許 凡, 許云飛, 常 軍, 徐宇航, 嚴(yán)士常,陳國(guó)平

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250031；3.中交四航局第二工程有限公司，廣州 510300；4.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122)

防波堤的主要作用是防御外海波浪侵襲。近年來(lái)，實(shí)際工程中采用的防波堤主要分為斜坡式和直立式兩種結(jié)構(gòu)型式。雙排鋼管板樁碼頭是直立式防波堤的一種，該種防波堤主要適用于水深較大的軟土地基上，具有施工速度快，砂石料用量省等特點(diǎn)。對(duì)于直立式防波堤，當(dāng)波浪較大或者波浪在堤前劇烈破碎，對(duì)直立墻沖擊作用較強(qiáng)時(shí)，為了減小直墻上的波浪力，通常在直立墻前設(shè)置斜坡掩護(hù)塊石棱體，這種直立式和斜坡式結(jié)構(gòu)混成的防波堤也被稱為水平混合式防波堤[1]。本文所研究的結(jié)構(gòu)即為雙排鋼管板樁前堆砌有斜坡掩護(hù)塊石棱體的水平混合式防波堤。研究直立式防波堤所受的波浪力對(duì)于此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值[2-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直立堤直墻受力的研究較為成熟。1920年，日本學(xué)者広井[4]最早將波壓力與波高聯(lián)系起來(lái)，并認(rèn)為波浪作用在直立墻前的波壓力是均勻分布的。1928年Sainflou[5]根據(jù)有限水深橢圓余擺線波理論推導(dǎo)出立波作用于直墻上的波浪力公式，該公式提出后被業(yè)界廣泛接受，但是該公式在采用了有效波高計(jì)算波浪力時(shí)嚴(yán)重低估了最大波浪力對(duì)建筑物產(chǎn)生的破壞情況。日本學(xué)者合田良實(shí)[6]于1973年結(jié)合大量的物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了各種波態(tài)下波浪作用于直墻上的波浪力，該公式在兩年后作出修改，并于1979年被日本通用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)公式[7]所采納。我國(guó)現(xiàn)行的《港口與航道水文規(guī)范》中對(duì)直墻所受波浪力的計(jì)算做了詳盡的分類，根據(jù)不同的基床型式、尺寸與波要素之間的關(guān)系將波浪形態(tài)分為遠(yuǎn)破波、近破波和立波三種形態(tài)，又根據(jù)不同的相對(duì)水深的情況，將計(jì)算公式做了進(jìn)一步分類。

1 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)在河海大學(xué)風(fēng)浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)80 m、寬1.0 m、高1.5 m，水槽一端安裝有不規(guī)則造波機(jī)，另一端設(shè)置消波系統(tǒng)，水槽縱向分為兩部分，一部分鋪設(shè)試驗(yàn)斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。壓力傳感器采用的是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的DJ800型多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及配套的壓力傳感器，傳感器的采樣頻率為100 Hz。按照正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。模型長(zhǎng)度比尺為λ=30。試驗(yàn)不規(guī)則波譜采用JOWNSWAP譜，不規(guī)則波波數(shù)不小于120個(gè)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值作為試驗(yàn)值。

2 試驗(yàn)概況

2.1 設(shè)計(jì)斷面

本文基于深圳某LNG碼頭護(hù)岸波浪斷面物理模型試驗(yàn)，該工程所在位置為深圳大鵬灣東北岸，該區(qū)域地質(zhì)條件較差，適合采用直立式防波堤。若直接建立直立式防波堤護(hù)岸，波浪將直接作用在護(hù)岸上，對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)烈的沖擊力，容易造成破壞。因此，根據(jù)工程所在地的實(shí)際地質(zhì)水文條件，該工程護(hù)岸采用在雙排鋼管板樁直立式結(jié)構(gòu)前設(shè)置斜坡掩護(hù)塊石棱體的混合式結(jié)構(gòu)。

