張翀?jiān)?，鄭建?guó)，劉文帥，張 君，許國(guó)輝

(1.中國(guó)海洋大學(xué)，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100)

在海岸侵蝕防護(hù)或者港口工程中，常在岸線附近或海岸帶內(nèi)修建防波堤。防波堤一般處于海域中，單側(cè)或雙側(cè)鄰水，直接承受波浪沖擊，在波浪長(zhǎng)期作用下或在極端波況時(shí)常發(fā)生防波堤破壞事件。東營(yíng)中心漁港航道防護(hù)堤，其南部為拋石堤，在經(jīng)歷風(fēng)浪作用和40 a一遇的海冰影響后，遭到嚴(yán)重破壞，部分壩體產(chǎn)生沉陷，部分柵欄板錯(cuò)位變形；而其北部為水力插板直立堤與水下拋石斜坡形成的復(fù)合堤，處于波浪動(dòng)力更強(qiáng)的環(huán)境下，完好無(wú)損。采用水力插板樁技術(shù)建設(shè)的直立墻與墻前水下拋石斜坡的復(fù)合堤，在工程實(shí)踐中表現(xiàn)出更好的安全穩(wěn)定性，但其穩(wěn)定性機(jī)理尚不明確，有必要進(jìn)行深入研究。

關(guān)于直立堤和拋石堤穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)外開展了大量工作。Yoshimi Goda[1]推導(dǎo)了直立墻在波浪沖擊力作用下的運(yùn)動(dòng)公式；李玉成[2-5]開展了一系列破碎波對(duì)直立墻作用力的分析研究；蔡曉禹[6]分析了散體岸坡顆粒的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出波浪對(duì)散體岸坡的破壞機(jī)理和破壞過(guò)程；傅華[7]通過(guò)試驗(yàn)得出波浪正向入射散體斜坡內(nèi)最大波壓力衰減規(guī)律；李增志[8]運(yùn)用二維剛性體離散單元法對(duì)拋石防波堤在波浪作用下的失穩(wěn)過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行了研究；康海貴[9]利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)研究了近破波對(duì)直立式建筑物沖擊過(guò)程的流場(chǎng)變化特性；Ye Jianhong[10-11]進(jìn)行斜坡海床上建設(shè)的拋石防波堤在海嘯荷載作用下的數(shù)值研究；Mohammad[12]模擬了斜坡海床上復(fù)合式防波堤波浪破碎響應(yīng)；Mohammad Amin Torabi[13]研究了波高、周期、護(hù)堤肩寬對(duì)不同尺寸護(hù)面層的復(fù)合式防波堤穩(wěn)定性的影響。已有成果均未涉及基礎(chǔ)深入海床的直立墻與墻前水下拋石斜坡組合的復(fù)合堤模式，該復(fù)合堤在波浪作用下的穩(wěn)定性有待研究。

采用水力插板樁技術(shù)[14-16]修筑直立墻，板樁入地深度超過(guò)地上部分，解決了基礎(chǔ)不穩(wěn)定的問(wèn)題，并在墻體兩側(cè)鋪設(shè)拋石護(hù)坡，解決了壩體抗彎強(qiáng)度不夠的問(wèn)題，并有效防止基礎(chǔ)被沖刷掏空，護(hù)坡均在水面以下可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。本文通過(guò)波浪水槽試驗(yàn)，對(duì)比這種復(fù)合堤與直立堤、拋石堤在不同波況下，直立墻上和拋石護(hù)坡中的波壓力以及拋石護(hù)坡的侵蝕情況，探究復(fù)合堤的穩(wěn)定性優(yōu)于直立堤和拋石堤的機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料與設(shè)備

在波浪水槽中開展模擬防護(hù)堤對(duì)波浪作用響應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)波浪水槽長(zhǎng)14.0 m、寬0.5 m、高1.5 m(圖1)。一端配有造波系統(tǒng)，可形成規(guī)則波，另一端配有消波系統(tǒng)。試驗(yàn)使用DEWE Soft數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、WG-55型波高儀、CYY2型壓力傳感器等儀器。

圖1 試驗(yàn)波浪水槽(單位：m)

拋石材料與波況的選取以拋石可發(fā)生位移為準(zhǔn)。拋石材料選擇角礫(圖2)，平均密度2.56 t/m3,平均質(zhì)量11.1 g，中值粒徑2.6 cm，礫石自然堆積形成的拋石護(hù)坡孔隙度約為46.2%。直立墻采用高135 cm、寬50 cm、厚1 cm的鐵板，可在波浪作用下保持穩(wěn)定，不影響波壓力數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)用基床沙取自青島海灘，篩分獲得粒徑< 0.25 mm的粉細(xì)沙，中值粒徑0.17 mm。

