戈龍仔,管 寧 ，陳漢寶，彭 程

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 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)

1 概 述

港口工程中擋浪墻的頂高程主要由潮位和波浪爬高確定，目前海岸工程逐漸向外海浪大、掩護(hù)條件較差區(qū)域發(fā)展，往往會(huì)設(shè)置高大擋浪墻以控制越浪。建成后的海堤完全避免越浪將會(huì)使堤頂高程增大，雖然對(duì)陸域進(jìn)行了有效防護(hù)，但綿長(zhǎng)的高墻環(huán)繞，觀感差、壓抑，尤其在較小的場(chǎng)所，感覺尤甚。以往的設(shè)計(jì)主要考慮防浪功能要求，波浪稍大的海域，防浪擋浪墻高出地面多達(dá)3～5 m，近年來，離岸人工島建設(shè)工程越來越多，大多以休閑觀光、旅游和房地產(chǎn)開發(fā)為目的，對(duì)環(huán)境、生態(tài)和景觀的要求越來越高。如不能保持景觀特色、提高人的感觀，不利于項(xiàng)目開發(fā)，提高土地價(jià)值，甚至喪失開發(fā)價(jià)值，因此在大部分工程設(shè)計(jì)過程中一般考慮允許部分越浪，即在滿足越浪量要求條件下，通過采用調(diào)整不同堤頂型式和改變堤迎浪側(cè)形式，得到在滿足越浪要求前提下，堤頂高程又合理，顯得尤為重要[1-2]。對(duì)于防波堤高程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，參考《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTS154-1-2011)第4.1.3節(jié)和5.12節(jié)可進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外通過以往大量物理模型結(jié)果也總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，即在不越浪的情況下，擋浪墻高程設(shè)計(jì)值為設(shè)計(jì)高水位加1.75倍H13%(重現(xiàn)期50 a)。但由于高程的確定需要結(jié)合當(dāng)?shù)夭ɡ藯l件來確定，而波浪引起的越浪是導(dǎo)致高程調(diào)整主要因素，越浪量本身的因素非常多，主要有海堤斷面形式、堤頂高程、堤前水深、堤前地形、波浪要素、風(fēng)速、風(fēng)向、堤的滲透性、擋浪墻的形式等[3-4]，導(dǎo)致越浪問題非常復(fù)雜，因此根據(jù)不同工程的實(shí)際情況，可采取不同優(yōu)化措施。本文以廈門港后石港區(qū)中利石化5萬t級(jí)碼頭護(hù)岸工程項(xiàng)目為例，探討降低擋浪墻高程和控制越浪的設(shè)計(jì)優(yōu)化論證，開展了波浪斷面物理模型試驗(yàn)[5]，得到結(jié)果可為設(shè)計(jì)人員在類似工程設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

2 工程概況

2.1 工程及試驗(yàn)簡(jiǎn)介

圖1 工程平面布置Fig.1 Plan scheme of harbor

廈門港后石港區(qū)位于福建省南部沿海的廈門灣西南側(cè)，龍海市港尾島美村，護(hù)岸斷面為擬建中利石化碼頭工程，其后方東護(hù)岸長(zhǎng)度為505 m，平面見圖1，結(jié)構(gòu)采用帶擋浪墻的塊體護(hù)面斜坡式結(jié)構(gòu)，堤前泥面高程為-7.0 m，堤頂高程為+10.0 m，采用5 t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面坡度1:2；采用300～500 kg塊石作為墊層；護(hù)底塊石重量為80～100 kg，塊石端部坡度為1:2，擋浪墻采用現(xiàn)澆混凝土，形狀為“L”型，擋浪墻前平臺(tái)寬為9 m，安放5排扭王字塊；后方陸域高程為+8.5 m，護(hù)岸斷面結(jié)構(gòu)見圖2。試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似，根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地、現(xiàn)有塊體質(zhì)量及試驗(yàn)要求，模型選用幾何比尺為31.5，時(shí)間比尺為5.61，力比尺為31 255.9。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，波譜為JONSWAP 譜[6]。試驗(yàn)波要素見表1。

表1 波浪試驗(yàn)條件Tab.1 Wave conditions

2.2 工程允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)提出

圖2 護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面Fig.2 Layout of revetment section

越浪量研究工作主要通過模型試驗(yàn)來確定。堤頂越浪可能產(chǎn)生的不利影響主要表現(xiàn)在兩方面：(1)危及堤體和堤后結(jié)構(gòu)的安全；(2)危及建筑物的功能性安全，亦即影響到建筑物使用功能的發(fā)揮，其中尤以堤頂通道的交通安全為主。參考日本海堤護(hù)岸的越浪受災(zāi)界限[7]和美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)編著的《海岸工程手冊(cè)》中提出的平均越浪量界限[8]，校核工況：本工程按“岸坡(墻)后無護(hù)面的護(hù)岸工程”考慮，在100 a一遇潮位疊加50 a一遇相應(yīng)波浪組合作用下，越浪量≤0.05 m3/m·s確保護(hù)岸結(jié)構(gòu)不致后方受嚴(yán)重沖刷而導(dǎo)致?lián)趵藟κХ€(wěn)受破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)斷面試驗(yàn)

