高凌霄，馬志強(qiáng)

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津300461）

1 工程概況

某沉管結(jié)構(gòu)海底隧道工程下穿現(xiàn)有防波堤結(jié)構(gòu)，隧道施工前拆除部分防波堤，安裝沉管后依次鋪設(shè)塊石墊層兼基礎(chǔ)、隧頂段結(jié)構(gòu)恢復(fù)。平面上隧道與防波堤軸線投影斜交，交角約40°，平面位置關(guān)系見圖1。防波堤采用寬體沉箱結(jié)構(gòu)形式，沉箱箱體寬21.5 m，底寬25.5 m（含前后趾各2 m），為盡量減少混凝土重量、做高沉箱結(jié)構(gòu)，最終以沉箱頂板兼作胸墻結(jié)構(gòu)，頂高程3.64 m，沉箱底高程-12.0 m。

圖1 防波堤與隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Plane relationship between breakwater and tunnel

本段隧道基礎(chǔ)軟土層較厚，為防止隧頂受到沿防波堤法線方向下傳的不均勻應(yīng)力產(chǎn)生節(jié)段間不平衡受力而相對(duì)扭轉(zhuǎn)，在沉箱兩側(cè)增設(shè)回填壓載塊石以平衡重量，壓載的重量與無(wú)波浪作用的防波堤自重相當(dāng)，壓載外沿與隧道軸線垂直，壓載塊石自管頂回填覆蓋至-7.0 m，回填軸線投影寬度不小于10.0 m，防波堤結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 埋入式防波堤剖面圖Fig.2 Section of buried breakwater

防波堤埋入壓載塊石深度達(dá)5 m，作用于防波堤上的波浪力與常規(guī)直接作用在直立式防波堤上的波浪力[1]存在一定差異，本文通過(guò)對(duì)相同波浪要素條件下防波堤埋入式、非埋入式2種工況物理模型試驗(yàn)測(cè)定數(shù)值與現(xiàn)行海港水文規(guī)范中波浪水平力和浮托力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比[2]，并對(duì)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行分析，可為類似工程的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和借鑒。

本工程為恢復(fù)結(jié)構(gòu)，頂高程為固定值不可變，根據(jù)水文波高等要素越浪現(xiàn)象在50 a一遇高水位和設(shè)計(jì)高水位時(shí)均存在，堤前波浪力計(jì)算值參照規(guī)范要求，按d/L對(duì)應(yīng)立波減去越頂部分波浪力進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室海洋環(huán)境波浪水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)50.0 m、寬3.0 m，試驗(yàn)斷面模型按照Froude相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作，模型幾何比尺為1∶25。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，頻譜采用合田改進(jìn)的JONSWAP譜，堤前波壓強(qiáng)分布測(cè)量采用YL2000型多點(diǎn)壓力儀系統(tǒng)（相對(duì)誤差小于0.5%），總力測(cè)量采用應(yīng)變式三維總力傳感器（量程為100 N，相對(duì)誤差小于0.5%），水槽尾部安裝消能網(wǎng)，以避免波浪的反射。試驗(yàn)采用的潮位波浪組合及設(shè)計(jì)波浪要素依據(jù)工程專題波浪數(shù)模試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，見表1。

表1 防波堤斷面波浪要素Table 1 Wave elements in breakwater section

為分析防波堤前回填塊石對(duì)堤前波浪力的影響，試驗(yàn)分別對(duì)防波堤埋入式、非埋入式2種工況進(jìn)行了波浪力的測(cè)定，試驗(yàn)斷面見圖3，點(diǎn)壓力測(cè)點(diǎn)分布見圖4，最大波壓力時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)數(shù)值見表2、表3，最大值合成結(jié)果見表4。

表3 直立防波堤底部浮托力Table 3 Uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表4 每延米水平力和浮托力對(duì)比表Table 4 Comparison of horizontal wave force and uplift wave force per linear meter kN/m

圖3 防波堤試驗(yàn)斷面Fig.3 Picture of experimental breakwater section

圖4 點(diǎn)壓力測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of measuring pressure points

表2 直立防波堤波峰迎浪面波壓力Table 2 Wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，埋入式防波堤迎浪面所受的波壓力[3]略高于常規(guī)非埋入式防波堤，50 a一遇高水位組合50 a一遇波浪時(shí)，總力差距在5%～6%左右，埋入式防波堤的浮托力也略高于非埋入式，差距在3%～5%左右。

3 波浪力理論算法計(jì)算

直立式防波堤對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)的影響由2部分組成，一是波浪遇到直墻產(chǎn)生的規(guī)則反射[4]，二是基床使堤前水深減小，促使波浪在基床上破碎[5]，堤前回填相當(dāng)于在斷面型式上抬高了防波堤基床，一定程度上影響了波態(tài)分布。JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中對(duì)低、中、高3種基床及堤前波浪形態(tài)進(jìn)行了定義，文中對(duì)應(yīng)防波堤斷面在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位工況下，無(wú)堤前回填影響時(shí)為暗基床立波，堤前回填后為中基床立波，因此回填后堤前仍有足夠水深對(duì)波浪接近于形成完全反射[6]。

現(xiàn)行的JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》在計(jì)算立波時(shí)當(dāng)d/L=0.139～0.2，且H/L≥1/30時(shí)選用森弗羅簡(jiǎn)化法計(jì)算；當(dāng)d/L=0.05～0.139，d≥1.8H時(shí)選用大連理工大學(xué)發(fā)展的橢余立波法；當(dāng)H/L≥1/30，且相對(duì)水深0.2＜d/L＜0.5時(shí)，選用有限振幅波浪理論一次近似解。本計(jì)算模型根據(jù)波浪要素判斷，防波堤工況組合適宜采用森弗羅簡(jiǎn)化法[7]一次近似解計(jì)算波浪力。

