楊志偉

(珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

防波堤(潛堤)通常由混凝土、石頭、木材或鋼筋混凝土等材料構(gòu)建而成[1-5]，其主要作用是保護(hù)海岸線和港口設(shè)施，防止海浪侵蝕和水位上漲對(duì)海岸線和周?chē)鷧^(qū)域造成的破壞[7-14]，因此，研究防波堤(潛堤)穩(wěn)定性具有重要意義。為了改善大萬(wàn)山島錦塘灣及周邊海域海洋生態(tài)環(huán)境，擬在大萬(wàn)山島西北側(cè)的錦塘灣岸段進(jìn)行沙灘修復(fù)工程，同時(shí)在離岸水域構(gòu)筑水下潛堤，潛堤長(zhǎng)約280 m，推薦堤頂面高程-1.0 m。為明確潛堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，有必要基于極端波浪動(dòng)力條件對(duì)潛堤進(jìn)行斷面物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證堤頂寬度、堤頂高程、加固體的穩(wěn)定重量，并對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。因此，本文以珠海大萬(wàn)山島防波堤(潛堤)工程為例，通過(guò)波浪斷面物理模型試驗(yàn)，研究了工程防波堤斷面在相應(yīng)設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)波浪動(dòng)力作用下，護(hù)面塊體(扭王字塊或拋石塊體)、塊石墊層、護(hù)底塊石等各部位的穩(wěn)定性，并測(cè)量潛堤結(jié)構(gòu)前后的波浪動(dòng)力要素，并提出了相應(yīng)的加固措施，為大萬(wàn)山島錦塘灣整治工程防波堤(潛堤)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)備

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

本次試驗(yàn)各設(shè)計(jì)水位如下：設(shè)計(jì)高水位為1.742 m；設(shè)計(jì)低水位為-0.72 m；極端高水位為 2.883 m，極端低水位為-1.725 m。本試驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)波浪要素由自然資源部第三海洋研究所2020年3月編制的《珠海市大萬(wàn)山島重點(diǎn)海灣整治工程可行性研究報(bào)告(報(bào)批稿)》成果提供，并在中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司2020年7月編制的《珠海市大萬(wàn)山島重點(diǎn)海灣整治工程初步設(shè)計(jì)》中使用。工程區(qū)域?qū)摰逃绊懙闹饕ㄏ蚴荢向～SW向，設(shè)計(jì)波要素見(jiàn)表1。試驗(yàn)規(guī)程包括《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234—2001)、《港口與航道設(shè)計(jì)水文規(guī)范》(JTS 145—2—2015)、《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)、《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT 51015—2014)。

表1 錦塘灣口門(mén)處50 a一遇設(shè)計(jì)波要素

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

大萬(wàn)山島錦塘灣潛堤工程波浪斷面物理模型水槽的長(zhǎng)、寬、高分別為52 m、1.0 m、1.3 m；試驗(yàn)儀器及材料包括造波機(jī)、電容式波高儀、動(dòng)水壓力傳感器、電子稱(chēng)(精確到0.01 g)、高清攝像機(jī)扭王字塊體、塊石、砂、土工布、水泥等。部分試驗(yàn)儀器見(jiàn)圖1。

圖1 部分試驗(yàn)儀器示意

3 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

3.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)要求代表波浪更符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，并盡可能減小比尺效應(yīng)的影響，因此，選擇模型比尺要綜合考慮波浪水槽尺寸、斷面結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)波浪要素、水位等因素。模型按重力相似準(zhǔn)則及《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)尺寸、水深、波浪等多種要素及水槽尺度和造波機(jī)性能指標(biāo)，確定本次斷面模型試驗(yàn)采用正態(tài)模型，潛堤斷面結(jié)構(gòu)幾何比尺為λ=24，滿足規(guī)范中關(guān)于斜坡式防波堤比尺≤40的要求，相應(yīng)的其他物理量的模型比尺為：