圖1 試驗(yàn)斷面Fig.1 Test section

試驗(yàn)斷面如圖1所示，斷面底高程為-9.77 m，迎浪面堤腳采用拋石護(hù)腳，頂高程為-9.0 m，堤腳塊石單重為400～800 kg，厚度為1.2 m；迎浪面3.0 m高程處設(shè)置10 m寬平臺(tái)，平臺(tái)和護(hù)腳之間采用1:2斜坡連接，平臺(tái)及斜坡上均采用8 t扭王字塊體護(hù)面，厚度為2 m；平臺(tái)后方設(shè)置雙排鋼管板樁，帶挑檐直立式擋浪墻布置在前排鋼管板樁上，二者現(xiàn)澆為整體，擋浪墻頂高程為9.0 m，為了減少越浪，墻頂設(shè)置70 cm寬的挑檐，并設(shè)有反弧，堤頂高程為7.0 m。

試驗(yàn)中測(cè)量了擋浪墻以及前鋼管板樁的波壓力，其中，擋浪墻上布置有6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為擋浪墻前1#～5#及擋浪墻底部15#；前鋼管板樁上布置9個(gè)壓力傳感器，分別為6#～14#。共布置15個(gè)壓力傳感器，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)波浪要素

試驗(yàn)設(shè)計(jì)波浪要素見表1。根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》中直墻式建筑物前的波態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)判斷設(shè)計(jì)波要素均為近破波。

表1 設(shè)計(jì)波要素Tab.1 Designed wave elements

圖2 壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of pressure measuring points

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)前人研究成果可知，直立式建筑物上波壓強(qiáng)的變化規(guī)律受多種因素影響，包括波浪要素，堤前水深和直墻前斜坡棱體對(duì)直墻掩護(hù)程度等因素。本文通過改變有效波高Hs、平均周期T、堤前水深d和斜坡掩護(hù)棱體有無(wú)扭王字塊體作為護(hù)面(下稱有扭王護(hù)面為使用期，無(wú)扭王護(hù)面為施工期)等工況研究以上因素對(duì)直墻波壓強(qiáng)的影響。

3.1 波壓強(qiáng)垂向分布規(guī)律

分析直立式建筑物的波壓強(qiáng)垂向分布規(guī)律對(duì)于研究鋼板樁受力特性，計(jì)算板樁墻上水平波壓力的大小有重要意義。合田良實(shí)[6]認(rèn)為波壓強(qiáng)在靜水位上下均為線性分布；Minikin則認(rèn)為波壓強(qiáng)在靜水位上下均為拋物線分布；Kirkgoz提出從靜水位以下服從拋物線分布，而靜水位以上到1.6倍墻前水深處服從線性分布。

圖3-a,3-b分別表示的是水深為13.17 m，有效波高為4.49 m，平均周期為9.5 s，使用期和施工期各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大相對(duì)壓強(qiáng)的分布規(guī)律。從圖中可以看出，施工期和使用期擋浪墻前所受的波壓強(qiáng)變化相對(duì)較小，且挑檐上的波壓強(qiáng)最小，試驗(yàn)過程中可以觀察到，在該工況下，作用到擋浪墻上的水體更多的是以壅水的方式向上運(yùn)動(dòng)，對(duì)擋浪墻前沖擊較小，而水體經(jīng)過反弧的作用后，對(duì)挑檐上的作用力更小；直墻上的波壓強(qiáng)隨著高程的下降逐漸減小，但減小的趨勢(shì)隨水深的增大而趨于緩和，總體呈拋物線分布，這與Kirkgoz和Minikin的理論一致；使用期擋浪墻及直墻波壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在6#和15#測(cè)點(diǎn)，施工期擋浪墻及直墻波壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)在6#、7#和15#測(cè)點(diǎn)，即直墻頂部和擋浪墻底部波壓強(qiáng)較大，主要是由于擋浪墻底、直墻和斜坡棱體之間形成了半封閉空間，波浪在此處破碎變形嚴(yán)重，對(duì)擋浪墻底部和直墻上部沖擊作用強(qiáng)烈。

