戈龍仔,蔡翠蘇,胡 鵬,劉海源

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

1 概述

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機場互通立交，與深圳側連接線對接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門互通，全長24 km。項目西人工島原泥面高程為-15～-12 m，島形采用了分水效果較好的菱形，形似中國傳統(tǒng)的風箏，人工島島壁軸線東、西方向長625 m，南、北方向寬430 m，陸域高程為4.9 m，北側布置救援碼頭，碼頭長度為65 m，設計采用直立沉箱結構。為便于描述，將西人工島各岸線按逆時針分為5條，分別為AB、BC、CD、DE、EA，具體工程平面布置見圖1。人工島島壁的斷面結構采用臺階+扭王字塊的組合方案，堤頂高程為9.0 m，結構斷面見圖2?？紤]到西人工島凹凸多變的特殊島形，尤其直接面對珠江口且易受強浪作用的外側AB段島壁，軸線為內凹后直接銜接轉角BC段和AE段，與傳統(tǒng)設計的建筑物和規(guī)范規(guī)定“軸線夾角應向外側拐，且夾角大于150°以上”的要求存在較大的差異，另外根據(jù)現(xiàn)場關于勾連護面塊體施工經(jīng)驗判定，這種凸凹多變的島壁形狀，將大大減弱護面勾連咬合的性能。因此針對這種復雜水工結構建筑物，面對珠江口傳入強浪向(SE向)斜向入射作用，按照規(guī)范公式進行塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量計算，由于入射波浪在特殊島形后將產生波能集中、波浪破碎產生波流疊加作用，以及轉角區(qū)漩渦等復雜波態(tài)，很難準確計算出塊體的穩(wěn)定質量，經(jīng)以往研究成果驗證后均發(fā)生失穩(wěn)，表明針對復雜條件下計算的結果偏小。姜云鵬等[1]提出，特殊防波堤形態(tài)條件下，波浪破碎使局部沖擊能量增加，從而使設計質量塊體失穩(wěn)，以及拐角處扭王字塊護面塊體受波浪側向力作用比正向偏于危險。夏運強等[2]指出波浪在特殊轉角區(qū)段形成復雜漩渦等復雜波態(tài)、最終導致護面塊體穩(wěn)定性影響，并提出優(yōu)化措施。戈龍仔等[3]得出，在特殊地形下波浪破碎導致設計質量的扭王字塊體之間咬合性減弱，脫開、失穩(wěn)，并提出優(yōu)化措施。張宏等[4]指出護岸段內凹處、外凸端部和斜坡護岸段與兩端結構相交處等特殊部位受波能集中,原設計護面塊體失穩(wěn)，提出通過加大塊體質量來穩(wěn)定的優(yōu)化措施。綜上，考慮深中通道工程的重要性和西人工島島形的特殊性，有必要對西人工島進行塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量的試驗研究，確定設計方案的護面塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量是否滿足要求，以此提出必要優(yōu)化調整措施，為設計方案確定提供科學依據(jù)。為了能更清楚描述島形的影響，根據(jù)西人工島的平面布置，以及本次三維港池整體物理模形試驗的統(tǒng)計結果，從AB、BC、CD、DE、EA共5段島壁中選擇外海波浪能直接作用、塊體穩(wěn)定性和堤頂越浪量受島形影響最大的AB段進行論述。

圖1 工程平面布置

圖2 方案結構斷面(高程：m)

2 試驗研究

2.1 試驗條件

試驗水位為：重現(xiàn)期300 a極端高水位3.61 m；設計高水位1.89 m；設計低水位-0.73 m；重現(xiàn)期300 a極端低水位-1.41 m；試驗波浪要素為：對于AB段島壁，由珠江口傳入不同方向外海波浪結果統(tǒng)計分析得到，SE向為強浪向，因此選擇該波向進行試驗驗證，波要素結果見表1。斷面結構為：臺階+扭王字塊護面組合方案，具體見圖2。