表2 極端高水位 不同堤頂高程越浪結(jié)果Tab.2 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level

極端高水位+7.14 m重現(xiàn)期50 a波浪作用，雖然擋浪墻前設(shè)有一個(gè)9 m寬的扭王字塊平臺(tái)(5個(gè)塊體)，但爬高至平臺(tái)上的水體能量很難在短時(shí)間內(nèi)減弱，因而波浪越過較低擋浪墻產(chǎn)生越浪見圖3，測(cè)量其越浪量為0.073 3 m3/m·s，不滿足越浪量的要求。但對(duì)于擋浪墻穩(wěn)定性，由于其前方受塊體掩護(hù)(胸墻頂高出塊體0.51 m)及越堤能量損失，因此在波浪連續(xù)作用后，穩(wěn)定。

由于設(shè)計(jì)高程不滿足越浪要求，因此模型上通過在擋浪墻頂逐級(jí)加木條的方法，測(cè)量其越浪量結(jié)果，見表2。

3.2 堤頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化斷面一試驗(yàn)

為滿足越浪量的要求，且考慮到后方設(shè)施的重要性以及陸域?qū)挾龋瑢?duì)堤頂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將堤頂高程由+10.0 m修改為+11.0 m，形狀由L型修改為反弧型，擋浪墻前平臺(tái)由9 m縮減5.4 m(塊體由5排縮至3排)，優(yōu)化后斷面一見圖4。

圖3 設(shè)計(jì)斷面堤頂越浪情況 圖4 優(yōu)化斷面一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況Fig.3 Overtopping condition on design section Fig. 4 Structure design of optimized section one

在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，反弧型擋浪墻減小越浪效果明顯，測(cè)量越浪結(jié)果為0.034 6 m3/m·s，通過試驗(yàn)觀測(cè)由于越浪量的減少，且迎浪側(cè)肩臺(tái)寬度減少，因而入射波浪能量全部集中于反弧型迎浪面見圖5-a，波浪連續(xù)沖擊作用下，反弧型擋浪墻后傾失穩(wěn)見圖5-b，說明越浪減小了，而胸墻受力，即在入射總能量不變的條件下，越入堤后能量變小，則作用在擋浪墻的能量變大，由于結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定，因此繼續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行優(yōu)化。

5-a 堤頂越浪反射回海測(cè) 5-b 反弧型擋浪墻失穩(wěn)圖5 波浪被返回至海側(cè)和擋浪墻失穩(wěn)情形Fig.5 Situation of wave returned to the seaside and parapet unstable

3.3 堤坡度優(yōu)化二試驗(yàn)

由于反弧型擋浪墻受力失穩(wěn)，因此仍在設(shè)計(jì)斷面(L型擋浪墻)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)以往研究成果[9]，考慮將迎浪側(cè)護(hù)面坡度1:2修改為1:1.5，其他均與設(shè)計(jì)斷面相同即優(yōu)化斷面二見圖6-a。

6-a優(yōu)化斷面二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6-b堤頂越浪情況圖6 優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和堤頂越浪情況Fig. 6 Situation of structure design optimized section and overtopping condition levee crest

在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測(cè)量此時(shí)越浪量為0.087 m3/m·s，越浪量也超過允許標(biāo)準(zhǔn)。與設(shè)計(jì)斷面相比較，隨著護(hù)面坡度變陡后，護(hù)面對(duì)波浪的消能面減小，以及堤前反射增加，波浪作用時(shí)堤頂越浪也相應(yīng)的增加，越浪現(xiàn)象見圖6-b，同樣模型上通過在擋浪墻頂逐級(jí)加木條的方法，測(cè)量其越浪量結(jié)果，見表3。由該優(yōu)化斷面越浪量結(jié)果可知，如果要滿足越浪的要求，則需要將堤頂高程加至+10.5 m以上。

表3 優(yōu)化斷面2極端高水位不同堤頂高程越浪結(jié)果Tab.3 Overtopping results of different crest elevation under extreme high water level for optimized section two

3.4 擋浪墻前增加護(hù)面塊體優(yōu)化三試驗(yàn)

考慮到優(yōu)化斷面二，斜坡變陡有利于減少堤心石的用量，因此在此優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，加高擋浪高程至10.8 m，即優(yōu)化斷面三。

