，安放數(shù)量符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)附錄C中的規(guī)定(最終制作的5個(gè)主要斷面物理模型見圖2)。試驗(yàn)中還在防波堤前后布置了5個(gè)波高儀，分別用于測(cè)量深水情況下的波浪要素1#(在水槽中位于防波堤前10.3 m)、深水情況下的波浪要素2#(在水槽中位于防波堤前10.0 m)、深水情況下的波浪要素3#(在水槽中位于防波堤前5.0 m)、堤前波浪要素4#(在水槽中位于防波堤前1 m)；堤后布設(shè)1個(gè)波高儀(4#，在水槽中位于防波堤后1 m)，測(cè)量堤后波高，其中1#和2#測(cè)點(diǎn)為波浪率定點(diǎn)。

圖2 5個(gè)主要斷面物理模型示意

3.2 試驗(yàn)方法

先采用不規(guī)則波進(jìn)行斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)前先用小波連續(xù)作用一段時(shí)間，然后再用率定的波要素進(jìn)行試驗(yàn)。采用目測(cè)和錄像的方法，觀測(cè)扭王字塊護(hù)面塊體或者塊石護(hù)面、護(hù)底塊石、塊石墊層等各部位的穩(wěn)定性。每個(gè)水位條件下波浪持續(xù)作用時(shí)間不小于原型2 h，以便觀察潛堤斷面結(jié)構(gòu)在波浪累積作用下的變化情況。采用不規(guī)則波進(jìn)行透射波試驗(yàn)，使用浪高儀進(jìn)行波浪透射系數(shù)計(jì)算，其測(cè)定歷時(shí)控制在100～150個(gè)波，采集時(shí)間間隔為0.02 s，試驗(yàn)重復(fù)3次，透射波取3次平均值。本次綜合考慮S和SW向設(shè)計(jì)波要素，考慮最不利條件H13%波高選取為4.28 m，譜峰周期Tp選取為9.89 s，給出以下試驗(yàn)工況的結(jié)果：① 極端高水位(2.883 m)+50 a一遇最不利波浪條件；② 設(shè)計(jì)高水位(1.742 m)+50 a一遇最不利波浪條件；③ 設(shè)計(jì)低水位(-0.72 m)+50 a一遇最不利波浪條件；④ 極端低水位(-1.725 m)+50 a一遇最不利波浪條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提供優(yōu)化試驗(yàn)：當(dāng)提供的試驗(yàn)斷面不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)修改斷面，直至穩(wěn)定為止；當(dāng)提供的試驗(yàn)斷面能夠滿足，應(yīng)重新對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化，給出優(yōu)化方案的試驗(yàn)成果。

3.3 波浪模擬

按照試驗(yàn)技術(shù)要求，不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜進(jìn)行模擬，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

式中：

Hs——有效波高，m；

Tp——譜峰值周期，s；

fp——譜峰值頻率，Hz；

γ——譜峰值參數(shù)，取3.3。

不規(guī)則波率定試驗(yàn)時(shí)一次采集波浪數(shù)據(jù)控制在200個(gè)波左右，試驗(yàn)中波浪數(shù)據(jù)采集3次，并取其平均值做試驗(yàn)結(jié)果的代表值，采集的時(shí)間間隔為0.02 s。斷面模型安放前，先率定所需的波浪要素。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，給出該波浪時(shí)間序列的各種波浪要素，并與給定的波浪要素或給定的理論譜形比較，若產(chǎn)生的波浪要素不滿足要求，對(duì)上次的造波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正，直至能夠得到符合要求的波浪。不同設(shè)計(jì)水位下斷面波浪譜型對(duì)比見圖3。

a 極端高水位

b 設(shè)計(jì)高水位

c 設(shè)計(jì)低水位

4 工程設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)組次與優(yōu)化

本次斷面物理模型試驗(yàn)共包括潛堤斷面6個(gè)，其中，扭王字塊護(hù)面方案3個(gè)(堤頂高程0 m、-1 m、-2 m)，拋石護(hù)面方案1個(gè)(堤頂高程-1 m)，優(yōu)化方案2個(gè)(堤頂高程-1 m優(yōu)化方案1、堤頂高程-1 m優(yōu)化方案2)。

4.1 扭王字塊護(hù)面方案

1)堤頂高程

潛堤堤頂高程考慮0 m、-1 m、-2 m 3種情況，由于本工程區(qū)設(shè)計(jì)低水位(低潮累積頻率 90%)為-0.72 m，為美觀考慮，須使?jié)摰涕L(zhǎng)期沒于水下，故潛堤頂面高程設(shè)計(jì)以-1.0 m為推薦方案(見圖4)。