規(guī)范在立波范疇內(nèi)基床高低對(duì)波浪力的形態(tài)沒(méi)有影響，本項(xiàng)目回填范圍較廣，設(shè)計(jì)寬度約在10～30 m之間，遠(yuǎn)超普通基床對(duì)波浪形態(tài)[8-9]的影響，堤前回填塊石使波浪能量更多在回填塊石以上集中，回填塊石的透水性，波浪產(chǎn)生的動(dòng)水壓力又可傳遞至埋入式結(jié)構(gòu)的防波堤前，因此根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》計(jì)算了回填塊石作為回填底標(biāo)高并線性向下傳遞波浪力（埋入式堤前回填無(wú)限遠(yuǎn)）工況（此時(shí)由于底標(biāo)高抬高，波浪力計(jì)算方法采用大連理工大學(xué)橢余立波法），同時(shí)計(jì)算以沉箱底作為海床底標(biāo)高工況計(jì)算的波浪力，得到兩種極端情況的堤前波浪力數(shù)值，兩種工況下，防波堤所受波浪水平力及浮托力計(jì)算結(jié)果見表5～表7。

表5 直立防波堤波峰迎浪面波壓力計(jì)算值Table 5 Calculated value of wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

表6 直立防波堤底部浮托力計(jì)算值Table 6 Calculated value of uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表7 每延米水平力及浮托力計(jì)算值對(duì)比表Table 7 Comparison of calculated values of horizontal wave force anduplift wave force per linear meter kN/m

規(guī)范計(jì)算結(jié)果與波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律存在一致性，埋入式在波要素不變的基礎(chǔ)上抬高地形、減少堤前水深進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示埋入式防波堤前水平波浪力和浮托力也均高于非埋入式，波浪力分布形狀也有所變化如圖5、圖6所示。根據(jù)規(guī)范算法，當(dāng)采用相同的波要素進(jìn)行波浪力計(jì)算時(shí)，當(dāng)?shù)糖八钭儨\時(shí)靜水面處波壓力極值增大，整體波能受上部動(dòng)水壓力變化影響能量也有所增強(qiáng)。但因墻前回填范圍實(shí)際小于計(jì)算模型所對(duì)應(yīng)的無(wú)限遠(yuǎn)，例如本項(xiàng)目?jī)H能到1/3～1/9倍波長(zhǎng)，實(shí)際回填對(duì)波浪影響效果有限，理論應(yīng)小于該計(jì)算值，但目前尚沒(méi)有完備的理論計(jì)算方法可做參考。

圖5 非埋入式波浪力分布圖Fig.5 Distribution of wave pressure of unburied breakwater

圖6 埋入式波浪力分布圖（回填無(wú)限）Fig.6 Distribution of wave pressure of buried breakwater（backfilled infinity）

4 結(jié)果分析

防波堤結(jié)構(gòu)外增加較寬的塊石回填時(shí)，對(duì)堤前波浪形態(tài)造成一定程度的淺水變形，形成影響，當(dāng)波高不變、波長(zhǎng)變短、波陡增加時(shí)，造成波壓力的增加。本文通過(guò)計(jì)算在波要素不變的前提下，假設(shè)回填無(wú)限遠(yuǎn)抬高地形、減小堤前水深的方式增加靜水面位置附近的波壓力極值來(lái)擬合這一現(xiàn)象。將物模試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)、繪制曲線圖，可直接對(duì)比各高程點(diǎn)力分布情況、分析其中受力規(guī)律。各值總體規(guī)律呈現(xiàn)一致性，水平力計(jì)算值與試驗(yàn)值相差在10%以內(nèi)，浮托力除埋入式極端高水位浮托力相差加大外也基本在10%以內(nèi)。采用墻前無(wú)限回填方式進(jìn)行核算增加了靜水面附近波壓力的峰值，且數(shù)值與試驗(yàn)所測(cè)不規(guī)則波的最大波峰壓力數(shù)值分布接近，見圖7、圖8。由于試驗(yàn)值波浪水平力與浮托力最大值不在同一個(gè)相位發(fā)生，計(jì)算值將與兩個(gè)極值相比較數(shù)值均接近，見圖9、圖10。以該方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[10]是偏于安全的，綜上所述，采用墻前回填代替原始地形進(jìn)行埋入式防波堤的波浪力核算是可行的。

圖7 50 a一遇高潮位波浪水平力對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of horizontal wave pressure on high tide of fifty-year return period

圖8 設(shè)計(jì)高水位波浪水平力對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of horizontal wave pressure on design high water level

圖9 50 a一遇高潮位波浪浮托力對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of uplift wave pressure on high tide of fifty-year return period

圖10 設(shè)計(jì)高水位波浪浮托力對(duì)比圖Fig.10 Comparison diagram of uplift wave pressure on design high water level

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)回填形成的埋入式結(jié)構(gòu)防波堤所受到的波浪水平力和浮托力，經(jīng)波浪模型試驗(yàn)測(cè)定是高于原地形非埋入式防波堤的，在設(shè)計(jì)該種結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)對(duì)改變防波堤前地形帶來(lái)的影響加以重視，避免設(shè)計(jì)中預(yù)留安全富裕不足產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)論證，對(duì)該種情況下可通過(guò)將埋入后回填標(biāo)高當(dāng)做地形的方式并采用現(xiàn)行JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》相對(duì)應(yīng)的波浪力算法進(jìn)行計(jì)算，該種算法可作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的參考，同時(shí)考慮其他因素帶來(lái)的不確定性，建議類似工程同時(shí)采用波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步完善研究。