耿寶磊，高峰，孫精石，崔雷

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

在海洋波浪場(chǎng)中，防波堤不但受到波浪的沖擊，在大浪作用下還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的越浪，往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此防波堤的越浪量不但是防波堤結(jié)構(gòu)和斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，也是衡量防波堤防浪效果以及評(píng)價(jià)堤后安全的重要參數(shù)。對(duì)越浪量的控制一方面需要在工程前防波堤設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分的論證，另外在工程后也可以采取一定的防護(hù)措施降低越浪量，而利用護(hù)岸植被消波即是有效手段之一。

以往對(duì)護(hù)岸植被消波作用的應(yīng)用和研究主要針對(duì)河道岸堤、堤圍及近岸的灘涂[1-3]，且這些研究多注重波高的衰減[4-5]、波浪的爬高以及護(hù)岸波壓力的變化[6-7]等，而鮮見(jiàn)針對(duì)護(hù)岸植被對(duì)越浪量影響的研究。本研究以天津中心漁港休閑作業(yè)區(qū)為依托工程，目前其東導(dǎo)堤?hào)艡诎遄o(hù)面孔腔中長(zhǎng)有成熟的大體植株。本文采用物理模型試驗(yàn)方法，針對(duì)天津中心漁港東導(dǎo)堤已有的植被情況進(jìn)行斷面試驗(yàn)，探討防波堤表面植被對(duì)越浪量的影響，從而為防波堤越浪問(wèn)題的相關(guān)研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)斷面

選取天津中心漁港休閑作業(yè)區(qū)東導(dǎo)堤泥面高程+1.0 m處初步設(shè)計(jì)斷面為參考斷面，斷面形式見(jiàn)圖1。該斷面泥面高程+1.0 m，肩臺(tái)高程為+3.0 m，堤頂高程為+6.0 m，胸墻頂高程為+7.5 m。斷面海側(cè)肩臺(tái)至堤頂鋪設(shè)柵欄板，且肩臺(tái)與堤頂之間的坡度為1∶2；肩臺(tái)以下鋪設(shè)200~300 kg塊石，坡度為1∶3。由于本研究主要考察植被的消波作用，試驗(yàn)中暫未考慮胸墻結(jié)構(gòu)，因此模型設(shè)計(jì)時(shí)斷面的堤頂高程為+6.0 m。

圖1 東導(dǎo)堤+1.0 m泥面高程初步設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Preliminary design section of east-breakwater at+1.0 m mud surface elevation

1.2 試驗(yàn)水位

設(shè)計(jì)高水位：+4.30 m。

1.3 波浪條件

根據(jù)已有研究成果，ENE向?yàn)樵摵Ｓ虺＠讼蚝蛷?qiáng)浪向，因此選取ENE向?yàn)椴ɡ俗饔梅较颉?duì)于護(hù)坡植被的消波效果而言，其對(duì)較小波浪的消減較為明顯，因此選取重現(xiàn)期2 a波浪作為參考，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a的0~+3 m等深線ENE向波浪的H13%在1.26~0.78 m之間，根據(jù)該波高范圍，試驗(yàn)斷面入射波要素選取有效波高分別為1.25 m，1.0 m，0.8 m和0.6 m，平均周期均取5.6 s，試驗(yàn)波要素組次見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)波要素Table1 Wave factors in experiment

2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 相似準(zhǔn)則與模型比尺

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)斷面尺寸按幾何相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型。根據(jù)試驗(yàn)要求，結(jié)合植株尺寸和斷面結(jié)構(gòu)尺度，并考慮試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備能力，取模型幾何比尺為10，亦即波高比尺為10，周期比尺為3.16，越浪量比尺為31.62。

2.2 斷面制作

試驗(yàn)中嚴(yán)格按照J(rèn)TJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[8]的要求進(jìn)行模型制作。斷面模型中各種塊石和塊體按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。由于模型試驗(yàn)采用的是淡水，而實(shí)際工程中為海水，受淡水與海水的密度差影響，試驗(yàn)中考慮ρ海水=1.025ρ淡水，在計(jì)算模型重量時(shí)考慮了這種影響。

2.3 模型植被

1）植株的尺寸。護(hù)岸植被為具有一定高度的植株，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研得到其主要尺寸見(jiàn)表2。

