張 堯陳 剛胡金春*國(guó)志興譚 駿劉欽政

(1.國(guó)家海洋局 海洋減災(zāi)中心,北京100194;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310020)

海堤潰堤機(jī)理和潰堤越浪量閾值的試驗(yàn)分析

張 堯1,陳 剛2,胡金春2*,國(guó)志興1,譚 駿1,劉欽政1

(1.國(guó)家海洋局 海洋減災(zāi)中心,北京100194;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州310020)

通過(guò)對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)和護(hù)面材質(zhì)的海堤開(kāi)展大量組次物理模型試驗(yàn),得出越浪水體強(qiáng)烈的剪切力導(dǎo)致的后坡侵蝕和護(hù)面塊體滑動(dòng)被證明是海堤失穩(wěn)的主要觸發(fā)因素。建議工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中考慮越浪流速和剪切力,將有利于潰堤風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和預(yù)判。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,海堤在越浪強(qiáng)度遞增過(guò)程中的受壓達(dá)到峰值的先后順序?yàn)榈添?擋浪墻-后坡。因此,瞬時(shí)水動(dòng)力沖擊導(dǎo)致的疲勞性破壞可能是另一種潰堤機(jī)理,雖沒(méi)有在試驗(yàn)中出現(xiàn),但需要時(shí)刻警惕。不同于廣泛使用的允許越浪量,本項(xiàng)工作提出了針對(duì)我國(guó)沿海典型海堤類型的潰堤越浪量閾值建議值。這使得通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和預(yù)測(cè)潰堤風(fēng)險(xiǎn)變成可能。潰堤越浪量很大程度上受護(hù)面材質(zhì)、后坡坡度和擋浪墻高度影響,但在試驗(yàn)中沒(méi)有體現(xiàn)對(duì)堤頂寬度的敏感性。試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于相同的海堤結(jié)構(gòu)和堤頂高程,相對(duì)于沒(méi)有擋浪墻的海堤增設(shè)擋浪墻有可能是對(duì)海堤穩(wěn)定性的一種降低。但這還需要進(jìn)一步被其他研究者和工程師討論驗(yàn)證。

越浪;海堤;潰堤;護(hù)面;剪切力;壓力;荷載;擋浪墻

海堤等海岸防護(hù)工事可預(yù)防風(fēng)暴潮、海浪等對(duì)沿海社區(qū)的破壞,是保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要屏障。我國(guó)大約75%的大陸海岸沿線修建了海堤[1],但其中存在大量的不達(dá)標(biāo)海堤。每年海洋災(zāi)害過(guò)程中,都出現(xiàn)一定數(shù)量的海堤被破壞、決口甚至潰塌。海堤的防護(hù)性能很大程度上取決于其本身的構(gòu)造特征和水文動(dòng)力環(huán)境。海堤越浪過(guò)程是對(duì)浪、潮、流、結(jié)構(gòu)特征等因素的一個(gè)綜合響應(yīng)。過(guò)大的越浪量和越浪強(qiáng)度可能會(huì)造成海堤潰堤。因此可靠的越浪量評(píng)估方法和海堤潰堤機(jī)理的探索一直是海岸工程防護(hù)的熱點(diǎn)和訴求。越浪研究在過(guò)去的三十年中受到了廣泛的關(guān)注,得到了極大的發(fā)展[2-4]。海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控中通常采用允許越浪量,因此以往大部分的研究工作都集中在允許越浪量的評(píng)估計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立[5-6],這些研究成果可以很好地描述和預(yù)測(cè)海堤越浪現(xiàn)象。越浪量計(jì)算方法大致可以分為3類：經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值計(jì)算法、物理試驗(yàn)法。從性能和表現(xiàn)上來(lái)看,它們相互依賴,因此通常被組合互補(bǔ)使用。

越浪量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式大多基于物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)地觀測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù),將主要影響變量參數(shù)化擬合形成[7-9]。凈空高度的指數(shù)方程表達(dá)被廣泛采用到越浪量的計(jì)算中。早些時(shí)候,這些公式的應(yīng)用范圍被限制在特定的海堤結(jié)構(gòu)。后來(lái)研究者們通過(guò)增加影響變量的數(shù)量和公式的復(fù)雜程度,有效地提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍。與此同時(shí),一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的系統(tǒng)被提出,并且適用于很廣泛的海堤幾何結(jié)構(gòu)[10-13]。