圖2 試驗(yàn)使用的角礫

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種形式的防護(hù)堤(圖3)，分別為直立堤、拋石堤、直立墻與墻前水下拋石斜坡組合的復(fù)合堤，拋石護(hù)坡形狀設(shè)計(jì)為三角形，高35 cm，坡率為1:3。為模擬較為極端的水深狀況，試驗(yàn)水深設(shè)置為35 cm，保證靜水面恰好沒(méi)過(guò)拋石堤頂。

圖3 防波堤形式與測(cè)線布置

試驗(yàn)測(cè)線設(shè)置如下：在直立墻面設(shè)置垂向測(cè)線，等間距布設(shè)6個(gè)壓力傳感器，由下至上標(biāo)記為Z1～Z6；在拋石護(hù)坡中設(shè)置水平測(cè)線，位于距底床面21 cm處，等間距布設(shè)6個(gè)壓力傳感器，由右至左標(biāo)記為A1～A6；在拋石護(hù)坡表面至直立墻腳設(shè)置斜向測(cè)線，等間距布設(shè)7個(gè)壓力傳感器，由上至下標(biāo)記為B1～B7，所有傳感器均正對(duì)來(lái)波方向。首先分層鋪設(shè)沙質(zhì)基床并加水飽和，將直立墻插入底床面以下30 cm，鋪設(shè)礫石并放置傳感器，加水至設(shè)計(jì)水深，靜置24 h之后開始造波試驗(yàn)。3種防波堤均施加6種波況，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果

在各工況的波浪持續(xù)作用過(guò)程中，3種防波堤前的底床泥沙出現(xiàn)少量懸浮，底床表面形成細(xì)小沙紋，堤腳處未出現(xiàn)明顯侵蝕，堤前波浪形態(tài)和礫石運(yùn)動(dòng)規(guī)律差異較大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的時(shí)程曲線均呈現(xiàn)與波浪運(yùn)動(dòng)一致的波動(dòng)性(圖4)。

圖4 壓力時(shí)程曲線(工況1)

1)直立堤：直立堤前形成立波，波浪運(yùn)動(dòng)至直立墻面時(shí)不發(fā)生破碎，見圖5a)。

2)拋石堤：波浪在距拋石堤頂水平距離15～35 cm處開始破碎，越過(guò)堤頂并攜帶礫石向堤后運(yùn)動(dòng)并堆積，在堤頂后完成破碎過(guò)程，見圖5b)。

3)復(fù)合堤：波浪在復(fù)合堤的拋石護(hù)坡上開始破碎，但破碎過(guò)程未完全完成，變形的波浪直接拍擊在直立墻上，此過(guò)程濺起的水位高度達(dá)到了15～35 cm。波浪作用初期，坡面礫石被回落水流攜帶至堤前水深較深的位置，坡面坡度不斷減小至穩(wěn)定后，坡面礫石仍隨波浪沿坡面運(yùn)動(dòng)，但凈運(yùn)移量為0，見圖5c)。

圖5 3種防波堤的堤前波浪形態(tài)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

工程上一般比較關(guān)注波峰壓力對(duì)水中建筑物的作用。當(dāng)波谷運(yùn)動(dòng)至堤前時(shí)，堤后水深高于堤前水深，必須考慮波谷壓力可能引發(fā)直立墻向海側(cè)傾覆。本文為證明復(fù)合式防波堤的優(yōu)越性，將通過(guò)不同位置受到的波峰波谷壓力以及拋石護(hù)坡表面侵蝕情況進(jìn)行3種防波堤的對(duì)比。將各堤型、各工況條件下的時(shí)程曲線中，同周期內(nèi)的峰值壓力和谷值壓力減去靜水壓分別繪制成圖(圖6～9)。