表2 護(hù)岸植株的外形幾何數(shù)據(jù)Table 2 Shape size of the vegetation on breakwater

根據(jù)依托工程的結(jié)構(gòu)斷面形式和水文條件，試驗(yàn)中為滿足斷面水位的要求，以表2的植株外形數(shù)據(jù)為依據(jù)稍作調(diào)整，即：樹(shù)高取130 cm，胸徑5 cm，冠幅100 cm，冠高70 cm。對(duì)于植株的胸徑，這里指樹(shù)干的平均直徑。以模型樹(shù)為例，植株各部分示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中，護(hù)岸植株（樹(shù)）的模型選擇需要綜合考慮幾何外形相似和力學(xué)性能相似。由于原體護(hù)岸植株高度取130 cm，按照1∶10的幾何比尺，設(shè)定模型樹(shù)露出地表的高度為13 cm，其中冠高7 cm。對(duì)于原體的樹(shù)木而言，其枝葉柔性較大，而樹(shù)干部分有一定的韌性，試驗(yàn)中根據(jù)樹(shù)干部分在外力F作用下的幾何變形dl相似（如圖3）條件，選取合適的材料代替模型樹(shù)。

圖3 樹(shù)干在外力作用下的幾何變形示意圖Fig.3 Deformation sketch for tree by force

對(duì)于植物的株距，由于在現(xiàn)實(shí)中，樹(shù)林的密度有一個(gè)不致太疏也不致太密的普遍經(jīng)驗(yàn)值，即株距和行距確定為使樹(shù)之間樹(shù)冠外沿剛好接觸而不刺入對(duì)方，因此株距和行距均取植株冠幅的一半，即50 cm，模型中取株距和行距均為5 cm。

2）樹(shù)木模型的選取。對(duì)材料的選取進(jìn)行理論分析，將圖3的模型假定為懸臂梁，則在集中荷載F的作用下，懸臂梁的撓度dl可用下式計(jì)算：

式中：l為懸臂梁長(zhǎng)度；E為懸臂梁的彈性模量；I為懸臂梁截面慣性矩，當(dāng)截面為圓形時(shí)，可用下式計(jì)算：

式中：d為圓截面的直徑。

當(dāng)原型和模型的幾何變形相似時(shí)，即dl原型/dl模型=λ，將式（1）代替 dl，并考慮 F原型/F模型=λ3，當(dāng)λ=10時(shí)，可得：

即原型材料彈性模量與模型材料彈性模量之比等于幾何比尺。

木材的彈性模量約為 0.098×105~0.12×105MPa，塑料（低壓聚乙烯）材料的彈性模量約為0.004 8×105~0.007 8×105MPa，兩者的比值范圍在12.56~25之間，因此可尋找一種塑料材料并適當(dāng)提高其彈性模量即可滿足比尺要求。

試驗(yàn)前利用砝碼率定不同種類(lèi)的樹(shù)干材料在外力作用下的變形曲線（見(jiàn)圖4），最終找到塑料材質(zhì)的模型樹(shù)力學(xué)性能與原體樹(shù)木的變形曲線較為吻合（見(jiàn)圖5），原型樹(shù)木的理論撓度曲線計(jì)算時(shí)取樹(shù)干長(zhǎng)度為1.3 m，樹(shù)干截面直徑為0.05 m，彈性模量為0.098×105MPa。

圖5 模型材料變形曲線（撓度）與理論曲線的比較Fig.5 Comparison of deflection curve for model material and theory value

該種材料的模型樹(shù)枝葉部分為塑料材質(zhì)，其樹(shù)干部分外部為塑料，中間為一根較細(xì)的鐵絲，模型樹(shù)見(jiàn)圖2。另外，在模型制作中，通過(guò)在模型樹(shù)的下部捆綁一段鐵絲，然后鐵絲部分完全插入到柵欄板的空隙中。

3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1）波浪模擬。試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院水工試驗(yàn)廳風(fēng)浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1.0 m，高1.5 m。試驗(yàn)波浪采用頻譜不規(guī)則波，頻譜采用JONSWAP譜（簡(jiǎn)稱(chēng)J譜）模擬。

2）單寬越浪量的測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，在斷面堤頂距離堤頂前沿1 m（原型值）位置處用接水裝置接取越浪水體，通過(guò)測(cè)量體積得到模型的單寬越浪量。

3）越浪量消減系數(shù)的定義。設(shè)無(wú)植被方案時(shí)的越浪量為c1，有植被方案時(shí)的越浪量為c2，則定義越浪量的消減系數(shù)m為：

4）試驗(yàn)組次。試驗(yàn)中采用柵欄板和六角型多孔塊體2種護(hù)面塊體，并分別在無(wú)植被試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同植被種植位置對(duì)越浪影響的比較，具體的試驗(yàn)組次見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)組次Table3 Cases for experiment