總之,在水文環(huán)境參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征被給定的情況下,這些方法都可相對(duì)便捷、直接地計(jì)算出海堤越浪量。隨著現(xiàn)代計(jì)算資源的高速發(fā)展,對(duì)越浪過(guò)程的數(shù)值模擬已經(jīng)成為了一個(gè)較為成熟的手段,對(duì)復(fù)雜的水-結(jié)構(gòu)物相互作用過(guò)程進(jìn)行描述[14-17]。通過(guò)對(duì)不同水動(dòng)力環(huán)境和海堤結(jié)構(gòu)的組合開(kāi)展大量的數(shù)值模擬,可詳細(xì)計(jì)算和分析水面變形、速度、非靜態(tài)壓力等重要數(shù)據(jù)。數(shù)值模型不同于物理試驗(yàn)的波譜范圍限制,只要從數(shù)學(xué)方法上被正確表達(dá),可以模擬很廣的波浪譜范圍。目前數(shù)值模型從計(jì)算精度和計(jì)算范圍可以被分為三類：相位/水深平均模型;相位解析模型[18-20];全三維Naver-Stokes計(jì)算流體力學(xué)模型[21-22]。計(jì)算成本和精度會(huì)隨著近似程度的提升而增大。相位/水深平均模型有著最低的近似精度和最高的計(jì)算效率。它的快速計(jì)算可以有效地對(duì)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的越浪過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。但由于垂向平均和靜態(tài)壓力場(chǎng)的采用導(dǎo)致的精度上限嚴(yán)重阻礙了非靜壓、非線性和高耗散等過(guò)程的計(jì)算。最受歡迎的相位解析模型Boussinesq在計(jì)算精度和計(jì)算效率上保持了一個(gè)較好的平衡。非靜壓特性和高階近似精度計(jì)算的結(jié)果基本可令人滿意[23-24]。然而如果波浪破碎造成的氣泡和多個(gè)水-空氣界面出現(xiàn),相位解析模型的單一界面假設(shè)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)計(jì)算精度的上限。最后,全三維Naver-Stokes模型可將水花、渦旋、紊流和多界面等現(xiàn)象模擬地極度接近于真實(shí),但由于其計(jì)算精度和成本非常高,模擬計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)而應(yīng)用尺度也相對(duì)較小。

(陳 靖 編輯)

無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)公式還是數(shù)值模型都對(duì)物理試驗(yàn)驗(yàn)證的依賴都較大。因此,針對(duì)越浪過(guò)程的物理模型試驗(yàn)顯得尤為重要[25-27]。試驗(yàn)通常按照比尺縮小在波浪池或水槽中開(kāi)展。采用精密儀器對(duì)水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和記錄。波浪、風(fēng)、結(jié)構(gòu)孔隙等很難被數(shù)學(xué)表述組合到一起,但在物理試驗(yàn)中可以被較好模擬。但相對(duì)較窄的造波波譜、比尺問(wèn)題和測(cè)量誤差都是或多或少無(wú)法避免的。此外相較于前兩者方法,開(kāi)展多組次物理試驗(yàn)的成本極高。

最終,拋開(kāi)這3類方法的優(yōu)缺點(diǎn),仍然有一些問(wèn)題制約了海堤越浪研究。通常海堤在很強(qiáng)的越浪強(qiáng)度下有潰堤的風(fēng)險(xiǎn),而之前的研究大多是在假設(shè)海堤安全的前提下關(guān)注被廣泛采用的允許越浪量。很少有研究關(guān)注海堤潰堤時(shí)的潰堤越浪量閾值。越浪水體厚度、流速、剪切力、壓力對(duì)海堤失穩(wěn)有直接的影響因此應(yīng)該被更多地研究[28-30]。本項(xiàng)工作通過(guò)大量的物理試驗(yàn)較為清晰地闡述了海堤越浪潰堤過(guò)程中水-結(jié)構(gòu)物相互作用機(jī)理;提出了針對(duì)我國(guó)沿海典型海堤類型的潰堤越浪量閾值建議值,為海堤潰堤風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判提供了基礎(chǔ);并開(kāi)展了針對(duì)結(jié)構(gòu)結(jié)合特征、護(hù)面材質(zhì)、擋浪墻等潰堤越浪量影響因子的定量分析。測(cè)量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可為沿岸地區(qū)的海洋災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 物理試驗(yàn)