圖4 扭王字塊護(hù)面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

2)堤身斷面

防波堤的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、使用要求、材料來(lái)源和施工條件等因素，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀缓腿宋奶攸c(diǎn)，兼顧親水、生態(tài)或景觀要求等選定。結(jié)合地形、地質(zhì)及水文條件，潛堤采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，利于波浪緩慢上爬，便于消浪。

潛堤結(jié)構(gòu)為：堤心為10～100 kg塊石，坡腳設(shè)有60～100 kg護(hù)底塊石。內(nèi)外側(cè)坡度1∶1.5。外側(cè)護(hù)面采用3.6 t扭王預(yù)制塊體。內(nèi)側(cè)堤角采用180～360 kg塊石墊層，堤身采用200～400 kg塊石墊層。

3)堤頂寬度

堤頂寬度考慮堤身整體穩(wěn)定性、防汛、管理和施工需求，且依據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)，堤頂寬度至少能并列安放兩排人工塊體，本次設(shè)計(jì)潛堤堤頂寬度取4.53 m。

4.2 拋石護(hù)面方案

拋石護(hù)面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設(shè)有200～300 kg護(hù)底塊石，內(nèi)側(cè)坡度1∶1.5，外坡1∶2，內(nèi)、外側(cè)均采用600～800 kg塊石護(hù)面，具體布置見圖5。

圖5 拋石護(hù)面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

4.3 優(yōu)化方案

在扭王字塊護(hù)面推薦方案(堤頂高程-1 m)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，共提出了2種優(yōu)化方案。

1)優(yōu)化方案1

在堤頂扭王字塊和背水面塊石墊層(200～400 kg)之間的孔隙拋填與塊石墊層同類型的塊石，以穩(wěn)定堤頂扭王字塊、降低其失穩(wěn)概率(見圖6紅色方框區(qū)域)。

2)優(yōu)化方案2

增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區(qū)域拋填扭王字塊，進(jìn)而加大堤頂扭王字塊的穩(wěn)定性，提出了優(yōu)化方案2(見圖7)。

圖7 優(yōu)化方案2示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)潛堤斷面共6個(gè)，包括扭王字塊護(hù)面方案3個(gè)(堤頂高程0 m、-1 m、-2 m)，拋石護(hù)面方案1個(gè)(堤頂高程-1 m)，優(yōu)化方案2個(gè)(堤頂高程-1 m優(yōu)化方案1、堤頂高程-1 m優(yōu)化方案2)。下面根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別分析護(hù)面塊體或者護(hù)面塊石、塊石墊層、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性，對(duì)于不穩(wěn)定情況提出優(yōu)化建議。針對(duì)斷面穩(wěn)定方案，測(cè)量堤后透射波浪，并給出透射系數(shù)。

5.1 潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

首先對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中的潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，潛堤斷面模型堤心為10～100 kg塊石，坡腳設(shè)有60～100 kg護(hù)底塊石。外側(cè)護(hù)面采用3.6 t扭王預(yù)制塊體，內(nèi)側(cè)堤角采用180～360 kg塊石墊層，堤身采用200～400 kg塊石墊層。潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)。對(duì)于扭王字塊方案(堤頂高程0 m)和扭王字塊方案(堤頂高程-1 m)各部位穩(wěn)定性結(jié)果為：3.6 t扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的扭王字塊產(chǎn)生位移，并向背浪側(cè)滑落，按照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)規(guī)定：?jiǎn)螌与S機(jī)拋放的護(hù)面塊體，其位移后產(chǎn)生的縫隙寬度超過塊體最大幾何尺度一半時(shí)即失穩(wěn)。所以本方案中扭王字塊不穩(wěn)定。對(duì)于塊石墊層的穩(wěn)定性，塊石墊層未出現(xiàn)晃動(dòng)，部分大浪作用時(shí)出現(xiàn)個(gè)別滾動(dòng)，表層小部分變形，整體未發(fā)生明顯變形。最后護(hù)底塊石(60～100 kg)表層有小部分晃動(dòng)，晃動(dòng)幅度較小，未出現(xiàn)明顯滾動(dòng)變形。而對(duì)于扭王字塊方案(堤頂高程-2 m)，堤頂和堤身扭王字塊未出現(xiàn)位移和滑落情況，所以該工況下扭王字塊穩(wěn)定。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果示意

5.2 拋石防護(hù)穩(wěn)定性(堤頂高程-1 m)

拋石護(hù)面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設(shè)有200～300 kg護(hù)底塊石，內(nèi)側(cè)坡度1∶1.5，外坡1∶2，內(nèi)、外側(cè)均采用600～800 kg塊石護(hù)面，潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)，各部位穩(wěn)定性結(jié)果如下：拋石護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的拋石塊體出現(xiàn)較大滾動(dòng)、位移，并出現(xiàn)顯著滑落，所以本方案中拋石護(hù)面塊體不穩(wěn)定。對(duì)于護(hù)底塊石穩(wěn)定性，護(hù)底塊石(200～300 kg)未出現(xiàn)較大晃動(dòng)，整體未發(fā)生明顯變形。試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 拋石防護(hù)穩(wěn)定性示意