表1 試驗波要素

2.2 模型設計與制作

模型采用定床、正態(tài)，幾何比尺為40。模型試驗港池寬40 m、長45 m，試驗水池中配備先進的L形港池吸收式多方向造波機，該造波機造波能力為：最大造波水深0.7 m，波高0～30 cm，周期0.5～5.0 s，可以實現(xiàn)180°多方向造波。為解決邊壁反射影響在港池四周設置消波邊界。模型地形制作采用樁點法復制，按1.0 m×1.0 m布設樁點，平面尺寸偏差控制在1 cm以內，樁點高程用水準儀精確控制，偏差在1 mm以內，場地平面尺寸用鋼卷尺測量。護面塊體制作采用原子灰和鐵粉進行加工，質量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規(guī)程要求，模型制作完成效果見圖3。試驗采用不規(guī)則波的JONSWAP譜[5](γ=3.3)。

圖3 模型制作完成效果

2.3 試驗方法

由于人工島的特殊形狀，由試驗觀測，波浪作用下AB岸線沿程不同位置上水存在差異，為了測量堤頂越浪量的結果，對AB段島壁進行區(qū)域劃分，具體為端部B點轉角區(qū)、AB-1區(qū)、AB-2區(qū)、AB-3區(qū)、AB-4區(qū)、AB-5區(qū)、AB-6區(qū)、AB-7區(qū)、AB-8區(qū)、AB-9區(qū)和端部A點轉角區(qū)，共計11個，分區(qū)見圖4。對每個區(qū)段分別進行測量，通過集水槽測取每一個完整波列的越浪量，將水稱質量并折算成體積，再換算到原體，得到單位長度、單位時間內的平均越浪量。

Q=V/(bt)

(1)

式中：Q為單寬平均越浪量(L·m-1·s-1)；V為1個波列作用下的越浪總水量(L)；b為收集越浪量的接水區(qū)域長度(m)；t為1個波列作用的持續(xù)時間(s)。

圖4 AB段測量分區(qū)布置

3 試驗結果與分析

3.1 島形影響下島前波況

由試驗發(fā)現(xiàn)，在不同水位、強浪向SE斜向入射作用下，入射波浪首先由人工島轉角B點位置分成兩股浪，波浪分別沿AB、BC岸線向兩側傳播，人工島受波浪影響的區(qū)段為人工島的BC、AB和AE段。針對AB段島壁前波浪分布為：波浪由B點傳入，并迅速在島壁內凹弧頂處形成波能聚集和反射疊加現(xiàn)象，表現(xiàn)為波能集中和局部波高增加，此時島前波群中部分波浪發(fā)生破碎水體沖上島，破碎產生的破波流與入射波浪疊加向端部A點角處集中釋放，形成沖擊波。波浪流在經(jīng)過島端部轉角時，由于水面突然變寬，波浪流慣性前行，造成靠近人工島島壁側的“負壓區(qū)”，此時周圍水體進行補充而產生復雜的漩渦現(xiàn)象，測量得到此時的漩渦流的流速達到5.0 m/s以上。綜上，外海入射波浪受特殊島形的影響，形成了一系列波能集中、波浪破碎、越浪和端部漩渦流等復雜的波況，這將對塊體的穩(wěn)定性和堤頂越浪量產生不利的影響。

3.2 島形影響下的塊體穩(wěn)定性

針對特殊島形，首先參考JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規(guī)范》[6]中給出的單個塊體的穩(wěn)定質量計算公式(2)，依據(jù)提供的設計波高進行塊體穩(wěn)定質量計算。

(2)

(3)

式中：W為單個塊體的穩(wěn)定質量(t)；ρb為塊體密度(t/m3)；KD為塊體形狀穩(wěn)定系數(shù)；H為設計波高(m)；α為斜坡與水平的夾角(°)；ρ為水的密度(t/m3)。