在極端高水位重現(xiàn)期50 a不規(guī)則波作用下，測(cè)量其越浪量為0.050 7 m3/m·s(優(yōu)化斷面二中模型上通過加木條方法至+10.8 m高程時(shí)測(cè)為0.045 m3/m·s)，分析主要原因?yàn)槟Ｐ蜕鲜峭ㄟ^垂直加木條的方法至+10.8 m高程，而優(yōu)化斷面3擋浪墻的迎浪側(cè)為斜坡所致。優(yōu)化斷面三越浪量仍大于所要求的0.05 m3/m·s指標(biāo)，與設(shè)計(jì)溝通和以往試驗(yàn)研究成果，進(jìn)一步在該優(yōu)化方案胸墻前方兩排扭王字塊上再安放2排(即為兩層)見圖7-a。

極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測(cè)量其越浪量為0.039 2 m3/m·s(即達(dá)到小于0.05 m3/m·s要求)，水體跌落最遠(yuǎn)距離為6.38 m見圖7-b。另外，波浪連續(xù)作用后，斷面各部分均保持穩(wěn)定。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化斷面三滿足設(shè)計(jì)要求。

為了保障后方陸域?qū)挾?，?duì)擋浪墻前肩臺(tái)的寬度進(jìn)一步縮短優(yōu)化試驗(yàn)，依次由5塊護(hù)面塊體減至4塊和3塊兩種方案，在極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，測(cè)量其越浪量分別為0.047 9 m3/m·s和0.051 7 m3/m·s，后者略大于允許越浪量，且根據(jù)以往研究成果[10-11]，二維水槽斷面試驗(yàn)越浪量結(jié)果比三維整體試驗(yàn)所測(cè)越浪量結(jié)果大于20%～30%，三維整體試驗(yàn)從模擬的波浪傳播方向和地形淺水變形更接近實(shí)際波浪情況，因此肩臺(tái)采用3塊護(hù)面塊體方案，越浪量是可以接受的，且兩種工況在波浪連續(xù)作用后，斷面各部分均保持穩(wěn)定。

從上述各斷面優(yōu)化過程看，擋浪墻頂高程的提高、前肩臺(tái)寬度增加和弧形形狀均對(duì)減少越浪量有利，其中反弧型擋浪墻受力大，本身結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，對(duì)于反弧型擋浪墻受力大，工程上常采用增設(shè)泄壓孔方式，但本工程提出頂高程和迎浪側(cè)肩臺(tái)寬度是主要改善措施方向。試驗(yàn)表明，肩臺(tái)寬度越大越浪量越少，試驗(yàn)中分別對(duì)3塊、4塊和5塊扭王字塊分別進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)肩臺(tái)擺放5塊時(shí)越浪量是最小的，同時(shí)對(duì)投資增加也有限，因此，設(shè)計(jì)斷面選用肩臺(tái)為5塊布置作為最終斷面。依據(jù)評(píng)審專家意見要適當(dāng)考慮海平面上升的影響，越浪量需有一定富裕度，同時(shí)為了增強(qiáng)海堤對(duì)越浪水體的抗沖刷能力，在擋浪墻后設(shè)置了抗沖刷塊石。

3.5 減少越浪量工程措施提出

為了減少堤頂越浪量，依據(jù)上述試驗(yàn)成果以及作者所進(jìn)行其它工程過程中研究成果[12-13]，統(tǒng)計(jì)目前工程可能采用措施見表4，當(dāng)然考慮作者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，可能不限于以下措施。

表4 減少越浪量措施優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 4 Comparison of advantages and disadvantages for measures to reduce overtopping

4 結(jié)語

通過對(duì)在較低的高程滿足越浪量和穩(wěn)定性的要求，運(yùn)用波浪斷面物理模型試驗(yàn)，對(duì)堤頂和設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施進(jìn)行了對(duì)比研究，可得以下結(jié)論：

(1)擋浪墻頂高程的提高、擋浪墻前肩臺(tái)寬度增加和優(yōu)化擋浪墻弧形斷面均對(duì)越浪量減少有利，其中反弧型擋浪墻受力大，本身結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，對(duì)于反弧型擋浪墻受力大，工程上常采用增設(shè)泄壓孔方式。本工程提出加高程和變肩臺(tái)寬度是改善越浪措施的方向，最終得到穩(wěn)定斷面。

(2)由研究成果總結(jié)，提出了一些工程上采用減少越浪量的實(shí)用措施。

(3)對(duì)重要建筑物或級(jí)別較高的海堤或護(hù)岸進(jìn)行頂高程等設(shè)計(jì)時(shí),均要進(jìn)行物理模型試驗(yàn)來測(cè)定越浪量的數(shù)值，使海堤或護(hù)岸的設(shè)計(jì)滿足使用要求、結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟(jì)合理。