盧少彥

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

當(dāng)護(hù)岸后方為陸域或者堤頂做通道、堤內(nèi)側(cè)兼做碼頭時，為了防止波浪的影響，一般在堤頂臨海側(cè)設(shè)置擋浪墻，擋浪墻所受的外力主要為波浪力[1-4]，也是影響擋浪墻穩(wěn)定的主要因素。目前，對斜坡堤頂擋浪墻的波浪力計(jì)算并沒有一種普遍適用的理論計(jì)算方法，都是通過實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式[1-2]。

本文結(jié)合多個工程實(shí)例的護(hù)岸物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對不同文獻(xiàn)規(guī)范中提出的擋浪墻波浪力[3-4]計(jì)算方法進(jìn)行分析比較，其結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 擋浪墻波浪力的計(jì)算方法

1.1 JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》

JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》第10.2.11 條中的擋墻波浪力計(jì)算公式是目前經(jīng)常采用的一種計(jì)算方法[2]（以下簡稱規(guī)范法），適用于無因次參數(shù)有效墻前水深比ζ不大于ζb的情況下，通過查表得出平均壓強(qiáng)系數(shù)和波壓力作用高度系數(shù)，從而得到作用在擋浪墻上的波浪力，在ζ超過給出表的范圍或者擋墻底部低于水位到一定范圍，計(jì)算得出的波浪力偏差較大。

1.2 Jensen（1984）和Bradbury et al（1988）法

Jensen（1984）和Bradbury et al（1988）法[1]是通過幾種典型斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式（以下簡稱Jensen 法），因此其適用性有很大的局限性，若計(jì)算斷面形式與試驗(yàn)中相差較大，那么其計(jì)算結(jié)果也會差別很大。具體得出公式的試驗(yàn)斷面形式（Jensen 法不同試驗(yàn)斷面簡稱A 斷面、B 斷面、C 斷面、D 斷面、E 斷面）可參考Rock Manual[1]中相關(guān)內(nèi)容，在此不具體敘述。

1.3 Pedersen（1996）法

Pedersen（1996）法[1]假設(shè)作用在擋墻上的沖擊壓力可以通過與波浪作用在護(hù)面塊體邊緣的上沖速度相對應(yīng)的停滯壓力決定，即認(rèn)為波浪撞擊在擋墻面上的速度等同于護(hù)面塊體邊緣的上沖速度。

Pedersen 法也是目前規(guī)范比較常用的計(jì)算波浪力的一種方法。

1.4 Martin（1999）法

Martin（1999）法[1]是基于波浪作用在擋浪墻上破碎那刻得出的一種計(jì)算方法，分為兩個時刻計(jì)算，第一個峰值為沖擊壓強(qiáng)（impact pressure），第二個峰值為脈沖壓力（pulsating pressure）指的是波浪爬高到最高處而沖下來作用在墻上的波浪壓力。Martin 法計(jì)算適用于0.3＜H/Lp＜0.075。

以上公式參見相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再具體列出。

另外，理論上只要在符合公式給出的適應(yīng)范圍之內(nèi)，規(guī)范法和Pedersen 法都可以應(yīng)用于擋浪墻波浪力的計(jì)算，其中規(guī)范法計(jì)算波高取H1%，Pedersen 法計(jì)算波高取有效波高Hs；利用Jensen法計(jì)算時，只要計(jì)算斷面符合Jensen 法做試驗(yàn)時候的斷面，理論上會得出相對比較準(zhǔn)確的波浪力，計(jì)算波高取有效波高Hs；而Martin 法其實(shí)是波浪作用在擋浪墻時某一種特殊時刻的波浪力，是用單波導(dǎo)出的一種公式，其計(jì)算波高取1.8Hs。

下面通過工程實(shí)例來對以上公式分別進(jìn)行闡述。

2 計(jì)算方法對比分析

2.1 項(xiàng)目實(shí)例

表1 中為4 個已經(jīng)建成的項(xiàng)目計(jì)算波浪情況及波浪條件[5-8]，其典型斷面見圖1～圖4。

圖4 廣東省某工程護(hù)岸典型斷面圖Fig.4 Typical sectional drawing of revetment of a project in Guangdong