通常海洋災(zāi)害中的潮位上升和風(fēng)暴增水會(huì)導(dǎo)致海堤堤前的水深增加,因此海浪可以在破碎和耗散能量之前傳播到距離海堤非常近的位置。尤其是低頻長(zhǎng)波海浪由于蘊(yùn)含能量較大,爬升和穿透性極強(qiáng),破壞力很大。過(guò)大的越浪強(qiáng)度和水量會(huì)威脅海堤結(jié)構(gòu)自身的安全。以往的海堤破壞資料顯示海堤的頂部和內(nèi)坡受到了嚴(yán)重的破壞,護(hù)面塊體有滑落缺失現(xiàn)象[31-32]。但至于進(jìn)一步的海堤潰決機(jī)理,就沒(méi)有系統(tǒng)的資料總結(jié)。因此為了徹底搞清海堤潰堤機(jī)理,我們針對(duì)我國(guó)典型海堤斷面類型開(kāi)展了多個(gè)組次的物理試驗(yàn),直到海堤模型失穩(wěn)潰堤。在相同的水動(dòng)力條件下,不同的潰堤越浪量影響因素如堤頂寬度、后坡坡度、擋浪墻高度和護(hù)面材料被定量地細(xì)致分析。

我們使用了浙江省水利河口研究院的大型試驗(yàn)水槽(圖1),長(zhǎng)70 m,寬1.2 m,深1.7 m。Froude數(shù)和Strouhal數(shù)被采用在重力和慣性力作用下的試驗(yàn)比尺的選?。?/p>

式中：U表示速度;T表示時(shí)間;L是長(zhǎng)度;下標(biāo)m和o分別表示模型和原型。綜合考慮了水槽的尺寸,確定了長(zhǎng)度比尺λ=20∶1。因此,表1描述了所有其他比尺的選取。試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)相當(dāng)于原型2 h以上的風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪作用,足夠時(shí)長(zhǎng)來(lái)獲取一定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用基準(zhǔn)概化斷面如圖2所示,堤頂高程為7.8 m,堤頂擋浪墻為1 m,迎潮面坡度為1∶3,后坡坡度為1∶2,堤頂寬度為6 m。

圖1 試驗(yàn)水槽(70 m×1.2 m×1.7 m)Fig.1 Experimental flume(70 m×1.2 m×1.7 m)

表1 實(shí)物與模型物理量之間的關(guān)系Table 1 Experimental scaling

圖2 試驗(yàn)蓋化基準(zhǔn)斷面Fig.2 Baseline generalized section

本試驗(yàn)不規(guī)則海浪模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的JONSWAP波浪譜分布。不同時(shí)刻的潮位、有效波高、譜峰周期采用2006年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)桑美的后報(bào)結(jié)果。

壓力、水位的測(cè)量采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的DJ800型多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它是由計(jì)算機(jī)、多功能監(jiān)測(cè)儀和各種傳感器組成的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),能做動(dòng)、靜態(tài)壓力測(cè)量,最小的采集時(shí)間間隔為0.01 s。水位采用電容式波高儀,主要用于動(dòng)態(tài)水位測(cè)量,誤差＜ ±1%;點(diǎn)壓力傳感器是硅橫向壓阻式的,在傳感器的背后,安裝一根塑料管,塑料管的另一端與大氣相通,測(cè)量范圍-2～10 kPa,分辨率0.01 kPa,誤差＜ ±0.3%。根據(jù)以往的研究,波浪對(duì)涉水建筑物產(chǎn)生沖擊作用時(shí),存在一個(gè)瞬時(shí)快速上升的沖擊力,其變化較為復(fù)雜。由于沖擊壓力的作用時(shí)間非常短,不同的采樣頻率所得結(jié)果會(huì)有較大的差別,為了采集到最大的瞬時(shí)沖擊壓力,需要采用較小的采樣間隔,但過(guò)小的采樣間隔會(huì)引起頻率分辨率Δf增大,導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度降低,本次試驗(yàn)滿足測(cè)點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)間要求的前提下實(shí)際采用的最小時(shí)間間隔為0.02 s。在將模型放置波浪水槽之前,先利用放置于試驗(yàn)斷面前的波高儀,按工況率定波浪要素,然后放入概化斷面進(jìn)行試驗(yàn)。在堤后安放容器承接越浪水體,可稱重得出越浪量;在擋浪墻、堤頂、后坡分別安置壓力傳感器(圖3),可測(cè)得越浪水體沖擊海堤時(shí)的壓強(qiáng),在每個(gè)工況組合試驗(yàn)均重復(fù)測(cè)量3次,取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,以減小偶然因素的影響。