長(zhǎng)度比尺：λL=λ；時(shí)間比尺：λt=λ0.5；重量比尺：λW=λ3。

模型安放位置距造波機(jī)的距離為7倍平均波長(zhǎng)之外，后方距消浪網(wǎng)的距離大于5倍平均波長(zhǎng)。根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的防波堤斷面尺寸，制作斷面模型。斷面中扭王字塊由水泥砂漿混合適量鐵粉澆制而成，護(hù)面塊石、墊層塊石、護(hù)底塊石等均采用天然塊石。根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的斷面布置方案，水槽寬1.0 m，模型擺放寬度為0.5 m，水槽中間用玻璃板材隔開(kāi)，扭王字塊護(hù)面塊體的擺放遵循“隨即擺放、相鄰不同向”的規(guī)則，先鋪設(shè)堤心石，然后鋪設(shè)塊石墊層，護(hù)底塊石，最后鋪設(shè)扭王字塊或者護(hù)面塊石。為了便于觀測(cè)，試驗(yàn)斷面所使用的塊體和塊石均涂有不同顏色。試驗(yàn)中模型塊體的安放方法亦與現(xiàn)場(chǎng)相似，安放數(shù)量符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)附錄C中的規(guī)定(最終制作的5個(gè)主要斷面物理模型見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)中還在防波堤前后布置了5個(gè)波高儀，分別用于測(cè)量深水情況下的波浪要素1#(在水槽中位于防波堤前10.3 m)、深水情況下的波浪要素2#(在水槽中位于防波堤前10.0 m)、深水情況下的波浪要素3#(在水槽中位于防波堤前5.0 m)、堤前波浪要素4#(在水槽中位于防波堤前1 m)；堤后布設(shè)1個(gè)波高儀(4#，在水槽中位于防波堤后1 m)，測(cè)量堤后波高，其中1#和2#測(cè)點(diǎn)為波浪率定點(diǎn)。

圖2 5個(gè)主要斷面物理模型示意

3.2 試驗(yàn)方法

先采用不規(guī)則波進(jìn)行斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)前先用小波連續(xù)作用一段時(shí)間，然后再用率定的波要素進(jìn)行試驗(yàn)。采用目測(cè)和錄像的方法，觀測(cè)扭王字塊護(hù)面塊體或者塊石護(hù)面、護(hù)底塊石、塊石墊層等各部位的穩(wěn)定性。每個(gè)水位條件下波浪持續(xù)作用時(shí)間不小于原型2 h，以便觀察潛堤斷面結(jié)構(gòu)在波浪累積作用下的變化情況。采用不規(guī)則波進(jìn)行透射波試驗(yàn)，使用浪高儀進(jìn)行波浪透射系數(shù)計(jì)算，其測(cè)定歷時(shí)控制在100～150個(gè)波，采集時(shí)間間隔為0.02 s，試驗(yàn)重復(fù)3次，透射波取3次平均值。本次綜合考慮S和SW向設(shè)計(jì)波要素，考慮最不利條件H13%波高選取為4.28 m，譜峰周期Tp選取為9.89 s，給出以下試驗(yàn)工況的結(jié)果：① 極端高水位(2.883 m)+50 a一遇最不利波浪條件；② 設(shè)計(jì)高水位(1.742 m)+50 a一遇最不利波浪條件；③ 設(shè)計(jì)低水位(-0.72 m)+50 a一遇最不利波浪條件；④ 極端低水位(-1.725 m)+50 a一遇最不利波浪條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提供優(yōu)化試驗(yàn)：當(dāng)提供的試驗(yàn)斷面不穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)修改斷面，直至穩(wěn)定為止；當(dāng)提供的試驗(yàn)斷面能夠滿足，應(yīng)重新對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化，給出優(yōu)化方案的試驗(yàn)成果。

3.3 波浪模擬

按照試驗(yàn)技術(shù)要求，不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜進(jìn)行模擬，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