表1 各項(xiàng)目實(shí)例計(jì)算波浪條件Table 1 Calculation of wave conditions for each project example

圖1 惠州港某護(hù)岸工程典型斷面圖Fig.1 Typical sectional drawing of a revetment project in Huizhou Port

圖2 珠海某碼頭工程護(hù)岸典型斷面圖Fig.2 Typical sectional drawing of revetment of a wharf project in Zhuhai

圖3 廣東省某填海工程護(hù)岸典型斷面圖Fig.3 Typical sectional drawing of revetment of a reclamation project in Guangdong

2.2 理論計(jì)算與物理模型試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述4 種波浪力理論計(jì)算方法，對上述4 個護(hù)岸工程的波浪力進(jìn)行計(jì)算，并列出相應(yīng)的物模試驗(yàn)結(jié)果。各計(jì)算波浪力具體見表2。

表2 作用在擋墻上波浪力合力對比表Table 2 Comparison of wave resultant force acting on wave-retaining wall

2.3 計(jì)算方法對比

2.3.1 水平方向波浪力對比

由表2 可見，各公式計(jì)算結(jié)果與物模試驗(yàn)結(jié)果對比，其中Pedersen（1996）方法[1-3]計(jì)算所得的水平波浪合力數(shù)據(jù)與物理模型試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)相對其他計(jì)算方式較接近，規(guī)范法以及Martin（1999）方法[1]計(jì)算結(jié)果較物模試驗(yàn)結(jié)果偏小，而Jensen 法[1]偏差比較大。

從各計(jì)算公式[1-2]中可以發(fā)現(xiàn)，波浪周期[3]、波長對計(jì)算結(jié)果影響較大，廣東某填海工程波浪周期6.5 s，其計(jì)算結(jié)果較小，珠海項(xiàng)目周期最大為12.3 s，其計(jì)算結(jié)果比波高更大的項(xiàng)目還大；規(guī)范法計(jì)算公式[2]中，擋浪墻底標(biāo)高對計(jì)算結(jié)果影響較大，尤其當(dāng)擋浪墻底高程高于水位時，波浪力可以大幅度下降，見表2 中的珠海和惠州項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果（珠海項(xiàng)目擋墻底高程低于計(jì)算水位）。綜上所述，波高大不一定波浪力大，周期、波長以及擋墻的底標(biāo)高對波浪力的影響更大。

2.3.2 波浪浮托力的對比

由表2 可見，理論計(jì)算浮托力[1-2]與物模試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，究其原因，目前并沒有比較可靠的計(jì)算浮托力的方法[1-2]，基本都是根據(jù)水平向最靠近底部的波浪壓力強(qiáng)度，沿?fù)鯄Φ装慈切畏植?，而得到的波浪浮托力，因此理論?jì)算中浮托力的影響因素同波浪水平力。

2.3.3 注意事項(xiàng)

綜上所述，可以看出Jensen 法[1]計(jì)算結(jié)果與其他方法相比偏差較大，公式中涉及的a、b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[1]，是在試驗(yàn)中特定的情況下得出的，以珠海的項(xiàng)目為例，具體見表3，在A 斷面、B 斷面、C 斷面、D 斷面、E 斷面[1]幾種情況中，a、b取值不同，計(jì)算結(jié)果差異較大。

表3 Jensen 法各種斷面情況計(jì)算結(jié)果對比Table 3 Comparison of the results of various cross sections by Jensen method

因此，在采用Jensen 法[1]計(jì)算波浪力的時候應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選取比較符合的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，即盡量選取適合自己計(jì)算模式的試驗(yàn)斷面情況。

另外，在Martin（1999）公式[1]中，明確提出了在Rca/H＞0.8 時屬于無波浪作用的區(qū)域[1]，具體可見圖5；而其他幾種計(jì)算方法由公式可以推出計(jì)算波浪力為負(fù)值的情況（除了規(guī)范法），以Jensen法為例，當(dāng)aHs/Rca-b＜0 時，水平波浪力計(jì)算值為負(fù)值，即Hs/Rca＜0.5～0.9 的情況下，換算成圖5中的情況則為Rca/H＞0.62～1.11，式中H=1.8Hs，與圖中的無波浪作用區(qū)范圍基本相同。