圖3 壓力傳感器分布Fig.3 Distribution of the pressure sensors

2 結(jié)果分析

因?yàn)樵诿看卧囼?yàn)的前半段時(shí)間里低水位情況下還沒(méi)有波浪越過(guò)堤壩模型,因此每次試驗(yàn)的最后1 h記錄的浪、水位和對(duì)應(yīng)的越浪量等數(shù)據(jù)被用來(lái)做基礎(chǔ)分析(表2)。先針對(duì)基準(zhǔn)蓋化斷面做了試驗(yàn),隨著水位和浪高的增加,越浪量逐漸增大。為使測(cè)量的越浪量值域范圍更廣,我們?cè)诔跏紲y(cè)試中確保了海堤模型的絕對(duì)堅(jiān)固。當(dāng)水位達(dá)到了相當(dāng)于實(shí)際潮位7.39 m的時(shí)候(僅低于擋浪墻頂部1 m),測(cè)得的越浪量為0.837 m3/(m·s)。然而之后的測(cè)試海堤模型模仿了實(shí)際工程中的海堤材料和構(gòu)造,我們發(fā)現(xiàn)大部分海堤會(huì)在0.117～0.424 m3/(m·s)的越浪量范圍內(nèi)完全失穩(wěn)潰決。因此我們?cè)?.085～0.424 m3/(m·s)越浪量范圍內(nèi)進(jìn)行了加密試驗(yàn),細(xì)致地探究潰堤的整個(gè)過(guò)程(表3)。

表2 后報(bào)各時(shí)刻潮位、波高和越浪量試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Measured overtopping rates during the hindcast storm

表3 越浪量的加密測(cè)試Table 3 Concentrated measurement of overtopping rates

圖4給出了隨著越浪量增加擋浪墻處所受的最大壓強(qiáng)的垂向變化。隨著越浪量增大,越浪水體壓強(qiáng)急速增大,尤其是越浪量從0.263 m3/(m·s)增大至0.338 m3/(m·s)時(shí),越浪量增大了28.5%,而對(duì)應(yīng)的最大壓強(qiáng)增加了近100%,因此,從越浪水體的能量上來(lái)分析,隨著越浪量增大,個(gè)別極大單波引起的越浪水體對(duì)后坡及堤頂?shù)钠茐哪芰σ搽S之加強(qiáng),且增幅要遠(yuǎn)大于越浪量量值的增幅。垂向壓強(qiáng)最大值位置出現(xiàn)在了距堤頂1 m左右的高度。圖5中相應(yīng)的前4%的統(tǒng)計(jì)極值分析也體現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。圖6和圖7給出了堤頂和后坡受壓最大值和4%的統(tǒng)計(jì)極值的水平分布情況。后坡承受的荷載要遠(yuǎn)小于堤頂。但當(dāng)越浪量接近潰堤越浪量范圍0.263～0.338 m3/(m·s)時(shí),堤頂受壓達(dá)到一定上限并不再顯著增加。為了更加清晰地描述在潰堤過(guò)程前后擋浪墻、堤頂、后坡的受壓分布變化,圖8給出了相應(yīng)4個(gè)越浪量時(shí)刻的壓力分布彩色條。圖8a(q=0.117 m2/s)顯示壓力大部分分布在堤頂迎水側(cè)前部,而后坡和擋浪墻并沒(méi)有很大荷載分布;圖8b(q=0.263 m2/s)顯示一定量的壓強(qiáng)在堤頂后半部分出現(xiàn);圖8c(q=0.305 m2/s)顯示接近潰堤時(shí)刻堤頂已經(jīng)滿負(fù)荷載,并且擋浪墻受壓開(kāi)始急劇上升;圖8d(q=0.338 m2/s)顯示即將潰堤時(shí),堤頂和擋浪墻受壓達(dá)到峰值上限,而后坡的受壓也開(kāi)始顯著增大。因此海堤在越浪強(qiáng)度遞增過(guò)程中的受壓達(dá)到峰值的先后順序?yàn)榈添?擋浪墻-后坡。

圖4 四級(jí)越浪量(m2/s)所對(duì)應(yīng)的擋浪墻受壓最大值的垂向變化Fig.4 The vertical change of the maximum pressure that the wave wall experienced correspondingly to the four grades of wave overtopping rates(m2/s)

圖5 四級(jí)越浪量(m2/s)所對(duì)應(yīng)的擋浪墻受壓4%最大值的垂向變化Fig.5 The vertical change of the 4%of the maximum pressure that the wave wall experienced correspondingly to the four grades of wave overtopping rates(m2/s)

圖6 四級(jí)越浪量(m2/s)所對(duì)應(yīng)的最大壓強(qiáng)沿堤頂-后坡的分布Fig.6 The maximum pressure corresponding to the four grades of wave overtopping rates(m2/s)and its distribution along the dike top and the landward slope

圖7 四級(jí)越浪量(m2/s)所對(duì)應(yīng)的4%最大壓強(qiáng)沿堤頂-后坡的分布Fig.7 The 4%of the maximum pressure corresponding to the four grades of wave overtopping rates(m2/s)and its distribution along the dike top and the landward slope