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 柵欄板方案不同種樹(shù)位置越浪量的比較

為了考察不同位置的植被對(duì)波浪消減的影響，試驗(yàn)中將樹(shù)木種植在肩臺(tái)、護(hù)岸斜坡和堤頂3個(gè)位置，且在3種方案中均采用矩形布置3排植被，模型中樹(shù)木的行距和株距均為5 cm。對(duì)于肩臺(tái)種樹(shù)方案，中間排植株位于肩臺(tái)的中央；對(duì)于斜坡種樹(shù)方案，將最下排樹(shù)木種植在斜坡的中間部位，由于斜坡鋪設(shè)兩塊柵欄板，即最下排樹(shù)木種植在第一塊柵欄板的下沿，其距斜坡頂部的距離約為36 cm；對(duì)于堤頂種樹(shù)方案，第一排樹(shù)木緊靠堤頂?shù)那把亍?/p>

圖6給出了不同種樹(shù)位置時(shí)單寬越浪量的比較；圖7給出了相應(yīng)的越浪量消減系數(shù)的比較。從圖6可以看出，3種方案越浪量隨入射波高的增大而增大，與種樹(shù)位置在肩臺(tái)時(shí)相比，種樹(shù)位置在斜坡和堤頂時(shí)越浪量明顯減少，且斜坡方案的越浪量略小于堤頂方案。在入射波高為0.6 m時(shí)，堤頂和斜坡2種方案的單寬越浪量為0，肩臺(tái)方案的單寬越浪量為6.41×10-4m3/（m·s）。從圖7可以看出，3種方案m值隨入射波高的增大而減小，且斜坡方案的m值略大于堤頂方案。在入射波高為0.6 m時(shí)，堤頂和斜坡2種方案的m值為1，肩臺(tái)方案的m值為0.337。

圖6 柵欄板護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)越浪量的比較Fig.6 Comparison of overtopping water for different plant locations on fence panels

圖7 柵欄板護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)m值的比較Fig.7 Comparison of m for different plant locationson fence panels

樹(shù)木種植在斜坡和堤頂時(shí)消波能力較好的原因在于，該2種方案時(shí)波浪的沖擊和破碎可直接作用于植被上，減弱了護(hù)面塊體（柵欄板）與波浪的作用。另外，堤頂方案比斜坡方案略差的原因在于斜坡方案時(shí)主要靠樹(shù)木的枝葉進(jìn)行消波，而堤頂方案時(shí)主要靠樹(shù)木的樹(shù)干部分進(jìn)行消波，從而表明樹(shù)木的枝葉消波能力要好于樹(shù)干。圖8是不同種樹(shù)位置時(shí)植被的消波狀態(tài)，從圖中可以看出，肩臺(tái)方案時(shí)部分波浪可越過(guò)植被；斜坡方案時(shí)波浪直接作用于植被上，枝葉的消波能力較強(qiáng)；堤頂方案時(shí)，波浪作用于植被的下部樹(shù)干部分。

圖8 柵欄板護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)消波效果的比較Fig.8 Comparison of absorbing effect for different plant locations on fence panels

4.2 六角型多孔塊體方案不同種樹(shù)位置越浪量的比較

六角型多孔塊體是一種新型的護(hù)面塊體，其研究和應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)。六角型多孔塊體的典型應(yīng)用即為我國(guó)連云港西大堤，在該工程4+725~4+755 m之間50 m長(zhǎng)的堤段進(jìn)行了六角型多孔塊體的工程性試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)研究比較并結(jié)合工程實(shí)際，證實(shí)該塊體確實(shí)具有施工方便，速度快，材料省，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

本試驗(yàn)選取六角型多孔塊體進(jìn)行試驗(yàn)，一方面考慮其工程實(shí)踐中的諸多優(yōu)點(diǎn)，另外還考慮其多孔結(jié)構(gòu)的孔腔中適合種植樹(shù)木的特點(diǎn)。試驗(yàn)中選用的六角型多孔塊體的尺寸如下：六邊形邊長(zhǎng)為5.5 cm、內(nèi)部圓孔直徑為2.2 cm，塊體厚度為1.8 cm。按照1∶10的模型比尺，假定混凝土密度為2.3×103kg/m3，可計(jì)算得到該塊體原型的單塊重量為215 kg。六角型多孔塊體具有以嵌固性和重量維持穩(wěn)定的特點(diǎn)，根據(jù)孫精石等人的研究[9-11]，單個(gè)六角型多孔塊體的最小重量為200 kg時(shí)可滿足設(shè)計(jì)波高4 m的穩(wěn)定要求（無(wú)豎向通縫排列方式），因此對(duì)于本試驗(yàn)波浪條件，所選擇的塊體尺寸是滿足穩(wěn)定性要求的。