3.1 直立堤與復(fù)合堤對(duì)比

在6種工況的波浪作用下，直立堤沿墻面位置的波峰壓力均大于復(fù)合堤(圖6)。直立堤沒(méi)有任何削弱波浪能量的能力，波浪在遇到直立堤后未發(fā)生破碎。反射波與入射波疊加后形成立波，堤前最大波高已變?yōu)槿肷洳ǖ?.44～2.34倍，波能與波高的平方成正比，因此直立堤沿墻面位置的波峰壓力提高了很多。復(fù)合堤前的拋石護(hù)坡首先降低了堤前水深，迫使波浪在堤前發(fā)生破碎，消耗了一部分波能；其次，拋石護(hù)坡抵御了來(lái)浪的直接沖擊，水流在拋石護(hù)坡的孔隙中流動(dòng)再次消耗了一部分波能。波能的消耗避免了波浪反射在堤前形成過(guò)大波高，復(fù)合堤前的最大波高僅為入射波的1.16～1.78倍，小于直立堤，與波峰壓力數(shù)據(jù)反映的規(guī)律一致。

圖6 垂向測(cè)線波峰壓力

在6種工況的波浪作用下，直立堤沿墻面的波峰壓力均隨水深變化不大，而復(fù)合堤沿墻面的波峰壓力隨水深增加呈現(xiàn)較為明顯的減小趨勢(shì)。這是由于拋石護(hù)坡設(shè)計(jì)為三角形，水流滲透路徑隨水深增加而增加，波能消耗也隨之增加。對(duì)比工況1～3，周期不變，隨著入射波高的增大，復(fù)合堤沿墻面的波峰壓力曲線逐漸向直立堤的波峰壓力曲線靠近。直立堤與復(fù)合堤靜水位處的波峰壓力比從1.3:1減小至接近1:1，直立墻腳處的波峰壓力比維持在1.5:1左右。說(shuō)明隨著波高增大，拋石護(hù)坡頂部區(qū)域發(fā)揮的作用將降低。大波高的波浪在堤前變形之后來(lái)不及在護(hù)坡上完成破碎消能過(guò)程便沖擊于直立墻上。而在水深較深的位置，拋石護(hù)坡依然能發(fā)揮很好的消能作用。

由于拋石堤中不存在直立墻傾覆的情況，故下文只關(guān)注直立堤與復(fù)合堤的波谷壓力，對(duì)拋石堤不作討論。在計(jì)算波谷壓力時(shí)認(rèn)為堤后水位始終為靜水位，因此靜水位位置的波谷壓力均為0。6種工況的數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為直立堤沿墻面波谷壓力比復(fù)合堤的大很多(圖7)，水面下5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均波谷壓力比為3.07:1，在工況4中甚至達(dá)到4.73:1。這同樣是由于波浪遇到直立堤后反射，反射波與入射波疊加既會(huì)使波峰上升，也會(huì)使波谷下降，最低的波谷已經(jīng)達(dá)到靜水位線下14 cm。波谷越低，墻體受到的波谷壓力越大。復(fù)合堤前的拋石護(hù)坡減小了反射，使堤前不再出現(xiàn)過(guò)低的波谷，最低的波谷未達(dá)到靜水位線下7 cm。同時(shí)，波谷運(yùn)動(dòng)至堤前時(shí)，拋石護(hù)坡內(nèi)的水從孔隙中排出需要時(shí)間，堤前水位下降較慢；而直立堤前水位瞬間降低使墻體突然受到過(guò)大傾覆力矩可能會(huì)引起防波堤傾倒或損壞。