圖8 最大越浪壓強(qiáng)在海堤表面的整體分布Fig.8 The overall distribution of the maximum overtopping pressure on the dike surface

在試驗(yàn)中,雖然后坡所承受的正向壓力最小,但由于越浪水流較大的剪切力導(dǎo)致的后坡逐漸侵蝕可能是觸發(fā)海堤失穩(wěn)和潰堤的主要因素。一旦間歇性水動(dòng)力荷載和沖刷導(dǎo)致任何后坡表面的變形,流速達(dá)到啟動(dòng)臨界值,后坡護(hù)面塊體就會(huì)開(kāi)始松動(dòng)。后坡進(jìn)而逐漸失穩(wěn)導(dǎo)致潰堤。圖9描述了試驗(yàn)中潰堤過(guò)程的幾個(gè)瞬間快照,越浪水體可以直接拍打在堤頂或者越過(guò)堤頂直接沖刷后坡。后坡沖刷和護(hù)面塊體滑落被觀察到是觸發(fā)潰堤的“扳機(jī)”。表4給出了試驗(yàn)中測(cè)得的2種混凝土護(hù)面塊體(混凝土板和螺母塊體)的啟動(dòng)流速。根據(jù)不同翹起高度,啟動(dòng)流速在7.3～10.4 m/s范圍。而潰堤越浪量0.263～0.305 m3/(m·s)所對(duì)應(yīng)的后坡沖刷流速為11.2～13.4 m/s,完全超出了啟動(dòng)流速的范圍。因此,如果可以在工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中增加越浪過(guò)程中的沖刷流速和剪切力,可能會(huì)有利于潰堤風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估和預(yù)判。

圖9 潰堤過(guò)程的3個(gè)瞬間快照Fig.9 The 3 instant snapshots of the dike failure process

表4 護(hù)面材質(zhì)抗沖能力測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Initiating velocity for concrete pavement

表5 不同護(hù)面潰堤越浪量閾值范圍Table 5 Measured failure overtopping rates for varying pavement

除了蓋化基準(zhǔn)斷面的測(cè)試,我們還針對(duì)不同的斷面結(jié)構(gòu)和護(hù)面材質(zhì)做了多組試驗(yàn),試圖分析總結(jié)后坡坡度、堤頂寬度、擋浪墻和護(hù)面的選取對(duì)潰堤越浪量閾值的影響。表5描述了在基準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上其他條件不變的情況下,不同護(hù)面材質(zhì)所對(duì)應(yīng)額潰堤越浪量。結(jié)果顯示混凝土護(hù)面最為堅(jiān)固而草皮護(hù)面最為脆弱。不用泥漿黏合的干砌塊石和碎石護(hù)面的堅(jiān)固性能遠(yuǎn)小于混凝土護(hù)面,這說(shuō)明了帶有空隙的護(hù)面材質(zhì)可能對(duì)越浪水流的剪切力非常敏感,所以不可作為建造堤壩的首要選擇。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)于同樣的護(hù)面材料,海堤的穩(wěn)定性很大程度上依賴于后坡坡度和擋浪墻高度,但其顯現(xiàn)出對(duì)堤頂寬度很小的敏感性。表6中,對(duì)于干砌塊石護(hù)面,后坡坡度越陡,海堤潰堤越浪量越小、越不穩(wěn)定;對(duì)于混凝土板護(hù)面,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)后坡坡度對(duì)潰堤越浪量沒(méi)有明顯影響,這可能是因?yàn)槠交o(hù)面對(duì)水流剪切不敏感。但在大多數(shù)情況下,平緩后坡應(yīng)該是對(duì)海堤在抵御海洋災(zāi)害過(guò)程中的安全、堅(jiān)固有促進(jìn)作用。

表6 不同后坡坡度的潰堤越浪量閾值范圍Table 6 Measured failure overtopping rates for varying landward slope

表7 不同擋浪墻高度的潰堤越浪量閾值范圍Table 7 Measured failure overtopping rates with or without the dike-mounted wall