3-a d=13.17 m,Hs=4.49 m,T=9.5 s,使用期3-b d=13.17 m,Hs=4.49 m,T=9.5 s, 施工期 圖3 相對(duì)波壓強(qiáng)垂向分布Fig.3 Vertical distribution of relative wave pressure

3.2 相對(duì)波高的影響

不規(guī)則波作用下結(jié)構(gòu)所受波浪力是隨機(jī)的，通過試驗(yàn)所得到的波壓強(qiáng)數(shù)據(jù)可知，三組重復(fù)性試驗(yàn)的沖擊壓強(qiáng)最大值變化幅度較大，沒有規(guī)律可循。但通過分析每組試驗(yàn)的三分之一大值和平均值可知，兩者具有較好的重復(fù)性。因此，若無(wú)特殊說(shuō)明，以下規(guī)律分析均以波壓強(qiáng)的三分之一大值Ps作為代表。

圖4-a為原型水深13.17 m，平均周期9.5 s，施工期時(shí)，相對(duì)波高Hs/d變化下1#～14#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)變化情況，變化范圍為0.27≤Hs/d≤0.38，圖中縱坐標(biāo)z為測(cè)點(diǎn)距離斷面底高程的相對(duì)模型高度，橫線為水位線。從圖中可以看出，擋浪墻前以及直墻上各點(diǎn)相對(duì)波壓強(qiáng)隨著相對(duì)波高的增大而增大，且變化幅度較大，這是因?yàn)椴ǜ咻^大時(shí)，波浪具有的能量越大，對(duì)擋浪墻和直墻的沖擊能量就變大。

圖4-b為原型水深13.17 m，平均周期9.5 s，使用期時(shí)相對(duì)波高Hs/d變化下1#～14#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)變化情況，變化范圍為0.27≤Hs/d≤0.42。由圖可知，擋浪墻前各點(diǎn)相對(duì)波壓強(qiáng)隨著相對(duì)波高的增大而變大。而直墻上各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)波壓強(qiáng)變化幅度較小，即使用期時(shí)，由于扭王塊體的消浪作用，隨著有效波高的增大，直墻所受波壓強(qiáng)有所增加但變化不大。

4-a d=13.17 m,T=9.5 s,施工期4-b d=13.17 m,T=9.5 s,使用期圖4 相對(duì)波高對(duì)波壓強(qiáng)的影響Fig.4 The influence of wave height on the wave pressure

3.3 波陡的影響

圖5表示的是原型水深13.17 m，有效波高4.49 m，施工期時(shí)1#～14#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)隨著波陡Hs/L改變而變化的情況，其變化范圍為0.035≤Hs/L≤0.053。其中5-a為波壓強(qiáng)垂向分布的變化情況；5-b為每個(gè)測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)隨波陡的變化情況。由圖5-b可以明顯看出，各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)波壓強(qiáng)隨著波陡的增大總體呈現(xiàn)先減小后保持不變或者增大的趨勢(shì)。擋浪墻上的1#～4#測(cè)點(diǎn)和直墻上掩護(hù)較好的9#～14#測(cè)點(diǎn)隨波陡變化幅度較小。這說(shuō)明由于斜坡掩護(hù)棱體以及半封閉空間的存在，波浪在堤前的變化過程比較以及在半封閉空間內(nèi)的破碎復(fù)雜，波周期引起的波陡的變化導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)的變化有限。

5-a 相對(duì)波壓強(qiáng)垂向分布變化5-b 不同測(cè)點(diǎn)相對(duì)波壓強(qiáng)變化圖5 波陡對(duì)波壓強(qiáng)的影響Fig.5 The influence of wave steepness on the wave pressure