式中：

Hs——有效波高，m；

Tp——譜峰值周期，s；

fp——譜峰值頻率，Hz；

γ——譜峰值參數(shù)，取3.3。

不規(guī)則波率定試驗(yàn)時(shí)一次采集波浪數(shù)據(jù)控制在200個(gè)波左右，試驗(yàn)中波浪數(shù)據(jù)采集3次，并取其平均值做試驗(yàn)結(jié)果的代表值，采集的時(shí)間間隔為0.02 s。斷面模型安放前，先率定所需的波浪要素。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，給出該波浪時(shí)間序列的各種波浪要素，并與給定的波浪要素或給定的理論譜形比較，若產(chǎn)生的波浪要素不滿足要求，對(duì)上次的造波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正，直至能夠得到符合要求的波浪。不同設(shè)計(jì)水位下斷面波浪譜型對(duì)比見(jiàn)圖3。

a 極端高水位

b 設(shè)計(jì)高水位

c 設(shè)計(jì)低水位

4 工程設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)組次與優(yōu)化

本次斷面物理模型試驗(yàn)共包括潛堤斷面6個(gè)，其中，扭王字塊護(hù)面方案3個(gè)(堤頂高程0 m、-1 m、-2 m)，拋石護(hù)面方案1個(gè)(堤頂高程-1 m)，優(yōu)化方案2個(gè)(堤頂高程-1 m優(yōu)化方案1、堤頂高程-1 m優(yōu)化方案2)。

4.1 扭王字塊護(hù)面方案

1)堤頂高程

潛堤堤頂高程考慮0 m、-1 m、-2 m 3種情況，由于本工程區(qū)設(shè)計(jì)低水位(低潮累積頻率 90%)為-0.72 m，為美觀考慮，須使?jié)摰涕L(zhǎng)期沒(méi)于水下，故潛堤頂面高程設(shè)計(jì)以-1.0 m為推薦方案(見(jiàn)圖4)。

圖4 扭王字塊護(hù)面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

2)堤身斷面

防波堤的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、使用要求、材料來(lái)源和施工條件等因素，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀缓腿宋奶攸c(diǎn)，兼顧親水、生態(tài)或景觀要求等選定。結(jié)合地形、地質(zhì)及水文條件，潛堤采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，利于波浪緩慢上爬，便于消浪。

潛堤結(jié)構(gòu)為：堤心為10～100 kg塊石，坡腳設(shè)有60～100 kg護(hù)底塊石。內(nèi)外側(cè)坡度1∶1.5。外側(cè)護(hù)面采用3.6 t扭王預(yù)制塊體。內(nèi)側(cè)堤角采用180～360 kg塊石墊層，堤身采用200～400 kg塊石墊層。

3)堤頂寬度

堤頂寬度考慮堤身整體穩(wěn)定性、防汛、管理和施工需求，且依據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154—2018)，堤頂寬度至少能并列安放兩排人工塊體，本次設(shè)計(jì)潛堤堤頂寬度取4.53 m。

4.2 拋石護(hù)面方案

拋石護(hù)面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設(shè)有200～300 kg護(hù)底塊石，內(nèi)側(cè)坡度1∶1.5，外坡1∶2，內(nèi)、外側(cè)均采用600～800 kg塊石護(hù)面，具體布置見(jiàn)圖5。

圖5 拋石護(hù)面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

4.3 優(yōu)化方案

在扭王字塊護(hù)面推薦方案(堤頂高程-1 m)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，共提出了2種優(yōu)化方案。

1)優(yōu)化方案1

在堤頂扭王字塊和背水面塊石墊層(200～400 kg)之間的孔隙拋填與塊石墊層同類(lèi)型的塊石，以穩(wěn)定堤頂扭王字塊、降低其失穩(wěn)概率(見(jiàn)圖6紅色方框區(qū)域)。

2)優(yōu)化方案2

增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區(qū)域拋填扭王字塊，進(jìn)而加大堤頂扭王字塊的穩(wěn)定性，提出了優(yōu)化方案2(見(jiàn)圖7)。

