劉清君，張晉勛，孫天霆，徐 華，王登婷，李 秦

(1. 南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029； 2. 河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098； 3. 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088)

島礁是一種特殊的海岸形式，與常規(guī)海岸相比，通常由陡峭的礁前斜坡和相對(duì)平坦的礁坪組成。礁前斜坡坡比一般在1∶10的量級(jí)[1]，有時(shí)可達(dá)1∶4.5甚至更大[2]。不同島礁的礁坪寬度也會(huì)存在一定變化，有的礁坪寬度可達(dá)幾千米，例如澳大利亞Warraber島[3]的礁坪寬度約5 km，有的礁坪寬度僅為幾十米，例如馬爾代夫機(jī)場(chǎng)島。

馬爾代夫機(jī)場(chǎng)島位于馬爾代夫中部，緊鄰其首都馬累，屬于珊瑚島礁地形。馬爾代夫機(jī)場(chǎng)島護(hù)岸工程是馬爾代夫機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程的一部分。根據(jù)位置和地形的不同，護(hù)岸形式分為拋石式和板樁式。本文對(duì)拋石護(hù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行研究。拋石護(hù)岸分布于機(jī)場(chǎng)西北側(cè)，設(shè)計(jì)使用壽命為50年，總長(zhǎng)度865 m，斷面形式如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)地形測(cè)量資料顯示：機(jī)場(chǎng)西北側(cè)岸段岸坡較陡，坡度約為1∶1.5～1∶3.0，礁坪寬度較窄，約為20 m，高水位時(shí)礁坪水深為2～3 m。對(duì)于此類島礁地形，波浪從深海傳播至礁前斜坡時(shí)，水深急劇變淺，波浪變形嚴(yán)重，較大的波浪會(huì)在礁緣附近發(fā)生劇烈破碎，且大部分能量在破碎過(guò)程中得以消耗。因此這一區(qū)域的流態(tài)和動(dòng)力條件十分復(fù)雜，會(huì)對(duì)護(hù)岸穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

目前對(duì)于島礁地形波浪動(dòng)力特性的研究，多關(guān)注于波浪在礁坪上的傳播[4-6]、破碎[7-9]、增水[2,10-11]、波生流[12-14]等方面；而對(duì)島礁地形上護(hù)岸工程穩(wěn)定性的研究較少，尤其對(duì)于此類前沿岸坡較短的情況更是鮮有報(bào)道，對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的認(rèn)識(shí)較為缺乏。針對(duì)這一現(xiàn)狀，以馬爾代夫機(jī)場(chǎng)島護(hù)岸工程為例，通過(guò)二維物理模型試驗(yàn)，對(duì)島礁地形上拋石護(hù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期為今后同類工程設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

圖1 斜坡式護(hù)岸斷面(單位：m)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型布置

試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院波浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)60 m，寬1.8 m。水槽一端配有推板式造波機(jī)，并安裝了二次反射波浪吸收裝置。此外，在水槽兩端均配有消浪緩坡及消浪設(shè)施，以減少波浪反射。試驗(yàn)水槽布置如圖2所示。試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按Froude數(shù)相似律設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶10。

圖2 波浪水槽和模型布置

1.2 試驗(yàn)水深和波浪要素

試驗(yàn)波浪要素采用本工程《設(shè)計(jì)波浪要素推算報(bào)告》[15]提供的計(jì)算結(jié)果。試驗(yàn)考慮了4種工況，工況1為50年一遇波浪+高水位(1.00 m)；工況2為50年一遇波浪+設(shè)計(jì)高水位(0.55 m)；工況3為50年一遇波浪+平均水位(0 m)；工況4為50年一遇波浪+設(shè)計(jì)低水位(-0.63 m)。各工況下原型和模型的波浪要素如表1所示。由表1可知，各水位下波浪要素相差不大。由于水槽水深限制，模型中礁前最大水深為1.4 m，即礁前地形從-13.0 m起算。為減少水深的影響，在試驗(yàn)結(jié)果分析階段可將入射波高按線性理論換算成等效深水波高H0，具體換算方法可參考《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145—2015)。[16]

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中為得到目標(biāo)波浪要素(表1)，在正式試驗(yàn)前，需要先對(duì)波浪要素進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程中水槽內(nèi)不擺放任何模型，僅在礁前斜坡坡腳處擺放1根波高儀(見(jiàn)圖2)，用于標(biāo)定入射波浪要素大小。標(biāo)定過(guò)程中，遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)[17]，控制波普參數(shù)在誤差范圍以內(nèi)，同時(shí)波高和周期模擬值與設(shè)計(jì)值的誤差控制在±3%以內(nèi)。在正式試驗(yàn)階段，按標(biāo)定的參數(shù)輸入造波機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行造波。造波機(jī)每次連續(xù)造波個(gè)數(shù)不少于120個(gè)。