試驗(yàn)中采用相同的斷面形式，僅將六角型多孔塊體代替柵欄板，模型的布置與采用柵欄板護(hù)面時(shí)的布置形式相同。圖9是塊體的擺放方式示意圖和斷面模型的照片。

圖9 六角型多孔塊體擺放方式示意圖及斷面模型照片F(xiàn)ig.9 Layout of hexagon multiholearmour block and the section model picture

圖10 給出了六角型多孔塊體護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)越浪量的變化；圖11給出了對(duì)應(yīng)工況越浪量消減系數(shù)的變化。從圖10可以看出，3種方案越浪量隨入射波高的增大而增大，與種樹(shù)位置在肩臺(tái)時(shí)相比，種樹(shù)位置在斜坡和堤頂時(shí)越浪量較少，且斜坡方案的越浪量最小。在入射波高為0.6 m時(shí)，斜坡方案的越浪量為0，肩臺(tái)方案的單寬越浪量為5.18×10-4m3/（m·s），堤頂方案的單寬越浪量為1.78×10-4m3/（m·s）。從圖11可以看出，3種方案m值隨入射波高的增大而減小，且斜坡方案的m值最大。在入射波高為0.6 m時(shí)，斜坡方案的m值為1，肩臺(tái)方案的m值為0.809，堤頂方案的m值為0.935。

通過(guò)對(duì)越浪的分析表明斜坡種樹(shù)的消波效果要優(yōu)于其他兩種方案，這與柵欄板護(hù)面時(shí)不同種樹(shù)位置植被消浪效果的趨勢(shì)是一致的。

圖10 六角型多孔塊體護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)越浪量比較Fig.10 Comparison of overtopping water for different plant locations on hexagon multihole armour block

圖11 六角型多孔塊體護(hù)面不同種樹(shù)位置時(shí)m值比較Fig.11 Comparison of m for different plant locations on hexagon multihole armour block

4.3 2種護(hù)面塊體肩臺(tái)種樹(shù)方案試驗(yàn)結(jié)果的比較

為了檢驗(yàn)不同護(hù)面塊體對(duì)植被消波效果的影響，對(duì)2種護(hù)面塊體肩臺(tái)種樹(shù)方案的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。圖12給出了2種護(hù)面結(jié)構(gòu)肩臺(tái)種樹(shù)3排時(shí)越浪量的比較，圖13給出了對(duì)應(yīng)越浪量消減系數(shù)的比較。

圖12 不同護(hù)面塊體時(shí)堤頂越浪量的比較Fig.12 Comparison of overtopping water for different armour blocks

圖13 不同護(hù)面塊體時(shí)m值的比較Fig.13 Comparison of m for different armour blocks

從圖12可以看出，在無(wú)植被時(shí)，2種護(hù)面結(jié)構(gòu)的越浪量隨入射波高的增大而增大，且六角型多孔塊體護(hù)面的越浪量大于柵欄板護(hù)面。在肩臺(tái)種樹(shù)后，2種工況的越浪量仍隨入射波高的增大而增大，且2條曲線差異較小，在入射波高1.25 m時(shí)，單寬越浪量分別為7.250×10-3m3/（m·s）（六角型多孔塊體）和7.418×10-3m3/（m·s）（柵欄板），兩者僅相差2.26%。從圖13可以看出，2種工況的m值均隨入射波高的增大而減小，六角型多孔塊體護(hù)面肩臺(tái)種樹(shù)后的m值明顯大于柵欄板護(hù)面肩臺(tái)種樹(shù)情況。在入射波高1.25 m時(shí)，2種情況的m值分別為0.510（六角型多孔塊體）和0.102（柵欄板）。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了防波堤表面植被對(duì)越浪的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）護(hù)岸植被對(duì)波浪有一定的消減作用，可減小波浪對(duì)護(hù)面結(jié)構(gòu)的直接沖擊，并降低越浪量。

2）就消波效果而言，斜坡種樹(shù)方案的消波效果要優(yōu)于肩臺(tái)和堤頂種樹(shù)方案；堤頂種樹(shù)方案的消波效果好于肩臺(tái)方案。且通過(guò)對(duì)堤頂種樹(shù)方案和斜坡種樹(shù)方案消浪機(jī)理的分析還表明樹(shù)木枝葉的消波能力要強(qiáng)于樹(shù)干的消波能力。

3）對(duì)于柵欄板和六角型多孔塊體兩種護(hù)面結(jié)構(gòu)肩臺(tái)種樹(shù)方案，通過(guò)對(duì)越浪量的分析表明植被對(duì)于改善消能較差的護(hù)面塊體的消波效果更明顯。

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