大部分的海堤都采用了在堤頂設(shè)置擋浪墻的形式,可以阻止或減少越浪。但在試驗(yàn)中對(duì)于相同高程來(lái)說(shuō)有無(wú)擋浪墻,越浪過(guò)程完全不同。無(wú)擋浪墻時(shí),越浪過(guò)程很平順,海堤破壞位置的分布也更加擴(kuò)散;而對(duì)于設(shè)置擋浪墻來(lái)說(shuō),激起的水體會(huì)迅速上沖到一定高度,回落直接砸在堤頂或直接沖刷后坡。表7的結(jié)果顯示無(wú)論是混凝土還是干砌塊石護(hù)面,測(cè)得的潰堤越浪量都對(duì)擋浪墻高度表現(xiàn)出了一定的敏感性。對(duì)于這兩種護(hù)面來(lái)說(shuō),撤走擋浪墻可以分別增加35%和18%的潰堤越浪量,這意味著更高的安全性。與此同時(shí),從表3和圖10的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出,在同樣的高程、幾何結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力條件下,無(wú)擋浪墻比有1 m擋浪墻的海堤所測(cè)得的越浪量更小。因此我們很謹(jǐn)慎地做出一個(gè)推測(cè)：擋浪墻看起來(lái)可能不完全是加固海堤結(jié)構(gòu)的一個(gè)合理設(shè)置。當(dāng)然,這可能還和越浪形態(tài)和機(jī)理有關(guān),需要領(lǐng)域內(nèi)其他學(xué)者和工程師的進(jìn)一步討論和驗(yàn)證。

圖10 有無(wú)擋浪墻的加密試驗(yàn)測(cè)得的越浪量Fig.10 The overtopping rates measured with and without wave wall in the encryption tests

3 結(jié)論和展望

海堤潰堤機(jī)理可能是非常復(fù)雜的并且取決于很多因素。在本項(xiàng)試驗(yàn)工作中,后坡護(hù)面塊體的侵蝕和滑落是海堤失穩(wěn)的主要誘因。一旦間歇性越浪水體拍打和沖擊造成海堤表面的隆起或者凹陷,護(hù)面塊體就開(kāi)始被急速剪切的水流沖刷松動(dòng)進(jìn)而滑落。因此護(hù)面塊體的臨界啟動(dòng)流速應(yīng)該被考慮到工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中,可能會(huì)對(duì)潰堤風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判有很大幫助。但是受壓測(cè)試表明,在整個(gè)潰堤過(guò)程中堤頂承受的非靜態(tài)水動(dòng)力荷載最大,而擋浪墻受壓也急劇增加。所以受壓達(dá)到峰值的先后順序?yàn)椋旱添?擋浪墻-后坡。因此,除了試驗(yàn)中出現(xiàn)的后坡滑塌失穩(wěn),水動(dòng)力正面沖擊導(dǎo)致的疲勞破壞也可能導(dǎo)致發(fā)生潰堤過(guò)程,需要被時(shí)刻警惕。

不同于允許越浪量,潰堤越浪量在本項(xiàng)工作中被首次提出作為海堤安全的重要指標(biāo)。護(hù)面材料、后坡坡度、擋浪墻高度等對(duì)潰堤越浪量閾值有顯著影響。平緩的后坡有利于海堤穩(wěn)定和安全;而孔隙率較高的海堤護(hù)面被證明對(duì)越浪水流的剪切作用非常敏感,不建議被優(yōu)先考慮。在相同結(jié)構(gòu)特征、高程和水動(dòng)力環(huán)境下,有擋浪墻的海堤相對(duì)無(wú)擋浪墻的海堤更加容易失穩(wěn)。這一點(diǎn)需要通過(guò)更多的相關(guān)研究開(kāi)展進(jìn)一步的討論和驗(yàn)證。本文初步提出了中國(guó)沿海典型海堤的潰堤越浪量閾值范圍建議值,在這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)被應(yīng)用到評(píng)價(jià)潰堤風(fēng)險(xiǎn)之前,需要通過(guò)更多的實(shí)際案例來(lái)驗(yàn)證和修正。

[1] CHENG D L,YU Y H,XIE S M.Prospect of development of seawall construction in China[C]∥Annual conference of Specialized Committee on the protection and utilization of tidal flat in Chinese Water Conservancy Association,2011.成迪龍,俞元洪,謝士猛.我國(guó)海堤建設(shè)發(fā)展前景展望[C]∥中國(guó)水利學(xué)會(huì)灘涂濕地保護(hù)與利用專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2011.

[2] POPE J,LOCKHART J N.The coastal engineering manual[J].Coastal Engineering Manual,2006,1100：2-6.

[3] PULLEN T,ALLSOP N W H,BRUCE T,et al.Eur Otop∶wave overtopping of sea defences and related structures∶assessment manual[M/OL].[S.L.]：Boyens Medien Gmb H,2007,[2017-03-08].http：∥www.overtopping-manual.com.

[4] Van DER MEER J W.Technical Report-Wave run-up and wave overtopping at dikes[M].Delft：The Netherlands,2002.

[5] GODA Y.Derivation of unified wave overtopping formulae for seawalls with smooth,impermeable surfaces based on selected CLASH datasets[J].Coastal Engineering,2009,56(4)：385-399.