3.4 相對(duì)水深的影響

圖6-a表示的是原型有效波高4.0 m，平均周期9.5 s，施工期時(shí)1#～14#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)隨著相對(duì)水深d/L變化而變化的情況，其變化范圍是0.095≤Hs/L≤0.135。從圖中可以看出，當(dāng)相對(duì)水深為0.104和0.095時(shí)，擋浪墻上部部分測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)幾乎為零，波壓強(qiáng)最大值的位置下移，保持在其靜水位附近；總體來(lái)看，相對(duì)水深d/L越大，擋浪墻及直墻所受到的相對(duì)波壓強(qiáng)越大。以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因一方面是因?yàn)樗钶^淺時(shí)，波浪在斜坡棱體上消耗的能量越多，對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力較小，另一方面原因在于有效波高相同的情況下，水深較淺的波浪系列會(huì)有更多波浪在堤前破碎。

圖6-b為原型有效波高4.49 m，平均周期9.5 s，施工期時(shí)1#～14#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)隨著相對(duì)水深d/L變化而變化的情況，其變化范圍是0.124≤Hs/L≤0.136。從圖中可以看出，相對(duì)波壓強(qiáng)隨相對(duì)水深的增大而增大，但變化幅度相對(duì)于圖6-a小的多。這主要是因?yàn)橛行Рǜ咻^大，而相對(duì)水深變化幅度較小。

結(jié)合圖5和圖6的結(jié)果可知，相對(duì)水深d/L會(huì)影響擋浪墻及直墻上的相對(duì)壓強(qiáng)，其中主要的影響因素為水深d，波長(zhǎng)L對(duì)其影響較小。

6-a Hs=4.0 m,T=9.5 s,施工期6-b Hs=4.49 m,T=9.5 s,施工期圖6 相對(duì)水深的影響Fig.6 The influence of relative depth on the wave pressure

3.5 斜坡棱體上扭王的影響

圖7 斜坡掩護(hù)棱體上扭王的影響Fig.7 The influence of accropode on the wave pressure

圖7表示的是原型水深13.17 m，波高分別為5.5 m和5 m，平均周期為9.5 s的波要素下，斜坡掩護(hù)棱體上扭王對(duì)相對(duì)壓強(qiáng)分布規(guī)律的影響。從波壓強(qiáng)的相對(duì)大小來(lái)看，當(dāng)直立堤前的斜坡棱體上有扭王時(shí)，總體比沒有扭王時(shí)大，特別是在直墻中上部和擋浪墻下部，而直墻下部和擋浪墻上部測(cè)點(diǎn)處變化幅度較小，甚至有的測(cè)點(diǎn)值變??；從波壓強(qiáng)垂向分布規(guī)律可知，扭王塊體對(duì)擋浪墻以及沒有被掩護(hù)的直墻上波壓強(qiáng)的垂向分布影響較小，當(dāng)有扭王時(shí)，直墻下部波壓強(qiáng)隨著高程的降低迅速減小。這說(shuō)明扭王塊體的消浪效果明顯，特別是大大減小了斜坡棱體掩護(hù)的直墻所受的波浪力，但對(duì)于防波堤的其他部位的影響相對(duì)較小。

4 試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有公式的比較

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的波壓強(qiáng)計(jì)算公式適用于大部分直墻式建筑物的受力情況[7]，但是針對(duì)墻前有斜坡塊石棱體掩護(hù)的水平混合式防波堤堤內(nèi)直墻受力特性鮮有研究。日本學(xué)者合田良實(shí)提出了被廣泛認(rèn)可的直墻波壓力計(jì)算公式(下稱合田公式)[8]，該公式適用范圍較廣，可適用于隨機(jī)波，但是在高基床條件下波浪產(chǎn)生的沖擊波壓考慮不足，使得計(jì)算出的波浪力較小。針對(duì)這個(gè)問題，日本港灣技術(shù)研究所的研究人員提出了考慮沖擊波壓的合田修正式[9]。

圖8表示的是使用期各波要素下試驗(yàn)值與合田公式和合田修正式計(jì)算值的波壓強(qiáng)分布比較圖，圖中縱坐標(biāo)z′為測(cè)點(diǎn)距離斷面底高程的相對(duì)原型高度，橫坐標(biāo)為相對(duì)有效波壓強(qiáng)。從圖中可以看出，合田公式計(jì)算值總體小于合田修正公式的計(jì)算值。其中，合田公式計(jì)算值與受斜坡棱體掩護(hù)良好的直墻波浪力試驗(yàn)值的垂向分布規(guī)律較吻合，而對(duì)于擋浪墻處的計(jì)算值較小。合田修正公式的在靜水面以上的波壓強(qiáng)分布與試驗(yàn)值的分布一致，其數(shù)值也較為接近，但在靜水位以下的計(jì)算值偏大。