圖5 波浪作用范圍圖Fig.5 Wave action range map

因此，可以認(rèn)為，當(dāng)波浪計(jì)算為負(fù)值時，擋墻穩(wěn)定計(jì)算[4]不需要考慮波浪的作用。

2.3.4 擋墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

計(jì)算擋浪墻的波浪力是為了驗(yàn)證擋墻的穩(wěn)定性，從表4 中可以直觀看到波浪力計(jì)算公式的選取對計(jì)算擋墻穩(wěn)定的重要性，當(dāng)然根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計(jì)波浪的作用下，上述工程擋墻是穩(wěn)定的。

表4 擋浪墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對比表Table 4 Comparison of the calculation results of wave-retaining wall stability

由表4 中可以看出，在用規(guī)范法[2]得出的波浪力計(jì)算擋墻的穩(wěn)定性時，其計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)非常大，是偏危險的，而用Pedersen 法[1]計(jì)算得出的波浪力計(jì)算擋墻的穩(wěn)定性時，在局部浮托力較大的情況下，不考慮折減，擋墻的計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)偏小，是偏保守的，Jensen 法[1]和Martin 法[1]計(jì)算得出的波浪力由于結(jié)果差別比較大，導(dǎo)致?lián)鯄Ψ€(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物模試驗(yàn)結(jié)果差異很大，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用此方法計(jì)算波浪力需謹(jǐn)慎，通常情況下不建議使用。

3 結(jié)語

文中提到的計(jì)算波浪力公式都是通過物模試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式，有不同的適用范圍以及計(jì)算條件，因此每個公式得出的波浪力計(jì)算結(jié)果都會不一樣。

Jensen 法基于幾種類型的典型斷面得出的波浪力計(jì)算方法，不同的斷面類型波浪力計(jì)算結(jié)果差別較大，因此，在通常情況下不建議用于斜坡堤擋浪墻波浪力計(jì)算，除非實(shí)際計(jì)算的斷面條件與試驗(yàn)斷面非常吻合。

Pedersen 法[1]的波浪力計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)數(shù)值大且與試驗(yàn)數(shù)值擬合相對較好（表2），用于常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算相對更加穩(wěn)妥。

Martin 法的波浪力計(jì)算結(jié)果普遍比試驗(yàn)結(jié)果小，因此在前期初步計(jì)算擋墻穩(wěn)定性時不建議采用，值得注意的是，Martin 法計(jì)算中采用的波高計(jì)算值為1.8Hs。

規(guī)范法[2]是目前現(xiàn)行的JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中推薦的計(jì)算斜坡堤擋浪墻波浪力的計(jì)算方法，其適用條件相對比較簡單，但其波浪力計(jì)算數(shù)值相對試驗(yàn)數(shù)值普遍偏小，尤其在擋墻底標(biāo)高距離水面距離較大的時候，計(jì)算數(shù)值較小，在斷面設(shè)計(jì)時，建議同時采用Pedersen 法進(jìn)行校核，值得注意的是規(guī)范法計(jì)算波高采用的是H1%，而其他計(jì)算方法（包括物模試驗(yàn)）采用的是H13%的波高。另外，對于擋浪墻前有塊體掩護(hù)的情況，用規(guī)范法計(jì)算墻前波浪水平力時通常會考慮墻前掩護(hù)塊體的波浪折減系數(shù)，通過本文幾個工程的對比，不管墻前是否有掩護(hù)不建議考慮墻前折減系數(shù)，可直接按墻前無掩護(hù)計(jì)算。

以上為目前計(jì)算斜坡堤堤頂擋浪墻波浪力計(jì)算方法的分析與建議，可為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考，在有條件的項(xiàng)目或者需要獲得更加準(zhǔn)確的波浪力的情況下，可進(jìn)行斷面物理模型試驗(yàn)來驗(yàn)證，此結(jié)論也在茂名、福建等多個項(xiàng)目中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。