圖7 優(yōu)化方案2示意(單位：高程m，長(zhǎng)度cm)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)潛堤斷面共6個(gè)，包括扭王字塊護(hù)面方案3個(gè)(堤頂高程0 m、-1 m、-2 m)，拋石護(hù)面方案1個(gè)(堤頂高程-1 m)，優(yōu)化方案2個(gè)(堤頂高程-1 m優(yōu)化方案1、堤頂高程-1 m優(yōu)化方案2)。下面根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別分析護(hù)面塊體或者護(hù)面塊石、塊石墊層、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性，對(duì)于不穩(wěn)定情況提出優(yōu)化建議。針對(duì)斷面穩(wěn)定方案，測(cè)量堤后透射波浪，并給出透射系數(shù)。

5.1 潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

首先對(duì)本次實(shí)驗(yàn)中的潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，潛堤斷面模型堤心為10～100 kg塊石，坡腳設(shè)有60～100 kg護(hù)底塊石。外側(cè)護(hù)面采用3.6 t扭王預(yù)制塊體，內(nèi)側(cè)堤角采用180～360 kg塊石墊層，堤身采用200～400 kg塊石墊層。潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)。對(duì)于扭王字塊方案(堤頂高程0 m)和扭王字塊方案(堤頂高程-1 m)各部位穩(wěn)定性結(jié)果為：3.6 t扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的扭王字塊產(chǎn)生位移，并向背浪側(cè)滑落，按照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T 234—2001)規(guī)定：?jiǎn)螌与S機(jī)拋放的護(hù)面塊體，其位移后產(chǎn)生的縫隙寬度超過(guò)塊體最大幾何尺度一半時(shí)即失穩(wěn)。所以本方案中扭王字塊不穩(wěn)定。對(duì)于塊石墊層的穩(wěn)定性，塊石墊層未出現(xiàn)晃動(dòng)，部分大浪作用時(shí)出現(xiàn)個(gè)別滾動(dòng)，表層小部分變形，整體未發(fā)生明顯變形。最后護(hù)底塊石(60～100 kg)表層有小部分晃動(dòng)，晃動(dòng)幅度較小，未出現(xiàn)明顯滾動(dòng)變形。而對(duì)于扭王字塊方案(堤頂高程-2 m)，堤頂和堤身扭王字塊未出現(xiàn)位移和滑落情況，所以該工況下扭王字塊穩(wěn)定。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果示意

5.2 拋石防護(hù)穩(wěn)定性(堤頂高程-1 m)

拋石護(hù)面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設(shè)有200～300 kg護(hù)底塊石，內(nèi)側(cè)坡度1∶1.5，外坡1∶2，內(nèi)、外側(cè)均采用600～800 kg塊石護(hù)面，潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)，各部位穩(wěn)定性結(jié)果如下：拋石護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的拋石塊體出現(xiàn)較大滾動(dòng)、位移，并出現(xiàn)顯著滑落，所以本方案中拋石護(hù)面塊體不穩(wěn)定。對(duì)于護(hù)底塊石穩(wěn)定性，護(hù)底塊石(200～300 kg)未出現(xiàn)較大晃動(dòng)，整體未發(fā)生明顯變形。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 拋石防護(hù)穩(wěn)定性示意

5.3 兩種優(yōu)化方案結(jié)果

優(yōu)化方案1(堤頂高程-1 m)潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波作用下(波浪作用時(shí)間為原型3 h)，各部位穩(wěn)定性結(jié)果如下：3.6 t扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，堤頂附近的扭王字塊產(chǎn)生位移，并向背浪側(cè)滑落，所以本優(yōu)化方案中扭王字塊仍不穩(wěn)定，而對(duì)于優(yōu)化方案2(堤頂高程-1 m)，波浪作用相當(dāng)于原型3 h后，扭王字塊未產(chǎn)生明顯位移，所以本工況下扭王字塊穩(wěn)定，但護(hù)底塊石(60～100 kg)表層有小部分晃動(dòng)，大浪作用時(shí)塊石有明顯晃動(dòng)，整體出現(xiàn)滾動(dòng)和較大變形，建議增加護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量。優(yōu)化方案結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 兩種優(yōu)化方案結(jié)果示意