規(guī)范也指出公式(2)的限定條件是波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于 22.5°，且堤前波浪不破碎，考慮到島壁AB段為內凹形態(tài)，在某個區(qū)段可以滿足上述條件，因此塊體穩(wěn)定質量暫按公式(2)進行計算，設計波高按照最不利波要素H5%計算得到扭王字塊穩(wěn)定為1.76 t，同時根據(jù)規(guī)范“對于斜坡堤堤頭部分塊體質量須考慮增加30%以上，位于波浪破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體質量，均應相應再增加不少于25%”的規(guī)定，最終按照規(guī)范公式計算，得到島壁中間段穩(wěn)定質量為2.28 t、島壁端部穩(wěn)定質量為2.85 t。

考慮到開展三維港池整體物理模型試驗中護面塊體制作數(shù)量多、提交成果周期長，因此在開始三維整體物理模型試驗時，也開展了二維水槽斷面試驗，驗證方案塊體的穩(wěn)定性。在不同水位、波浪作用下，得到方案塊體質量3.0 t時失穩(wěn)，優(yōu)化采用質量5 t的塊體則穩(wěn)定，因此設計方案護面塊體采用質量5 t的扭王字塊。

采用上述設計方案，開展三維港池整體試驗驗證，針對島壁AB段塊體穩(wěn)定性，由試驗觀測發(fā)現(xiàn)，低水位時，島壁坡腳安放于棱體塊石上方的2排質量5 t扭王字塊護面塊體受波浪作用滾落失穩(wěn)；高水位，護面塊體與臺階連接區(qū)域和島的端部A點轉角位置,護面塊體5 t扭王字塊也滾落失穩(wěn)，見圖5。針對塊體失穩(wěn)特點分析：低水位時，疊加后的斜向浪在坡腳棱體塊石表面發(fā)生破碎形成破波流，尤其波谷時，由于波流聯(lián)合吸力作用，靠海側塊體間失去支撐而失穩(wěn)，并在沿堤流推力作用下向島端部A點位置堆積。高水位時，尤其轉角位置，受內凹波能集中和島端部轉角集中釋放，波流主導的側向力很快將勾連的扭王字塊護面塊體之間脫開，隨著漩渦波流持續(xù)作用，最終導致護面塊體失穩(wěn)。這也再次驗證了轉角位置(例如防波堤堤頭等)護面塊體穩(wěn)定性側向力作用比正向波浪力偏于危險的結論。另外，從模型上塊體擺放難易程度來看，端部轉角段難于直線段塊體的安放，所以轉角凹凸變化的特殊島壁形狀，也會減弱護面塊體咬合性能，在現(xiàn)場施工中，須關注和重視塊體安放。

圖5 護面塊體失穩(wěn)情況

通過三維港池整體穩(wěn)定性試驗可知，受島形影響，經(jīng)二維水槽斷面試驗優(yōu)化后得到質量5 t的設計方案的護面塊體仍失穩(wěn)，為了穩(wěn)定方案，先后采取了2種優(yōu)化措施，包括坡腳加大塊體質量和增加前排塊體的支撐作用。端部轉角凸出區(qū)段加大塊體質量，同時關注塊體間的咬合和施工數(shù)量，優(yōu)化措施及試驗結果見表2。

三維港池整體穩(wěn)定性結果驗證表明：凹凸多變的特殊島形，對利用塊體間勾連咬合塊體穩(wěn)定性影響較大，與采用規(guī)范公式計算和二維水槽試驗驗證的結果對比，須增加穩(wěn)定質量。同時位于轉角凸出區(qū)段，漩渦流形成的側向力對塊體穩(wěn)定性比正向波浪力更偏于危險。因此對于凸凹多變的特殊島形、防波堤堤頭等水工結構物，三維港池整體模型試驗更能真實反映原體上的實際波浪作用情況，也再次驗證了三維整體模型試驗在塊體穩(wěn)定和優(yōu)化設計方面論證的必要性。