[6] XIAO H,HUANG W,TAO J.Numerical modelling of wave overtopping a levee during Hurricane Katrina[J].Computers&Fluids,2009,38(5)：991-996.

[7] FRANCO C,FRANCO L.Overtopping formulas for caisson breakwaters with nonbreaking 3D waves[J].Journal of Waterway,Port,Coastal,and Ocean Engineering,1999,125(2)：98-108.

[8] OWEN M W.Design of seawalls allowing for wave overtopping[J].Technical Report Ex,1980,924：39.

[9] Van DER MEER J W,BRUCE T.New physical insight and design formulas on wave overtopping at sloping and vertical structures[J].Journal of Waterway Port Coastal&Oceon Engineering,2013,140(6)：1-18.

[10] Van GENT M R A,Van DEN BOOGAARD H F P,POZUETA B,et al.Neural network modelling of wave overtopping at coastal structures[J].Coastal Engineering,2007,54(8)：586-593.

[11] VERHAEGHE H,DE ROUCK J,Van DER MEER J.Combined classifier-quantifier model：A 2-phases neural model for prediction of wave overtopping at coastal structures[J].Coastal Engineering,2008,55(5)：357-374.

[12] VICTOR L,Van DER MEER J W,TROCH P.Probability distribution of individual wave overtopping volumes for smooth impermeable steep slopes with low crest freeboards[J].Coastal Engineering,2012,64(6)：87-101.

[13] ZANUTTIGH B,FORMENTIN S M,Van DER MEER J W.Prediction of extreme and tolerable wave overtopping discharges through an advanced neural network[J].Ocean Engineering,2016,127：7-22.

[14] HUBBARD M E,DODD N.A 2D numerical model of wave run-up and overtopping[J].Coastal Engineering,2002,47(1)：1-26.

[15] LI T,TROCH P,DE ROUCK J.Wave overtopping over a sea dike[J].Journal of Computational Physics,2004,198(2)：686-726.

[16] LIN P,LIU X,ZHANG J.The simulation of a landslide-induced surge wave and its overtopping of a dam using a coupled ISPH model[J].Engineering Applications of Conputational Fluid Mechanics,2015,9(1)：432-444.

[17] REEVE D E,SOLIMAN A,LIN P Z.Numerical study of combined overflow and wave overtopping over a smooth impermeable seawall[J].Coastal Engineering,2008,55(2)：155-166.

[18] KENNEDY A B,CHEN Q H,KIRBY J T,et al.Boussinesq modeling of wave transformation,breaking and runup.i：one dimension[J].Journal of Waterway Port Coastal&Ocean Engineerings,2000,126：39-47.

[19] ZHANG Y,KENNEDY A B,PANDA N,et al.New Boussinesq System for nonlinear water waves[J/OL].[2017-03-08].https：∥www.researchgate.net/publication/261180828_New_Boussinesq_System_for_Nonlinear_Water_Waves.DOI：10.9753/icce.v33.waves.4

[20] ZHANG Y,KENNEDY A B,PANDA N,et al.Boussinesq-Green-Naghdi rotational water wave theory[J].Coastal Engineering,2013,73(3)：13-27.

[21] CRESPO A J C,GOMEZ-GESTEIRA M,DALRYMPLE R A.3D SPH simulation of large waves mitigation with a dike[J].Journal of Hydraulic Research,2007,45(5)：631-642.

[22] SHAO S,JI C,GRAHAM D I,et al.Simulation of wave overtopping by an incompressible SPH model[J].Coastal Engineering,2006,53(9)：723-735.

[23] ZHANG Y,KENNEDY A B,AARON S DONAHUE,et al.Rotational Surf Zone Modeling for O(μ4)Boussinesq-Green-Naghdi Systems[J].Ocean Modelling,79：43-53.

[24] ZHANG Y,KENNEDY A B,TOMICZEK T,et al.Validation of Boussinesq-Green-Naghdi modelling for surf zone hydrodynamics[J].Ocean Engineering,2016,111(2)：299-309.

[25] FRANCO L,GEERAERTS J,BRIGANTI R,et al.Prototype measurements and small-scale model tests of wave overtopping at shallowrubble-mound breakwaters：the Ostia-Rome yacht harbour case[J].Coastal Engineering,2009,56(2)：154-165.

[26] KOBAYASHI N,WURJANTO A.Wave overtopping on coastal structures[J].Journal of Waterway Port Coastal&Ocean Engineering,1989,115(2)：235-251.

[27] TROCH P,GEERAERTS J,Van DE WALLE B,et al.Full-scale wave overtopping measurements on the Zeebrugge rubble moundbreakwater[J].Coastal Engineering,2004,51：609-628.