圖7 垂向測(cè)線波谷壓力

3.2 拋石堤與復(fù)合堤對(duì)比

圖6表明，在6種工況的波浪作用下，拋石堤沿直立墻面位置處的波峰壓力都是最小的。雖然復(fù)合堤前拋石護(hù)坡形成的滲透路徑與拋石堤相同，但直立墻的存在既阻隔了孔隙間的水繼續(xù)向堤后流動(dòng)，又阻止了波浪完全破碎。拋石堤為全透水堤，擁有最長(zhǎng)的滲透路徑，水流進(jìn)入礫石間的孔隙后消耗了大量能量，且波峰可以越過(guò)拋石堤頂完成破碎過(guò)程。這使得拋石堤的反射系數(shù)變得很小，堤前最大波高僅為入射波的1～1.22倍。對(duì)比拋石堤和復(fù)合堤護(hù)坡內(nèi)水平向波峰壓力(圖8)，可知工況2～4在遠(yuǎn)離直立墻位置的測(cè)量點(diǎn)A1～A3，工況5、6的測(cè)量點(diǎn)A1～A5，拋石堤與復(fù)合堤內(nèi)的波峰壓力值相差不大，說(shuō)明入射波在與拋石護(hù)坡接觸的前期，拋石堤與復(fù)合堤消耗波能的程度基本相同。在靠近直立墻的測(cè)量點(diǎn)，尤其是沿墻面位置的A6，2種防波堤的數(shù)據(jù)相差較大。這是由于波浪在拋石堤上破碎后，水流平緩越過(guò)堤頂，所以拋石堤的測(cè)量點(diǎn)A5～A6數(shù)據(jù)相差不大。復(fù)合堤中的直立墻使堤前波高增大，且波浪沒(méi)有完全完成破碎過(guò)程，直接拍擊在直立墻上，拍擊瞬間作用力很大。因此，在波高較大時(shí)(工況3～6)，位于直立墻面的測(cè)量點(diǎn)A6數(shù)據(jù)突增。對(duì)比拋石護(hù)坡表面至直立墻腳的波峰壓力(圖9)，發(fā)現(xiàn)具有與上述相似的規(guī)律。在遠(yuǎn)離直立墻位置的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)相差不大，在直立墻位置附近的測(cè)量點(diǎn)，復(fù)合堤波峰壓力數(shù)據(jù)大于拋石堤。除此之外，A3～A4與B3～B4點(diǎn)波峰壓力突增。2條測(cè)線上該區(qū)域與直立墻距離基本相同，入射波均在此區(qū)域上方附近開始產(chǎn)生變形破碎，波高增大，使得波峰壓力增大。此外，斜向測(cè)線采集到的波峰壓力均小于橫向測(cè)線，再次說(shuō)明在越深的位置，水流的滲透路徑越長(zhǎng)，越有利于波能的消耗。工況1的波浪作用于拋石堤與復(fù)合堤時(shí)，無(wú)論是水平測(cè)線還是斜向測(cè)線的數(shù)據(jù)都很接近，說(shuō)明在入射波高較小的情況下，2種防波堤的消能效果相差不大。

圖8 水平測(cè)線波峰壓力

圖9 斜向測(cè)線波峰壓力

上述分析表明，拋石堤在消耗波能、減小波峰壓力方面略優(yōu)于復(fù)合堤。但是拋石堤在波浪長(zhǎng)期作用下穩(wěn)定性較差。在陶威等[17]的試驗(yàn)中，由于沒(méi)有直立墻的存在，拋石堤頂?shù)牡[石受越浪作用運(yùn)移到了堤后，最終導(dǎo)致整個(gè)防波堤的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。并且隨著波高增大，礫石的運(yùn)移量也會(huì)增加，加劇破壞進(jìn)程。而復(fù)合堤中的直立墻阻止了礫石向堤后運(yùn)移，同時(shí)使堤前波高增大，在波浪作用初期，墻前礫石既有侵蝕也有堆積，坡面在這個(gè)過(guò)程中逐漸變緩并穩(wěn)定，達(dá)到適應(yīng)波況的工作狀態(tài)(圖10)。在達(dá)到穩(wěn)定后，坡面上的礫石依然在隨波浪運(yùn)動(dòng)，處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，波況如果改變，墻前礫石可自行逐步調(diào)整至適應(yīng)的形態(tài)。拋石堤在波浪長(zhǎng)期作用下形成的是永久性破壞，如果不進(jìn)行維護(hù)將逐漸喪失防波堤功能。拋石堤與直立堤的組合可以顯著延長(zhǎng)防波堤的使用壽命，節(jié)約維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 拋石堤和復(fù)合堤坡面變化

4 結(jié)語(yǔ)

1)復(fù)合堤相比于直立堤，堤前拋石護(hù)坡消耗了波浪能量，抵御波浪的直接沖擊，同時(shí)避免波浪強(qiáng)烈反射在堤前形成過(guò)大的波高，降低了波峰壓力。此外，波谷運(yùn)動(dòng)至堤前時(shí)，水從拋石護(hù)坡孔隙中排出需要時(shí)間，使得堤前水深下降程度和下降速度均有減小，大幅降低了波谷壓力。拋石護(hù)坡降低了直立墻向岸或向海傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

2)復(fù)合堤相比于拋石堤，在直立墻附近位置消耗波能的效果略差，仍有較大的波浪力作用于墻面。但直立墻阻止了拋石向堤后運(yùn)移，堤前拋石護(hù)坡形態(tài)可隨波況動(dòng)態(tài)調(diào)整，顯著延長(zhǎng)了拋石護(hù)坡的使用壽命。

3)采用水力插板樁技術(shù)建設(shè)的復(fù)合堤擁有比直立堤和拋石堤更好的穩(wěn)定性，在降低施工和維護(hù)成本的同時(shí)，還可延長(zhǎng)使用壽命。