表2 穩(wěn)定性優(yōu)化后結果

3.3 島形影響下的越浪量

采用優(yōu)化后塊體穩(wěn)定方案進行越浪量試驗，發(fā)現(xiàn)只有重現(xiàn)期300 a極端高水位時人工島堤頂存在上水現(xiàn)象，島壁越浪情況見圖6。測量此時越浪結果見表3，由表3可知：對于整個AB段的島壁，越浪量與波浪傳播分布規(guī)律相同，在人工島端部A點轉角位置越浪量最大為14.9 L/(m·s)，可滿足工程提出的15.0 L/(m·s)的要求。

表3 三維港池整體試驗越浪量結果

圖6 三維整體試驗和二維水槽試驗越浪對比情況

對于受特殊島形影響下的越浪量，采用JTS 154—2015《港口與航道水文規(guī)范》[7]給出的斜坡堤堤頂有胸墻時的公式進行計算對比分析。

(4)

式中：Q為單位時間單位堤寬的越浪量(L·m-1·s-1)；H′c為胸墻堤頂在靜水面以上的高度(m)；H1/3為有效波波高(m)；b1為胸墻前肩寬(m)；B為經(jīng)驗系數(shù)；KA為護面結構影響系數(shù)；Tp為譜峰周期(s)；m為斜坡坡度系數(shù)；d為建筑物前水深(m)；g為重力加速度(m/s2)；

通過公式(4)計算得到重現(xiàn)期300 a極端高水位對應波浪條件下，越浪量為5.41 L/(m·s)。而采用二維水槽斷面試驗測量了相同條件下堤頂越浪量，得到重現(xiàn)期300 a極端高水位波浪作用下，越浪量為7.91 L/(m·s)。與表3的越浪量比較可知，受島形影響的轉角處越浪量，三維整體試驗最大，與以往日本運輸省港灣技術研究所(PARI)[8]和高峰等[9]所提出的“水槽試驗因正向浪作用和受水槽邊壁壅水影響，越浪結果將大于采用規(guī)范公式計算和三維港池整體模形試驗結果20%～30%”的結論存在差異，而其它島壁段，則仍符合以往研究成果的結論，原因為，以往研究的防波堤軸線基本為直線或軸線向外側拐布置，而對于特殊水工建筑物，須綜合考慮其影響因素。綜上，無論處于哪種結論，為了能更真實地反映原形波浪作用的結果，應采用三維整體模型試驗結果驗證工程穩(wěn)定性和越浪量。

4 結語

1)在凸凹多變特殊島形的影響下，島前波浪形成了波能集中、沿程破碎和端部漩渦流等復雜的波態(tài)現(xiàn)象；參照模型塊體擺放難易程度來看，端部轉角段難于直線段塊體的安放，因此島形結構對塊體勾連穩(wěn)定影響較大，設計、施工應給予注意和重視，應盡量遵循規(guī)范關于軸線向外側拐、且夾角大于150°以上的要求。

2)受島形的影響，設計方案中質量為5 t的扭王字塊體均失穩(wěn)，經(jīng)過多次優(yōu)化，坡腳增加支撐作用的棱體塊石和加大塊體質量已達到穩(wěn)定，堤身斷面增加至質量8 t可達到穩(wěn)定，端部須增加至質量14 t方能穩(wěn)定。試驗得到的穩(wěn)定質量均大于采用規(guī)范公式計算和二維水槽斷面試驗驗證的結果，模型試驗也再次驗證了轉角位置側向力比正向波浪力對護面塊體穩(wěn)定性更危險。

3)受島形的影響，端部轉角處越浪量的試驗結果大于采用規(guī)范公式計算和二維水槽斷面試驗驗證結果，與以往研究成果不同。但其它位置仍與之相吻合，因此為了在實驗室內能更真實地反映原形波浪作用，應采用三維整體物理模型試驗研究。通過本次試驗再次驗證了三維整體物理模型試驗的必要性。