[28] CHEN X,HOFLAND B,ALTOMARE C,et al.Forces on a vertical wall on a dike crest due to overtopping flow[J].Coastal Engineering,2015,95(95)：94-104.

[29] NORGAARD J Q H,ANDERSEN T L,BURCHARTH H F.Wave loads on crown walls of rubble mound breakwaters in deep and shallow-water wave conditions[J].Coastal Engineering,2013,80(4)：137-147.

[30] SCHUTTRUMPF H F R,OUMERACI H.Layer thickness and velocities of wave overtopping flow at seadikes[J].Coastal Engineering,2005,52(6)：473-495.

[31] EVANGELISTA S.Experiments and numerical simulations of dike erosion due to a wave impact[J].Water,2015,7(10)：5831-5848.

[32] PONTILLO M,SCHMOCKER L,GRECO M,et al.1D numerical evaluation of dike erosion due to overtopping[J].Journal of Hydraulic Research,2010,48(5)：573-582.

[33] Ministry of Transport of the People’s Republic of China.Wave model test regulation：JTJ/T 234-2001[S].Beijing：China Communications Press,2001.中華人民共和國(guó)交通部.波浪模型試驗(yàn)規(guī)程：JTJ/T 234-2001[S].北京：人民交通出版社,2001.

[34] FITZGERALD C J,TAYLOR P H,ORSZAGHOVA J,et al.Irregular wave runup statistics on plane beaches：Application of a Boussinesq-type model incorporating a generating-absorbing sponge layer and second-order wave generation[J].Coastal Engineering,2016,114(2)：309-324.

[35] ZHANG Y,KENNEDY A B,PANDA N,et al.Generating-absorbing sponge layers for phase-resolving wave models[J].Coastal Engineering,2014a,84(2)：1-9.

Abstract：This study as one of the keys in the marine hazard mitigation service system in China reveals explicitly the major mechanism of sea dike failure caused during wave overtopping.A large number of groups of wave flume experiments conducted for the sea dikes with different geometric structures and armor block materials indicate that the landward slope erosion and the armor block sliding of the dike caused by strong shearing force of the overtopping water body are proved to be the major trigger factors for the sea dike instability.It is,therefore,recommended that the competent velocity and shearing force of the overtopping process should be taken into account in the engineering standards and specifications,which would be helpful to the evaluation and anticipation of the dike failure risk.However,the experimental data indicate that the order of the peak pressures that the sea dike experienced in the overtopping process is dike top-wave wall-landward slope.Therefore,the fatigue failure caused by the instantaneous hydrodynamic impact might be probably another mechanism of the dike failure.Although this does not occur in the experiments,it should be kept in mind always.Instead of the tolerable overtopping rates that have been adopted widely,the recommended values of the wave overtopping threshold causing the sea dike failure are proposed for the typical types of sea dikes present along the coast of China.This makes the empirical formula calculation and prediction of the dike failure risk becomes possible.The overtopping rate for the dike failure is to a large extent influenced by the armor block material,the falling gradient of the landward slope and the height of the wave wall,but shows little sensibility to the width of the dike top in the experiments.The experimental results show that under the case that the sea dike has the same structure and dike-top elevation,the adding of wave wall may reduce the stability of the sea dike,relatively to the dike without wave wall.But,this will need to be tested and verified further by other researchers and engineers in the future.

Key words：wave overtopping;sea dike;dike failure;armor block;shearing force;pressure;load;wave wall

Received：February 3,2017

Experimental Study on Mechanism of Sea-dike Failure due to Wave Overtopping

ZHANG Yao1,CHEN Gang2,HU Jin-chun2,GUO Zhi-xing1,TAN Jun1,LIU Qin-zheng1
(1.National Marine Hazard Mitigation Service,State Oceanic Administration,Beijing 100194,China;2.Zhejiang Institute of Hy draulics and Estuary,Hangzhou 310020,China)

P736

A

1002-3682(2017)03-0009-12

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.002

2017-02-03

國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心科研項(xiàng)目——風(fēng)暴潮災(zāi)害海堤潰堤越浪量影響因子研究(2015AA018);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——區(qū)域尺度災(zāi)害性海浪的非靜壓荷載分析和風(fēng)險(xiǎn)分布評(píng)價(jià)的模型方法研究(51609043);海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2016001)

張 堯(1988-),男,博士,主要從事海岸海洋工程方面研究.E-mail：yzhang@nmhms.gov.cn

*通訊作者：胡金春(1975-),男,高級(jí)工程師,碩士,主要從事海岸及近海工程方面研究.E-mail：358540234@qq.com