8-a d=13.17 m,Hs=4.00 m,T=9.5 s8-b d=13.17 m,Hs=3.50 m,T=9.5 s8-c d=13.17 m,Hs=4.49 m,T=10.2 s圖8 試驗(yàn)值與公式計(jì)算值的比較Fig.8 Comparison of test value and formula calculation value

由于部分直墻并沒有斜坡棱體掩護(hù)，并且此處的斜坡棱體、直墻和擋浪墻之間形成了較為封閉的空間，因此，6#測(cè)點(diǎn)的直墻波壓強(qiáng)的試驗(yàn)值要遠(yuǎn)大于兩個(gè)公式的計(jì)算值。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，6#測(cè)點(diǎn)和15#測(cè)點(diǎn)的波壓強(qiáng)在數(shù)值上相近，因此，以《港口與航道水文規(guī)范》推薦的不規(guī)則波高樁碼頭面板最大沖擊壓強(qiáng)計(jì)算公式(下稱為規(guī)范公式)為基礎(chǔ)，給出計(jì)算6#測(cè)點(diǎn)相對(duì)波壓強(qiáng)的計(jì)算公式(下稱為規(guī)范修正公式)如下

(1)

圖9 6#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值與公式值的比較Fig.9 Comparison between test value and formula value of the test point 6

式中：Δh為平板底距靜水面以上的距離，m；η1%為H1%波高對(duì)應(yīng)的波峰在靜水面以上的高度，m，計(jì)算方法同規(guī)范公式。

圖9為6#測(cè)點(diǎn)相對(duì)波壓強(qiáng)的試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較結(jié)果。結(jié)果表明，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.73，該規(guī)范修正公式能較好的反應(yīng)6#測(cè)點(diǎn)的相對(duì)波壓強(qiáng)的值。

綜上可知，當(dāng)直墻的掩護(hù)較好時(shí)，其所受波壓強(qiáng)可用合田公式計(jì)算；合田修正公式計(jì)算值可以較好的反應(yīng)擋浪墻的波壓強(qiáng)的分布情況；當(dāng)出現(xiàn)掩護(hù)不完全水平混合式防波堤時(shí)，直墻的受力情況較為復(fù)雜，建議采用本文的規(guī)范修正公式計(jì)算。

5 結(jié)論

(1)水平混合式防波堤直墻所受最大相對(duì)波壓強(qiáng)在靜水位以下的垂向分布基本符合拋物線的分布規(guī)律。(2)在施工期時(shí)，相對(duì)波高Hs/d對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)波壓強(qiáng)的影響較為明顯，各測(cè)點(diǎn)處波壓強(qiáng)隨著相對(duì)波高的增加而變大；使用期時(shí)，相對(duì)波高和波陡對(duì)相對(duì)波壓強(qiáng)的影響有限。(3)當(dāng)0.095≤d/L≤0.135時(shí)，相對(duì)波壓強(qiáng)隨著相對(duì)水深d/L的增大而增大。(4)斜坡塊石棱體上的扭王塊體能較好的減少直墻和擋浪墻所受波浪力，特別是對(duì)于被護(hù)面棱體掩護(hù)較好的直墻部分。(5)在使用期時(shí)，通過試驗(yàn)值與合田公式和合田修正式的比較可知，合田公式和合田修正式可以分別較好的擬合掩護(hù)較好的直墻和擋浪墻波壓強(qiáng)的分布。當(dāng)出現(xiàn)掩護(hù)不完全水平混合式防波堤時(shí)，直墻的受力情況較為復(fù)雜，建議采用規(guī)范修正公式計(jì)算。