表1 試驗(yàn)水深和波浪要素

在波浪要素標(biāo)定過(guò)程中，不規(guī)則波頻譜采用JONSWAP譜，譜密度函數(shù)為：

(1)

式中：α為無(wú)因次常數(shù)；fp為譜峰頻率；r為譜峰升高因子，參照Yoshimi[18]、俞聿修[19]和柳淑學(xué)等[7-8]的研究結(jié)果，r取3.3；σ為峰形參數(shù)量，f≤fp時(shí)，σ=0.07，f>fp時(shí)，σ=0.09。

完成波浪要素標(biāo)定后，再在水槽內(nèi)制作地形和擺放護(hù)岸模型。地形模擬采用等高線法進(jìn)行圈圍，偏差控制在±1 mm之內(nèi)。護(hù)面塊石質(zhì)量經(jīng)嚴(yán)格挑選，滿足質(zhì)量要求。模型檢查無(wú)誤后開(kāi)始試驗(yàn)。每一工況累計(jì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于原型3 h，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次。當(dāng)3次重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果差別較大時(shí)，則增加重復(fù)次數(shù)。

1.4 關(guān)于護(hù)面塊石穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)

護(hù)面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)以《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)[20]中推薦的容許失穩(wěn)率為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此規(guī)范護(hù)面塊石拋填兩層容許失穩(wěn)率為1%～2%，即當(dāng)滾動(dòng)塊石的個(gè)數(shù)超過(guò)護(hù)面塊石總個(gè)數(shù)的2%時(shí)認(rèn)為護(hù)面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2 斷面穩(wěn)定分析

試驗(yàn)考慮3種不同的岸坡寬度(見(jiàn)圖3)，即岸坡寬度取14.5，19.5和24.5 m。岸坡寬度為岸線至礁緣(-2.0 m高程)之間的距離。為方便表述，以下內(nèi)容對(duì)上述3種岸坡寬度對(duì)應(yīng)的斷面分別稱為試驗(yàn)斷面1、試驗(yàn)斷面2和試驗(yàn)斷面3。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝?單位：m)

2.1 試驗(yàn)斷面1

對(duì)于試驗(yàn)斷面1，工況1試驗(yàn)測(cè)得7%左右塊石發(fā)生明顯滾動(dòng)，滾動(dòng)塊石的質(zhì)量為1 200～2 500 kg。失穩(wěn)位置位于底部坡腳1.5 m寬平臺(tái)附近。失穩(wěn)原因?yàn)椴ɡ嗽谧o(hù)岸坡腳附近發(fā)生破碎，水體直接沖擊護(hù)面塊石，沖擊后的回流以及卷破波浪帶動(dòng)塊石向外海滾動(dòng)。工況2的護(hù)面塊石失穩(wěn)率為7%，失穩(wěn)位置和失穩(wěn)原因與工況1基本相同。與工況1和2相比，盡管工況3和4的波浪條件相差不大，但其水深有所減小，波浪破碎點(diǎn)向前(海側(cè))轉(zhuǎn)移，卷破波對(duì)坡腳塊石的沖擊減弱，故未發(fā)生塊石明顯滾動(dòng)。各工況的護(hù)面塊石穩(wěn)定情況見(jiàn)表2。

表2 護(hù)面塊石穩(wěn)定情況匯總

2.2 試驗(yàn)斷面2

圖4 波浪在坡腳前沿的破碎

對(duì)于試驗(yàn)斷面2，工況1試驗(yàn)測(cè)得3%左右塊石發(fā)生明顯滾動(dòng)，滾動(dòng)塊石的質(zhì)量為1 200～2 500 kg。失穩(wěn)位置及原因與試驗(yàn)斷面1基本相同。工況2試驗(yàn)測(cè)得外坡坡腳處有2個(gè)塊石發(fā)生滾動(dòng)，占?jí)K石總數(shù)的2%。工況3和4的護(hù)面塊石均無(wú)明顯滾動(dòng)。試驗(yàn)斷面2在各工況下護(hù)面塊石的穩(wěn)定性如表2所示。

相對(duì)于試驗(yàn)斷面1，試驗(yàn)斷面2的失穩(wěn)塊石數(shù)量有所減少。這主要是由于護(hù)岸前沿平臺(tái)寬度有所增加，卷破波卷起的水體在傳播過(guò)程中消耗了部分能量，對(duì)護(hù)面塊石的沖擊有所減弱。波浪在坡腳前沿的破碎情況如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)斷面3

對(duì)于試驗(yàn)斷面3，工況1和2時(shí)護(hù)面塊石無(wú)明顯滾動(dòng)，整體穩(wěn)定無(wú)變形。工況3和4時(shí)護(hù)面塊石無(wú)滾動(dòng)，穩(wěn)定。試驗(yàn)斷面3在各工況下護(hù)面塊石的穩(wěn)定性如表2所示。