5.3 兩種優(yōu)化方案結(jié)果

優(yōu)化方案1(堤頂高程-1 m)潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)，各部位穩(wěn)定性結(jié)果如下：3.6 t扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的扭王字塊產(chǎn)生位移，并向背浪側(cè)滑落，所以本優(yōu)化方案中扭王字塊仍不穩(wěn)定，而對(duì)于優(yōu)化方案2(堤頂高程-1 m)，波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，扭王字塊未產(chǎn)生明顯位移，所以本工況下扭王字塊穩(wěn)定，但護(hù)底塊石(60～100 kg)表層有小部分晃動(dòng)，大浪作用時(shí)塊石有明顯晃動(dòng)，整體出現(xiàn)滾動(dòng)和較大變形，建議增加護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量。優(yōu)化方案結(jié)果見圖10。

圖10 兩種優(yōu)化方案結(jié)果示意

6 波浪透射試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于潛堤工程，除了考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性外，還需考慮其對(duì)波浪的削減效果。透射波大小會(huì)影響到堤后方沙灘修復(fù)的效果，因此試驗(yàn)中采用浪高儀對(duì)入射波和透射波進(jìn)行了測(cè)量。

6.1 不同頂高程方案

頂高程不同對(duì)波浪透射有直接影響，圖11～圖13分別給出了極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的波高變化情況。從圖中可以看出，不同堤頂高程方案下波面變化有所差異，較堤前波高均有所減小。對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的堤后有效波波高(Ht)分別為0.158 m、0.154 m、0.149 m，可見隨著堤頂高程的增加透射波高呈減小趨勢(shì)。

圖11 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程-2 m)

圖12 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程-1 m)

圖13 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程0 m)

按照試驗(yàn)技術(shù)要求，潛堤影響下的波浪透射率(Tt)采用下式計(jì)算：

Tt=Ht/H

(4)

式中：

H——入射波高；

Ht——堤后有效波波高。

因此，潛堤建成后，極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的波浪透射率分別為0.884、0.864、0.838。

6.2 優(yōu)化方案

根據(jù)潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)，已基本確定優(yōu)化方案2為推薦方案，故本節(jié)主要展示該方案下的波浪傳播結(jié)果。

不同工況下潛堤前后波面變化結(jié)果見圖14～圖17，從圖中可以看出，由于潛堤的影響，堤后波谷明顯抬高，波高有所減小。對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端低水位工況下，堤后有效波波高(Ht)分別為0.153 m、0.144 m、0.123 m、0.10 m。

圖14 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖15 潛堤前后波面變化示意(設(shè)計(jì)高水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖16 潛堤前后波面變化示意(設(shè)計(jì)低水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖17 潛堤前后波面變化示意(極端低水位+50 a一遇不規(guī)則波)

潛堤建成后，極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端低水位工況下的波浪透射率分別為0.860、0.805、0.689、0.561。對(duì)比初始方案(-1 m堤頂高程)和推薦方案2，由于推薦方案2結(jié)構(gòu)寬度略大于初始方案，因此波浪透射率略有減小。

7 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)大萬(wàn)山島錦塘灣防波堤(潛堤)工程波浪斷面物理模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了潛堤扭王字塊護(hù)面塊體、護(hù)面塊石、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性，同時(shí)測(cè)量堤后透射波高。試驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)扭王字塊護(hù)面方案均出現(xiàn)失穩(wěn)，失穩(wěn)位置主要出現(xiàn)在堤頂位置；拋石護(hù)面方案失穩(wěn)，迎浪面、背浪面以及堤頂3個(gè)位置均出現(xiàn)失穩(wěn)。此外，在扭王字塊方案的基礎(chǔ)上，兩種優(yōu)化方案。第1種方案在堤頂扭王字塊和背水面塊石墊層之間拋填與墊層塊石同類型的塊石，但仍失穩(wěn)。進(jìn)一步提出增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區(qū)域拋填扭王字塊。結(jié)果表明不同波況下堤頂扭王字塊穩(wěn)定良好，但個(gè)別工況背水面扭王字塊仍有失穩(wěn)現(xiàn)象，同樣在背水坡扭王字塊和塊石墊層之間拋填塊石，不同極端波況下優(yōu)化方案2穩(wěn)定性良好。此外，設(shè)計(jì)低水位和極端低水位時(shí)，護(hù)底塊石存在晃動(dòng)、滾動(dòng)情況，建議增加護(hù)底塊石重量。