6 波浪透射試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于潛堤工程，除了考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性外，還需考慮其對(duì)波浪的削減效果。透射波大小會(huì)影響到堤后方沙灘修復(fù)的效果，因此試驗(yàn)中采用浪高儀對(duì)入射波和透射波進(jìn)行了測(cè)量。

6.1 不同頂高程方案

頂高程不同對(duì)波浪透射有直接影響，圖11～圖13分別給出了極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的波高變化情況。從圖中可以看出，不同堤頂高程方案下波面變化有所差異，較堤前波高均有所減小。對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的堤后有效波波高(Ht)分別為0.158 m、0.154 m、0.149 m，可見(jiàn)隨著堤頂高程的增加透射波高呈減小趨勢(shì)。

圖11 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程-2 m)

圖12 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程-1 m)

圖13 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+堤頂高程0 m)

按照試驗(yàn)技術(shù)要求，潛堤影響下的波浪透射率(Tt)采用下式計(jì)算：

Tt=Ht/H

(4)

式中：

H——入射波高；

Ht——堤后有效波波高。

因此，潛堤建成后，極端高水位情況下，-2 m、-1 m、0 m堤頂高程方案的波浪透射率分別為0.884、0.864、0.838。

6.2 優(yōu)化方案

根據(jù)潛堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)，已基本確定優(yōu)化方案2為推薦方案，故本節(jié)主要展示該方案下的波浪傳播結(jié)果。

不同工況下潛堤前后波面變化結(jié)果見(jiàn)圖14～圖17，從圖中可以看出，由于潛堤的影響，堤后波谷明顯抬高，波高有所減小。對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端低水位工況下，堤后有效波波高(Ht)分別為0.153 m、0.144 m、0.123 m、0.10 m。

圖14 潛堤前后波面變化示意(極端高水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖15 潛堤前后波面變化示意(設(shè)計(jì)高水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖16 潛堤前后波面變化示意(設(shè)計(jì)低水位+50 a一遇不規(guī)則波)

圖17 潛堤前后波面變化示意(極端低水位+50 a一遇不規(guī)則波)

潛堤建成后，極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端低水位工況下的波浪透射率分別為0.860、0.805、0.689、0.561。對(duì)比初始方案(-1 m堤頂高程)和推薦方案2，由于推薦方案2結(jié)構(gòu)寬度略大于初始方案，因此波浪透射率略有減小。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大萬(wàn)山島錦塘灣防波堤(潛堤)工程波浪斷面物理模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了潛堤扭王字塊護(hù)面塊體、護(hù)面塊石、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性，同時(shí)測(cè)量堤后透射波高。試驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)扭王字塊護(hù)面方案均出現(xiàn)失穩(wěn)，失穩(wěn)位置主要出現(xiàn)在堤頂位置；拋石護(hù)面方案失穩(wěn)，迎浪面、背浪面以及堤頂3個(gè)位置均出現(xiàn)失穩(wěn)。此外，在扭王字塊方案的基礎(chǔ)上，兩種優(yōu)化方案。第1種方案在堤頂扭王字塊和背水面塊石墊層之間拋填與墊層塊石同類(lèi)型的塊石，但仍失穩(wěn)。進(jìn)一步提出增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區(qū)域拋填扭王字塊。結(jié)果表明不同波況下堤頂扭王字塊穩(wěn)定良好，但個(gè)別工況背水面扭王字塊仍有失穩(wěn)現(xiàn)象，同樣在背水坡扭王字塊和塊石墊層之間拋填塊石，不同極端波況下優(yōu)化方案2穩(wěn)定性良好。此外，設(shè)計(jì)低水位和極端低水位時(shí)，護(hù)底塊石存在晃動(dòng)、滾動(dòng)情況，建議增加護(hù)底塊石重量。