相對(duì)于試驗(yàn)斷面1和2，斷面3護(hù)面塊石滿足穩(wěn)定性要求。這主要是由于護(hù)岸前沿平臺(tái)寬度進(jìn)一步增加，卷破波在傳播過(guò)程中，能量進(jìn)一步消耗，且部分大波的主要破碎過(guò)程在到達(dá)護(hù)岸坡腳前已基本完成，故對(duì)護(hù)面塊石的沖擊進(jìn)一步減弱。

3 護(hù)岸穩(wěn)定影響因素分析

對(duì)比以上3個(gè)試驗(yàn)斷面可知，岸坡寬度是影響護(hù)面塊石穩(wěn)定的重要因素之一。在同一工況下，岸坡寬度越寬對(duì)護(hù)面塊石的穩(wěn)定性越有利，因此，護(hù)岸斷面應(yīng)盡量靠后布置。但由于島礁上空間有限(如本工程)，護(hù)岸布置過(guò)于靠后，勢(shì)必會(huì)壓縮島礁空間資源；故還需探尋合理的平衡點(diǎn)，既可保證護(hù)岸工程的安全又可最大限度地釋放島礁空間資源。

由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，外坡護(hù)面塊石失穩(wěn)主要是由波浪破碎(主要為卷破波)對(duì)塊石沖擊所造成的。若護(hù)岸布置于破碎點(diǎn)之后的一定區(qū)域(在此區(qū)域內(nèi)破碎波部分能量得以消耗)，則可大大降低護(hù)面塊石的失穩(wěn)概率。對(duì)于島礁地形上波浪起始破碎位置，Yao等[21]曾進(jìn)行過(guò)研究，但并未給出定量的計(jì)算方法。劉清君等[22]根據(jù)二維模型試驗(yàn)，提出島礁陡坡地形上波浪起始破碎點(diǎn)的計(jì)算式：

(2)

式中：S為波浪破碎點(diǎn)與礁緣之間的距離；d為坡前水深；he為礁坪水深，從礁緣起算；m為外坡坡度(m=tanβ，β為外坡與水平軸的夾角)；H0為深水波高；L0為深水波長(zhǎng)，L0=gT2/(2π)。

圖5 波浪在試驗(yàn)斷面上的破碎過(guò)程(單位：m)

將式(2)應(yīng)用于本工程破碎點(diǎn)計(jì)算，對(duì)于工況1，根據(jù)實(shí)際地形外坡坡度取1∶1.5，根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145—2015)[16]，斜坡式護(hù)面塊石在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)波高累積頻率標(biāo)準(zhǔn)為5%，即H5%=2.53 m，經(jīng)換算深水波高取2.59 m，深水波長(zhǎng)取49.1 m，礁坪水深取礁緣處水深3.0 m，坡前水深取20 m，經(jīng)計(jì)算破碎點(diǎn)距離為3.3 m，即波浪破碎點(diǎn)位于礁緣后3.3 m，進(jìn)而可得護(hù)岸坡腳與破碎點(diǎn)之間的距離xt。需要說(shuō)明的是，上述破碎點(diǎn)為起始破碎點(diǎn)。對(duì)于卷破波，起始破碎點(diǎn)為波峰前坡面近乎垂直的位置。圖5給出了礁緣、破碎點(diǎn)和護(hù)岸坡腳三者之間的距離關(guān)系。

表3 各工況下坡腳與破碎點(diǎn)之間距離的計(jì)算值

4 結(jié) 語(yǔ)

島礁地形不同于常規(guī)海岸地形，由于其陡峭的外坡，外?；蛏钏肷洳ɡ嗽诮妇壐浇l(fā)生劇烈破碎，對(duì)拋石護(hù)岸的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。其中，岸坡寬度是影響護(hù)岸穩(wěn)定的重要因素。當(dāng)護(hù)岸前沿岸坡寬度較寬時(shí)，護(hù)岸宜盡量靠后，布置于破碎點(diǎn)之后1倍淺水波長(zhǎng)之外；當(dāng)護(hù)岸前沿岸坡寬度較窄時(shí)，護(hù)岸宜布置于破碎點(diǎn)之后，且護(hù)岸坡腳與破碎點(diǎn)之間的距離不小于淺水波長(zhǎng)的26%。

本文僅對(duì)護(hù)岸工程進(jìn)行二維水槽模型試驗(yàn)研究。由于實(shí)際沿護(hù)岸長(zhǎng)度方向的地形存在一定變化，同時(shí)還可能存在波浪斜向入射的問(wèn)題，二維水槽試驗(yàn)不能反映沿岸地形變化，以及波浪斜向入射對(duì)護(hù)岸穩(wěn)定性的影響，因此，可通過(guò)三維模型做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。另外，破碎波高、礁前斜坡坡度和長(zhǎng)度也是影響島礁地形上拋石護(hù)岸穩(wěn)定的重要因素，建議今后亦可對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行深入研究。