平臺式消浪結構試驗研究及工程應用

夏運強，柳玉良

（海軍研究院海防工程設計研究所，北京 100070)

引言

青島燕兒島護岸工程，毗鄰奧帆基地，南向黃海，為青島市前海區的黃金岸線，護岸主要功能是防護后方的住宅區免受潮水和海浪侵襲，且有沿海觀景通行功能。該工程 1999年施工完成。2000年8月31日“派比安”臺風期間，護岸局部特殊區域發生大量越浪過水情況，欄桿和鑲面石被損壞，對后方住宅區和道路通行產生威脅。

針對上述問題，設計研究單位進行了試驗研究[1]，提出了基于大平臺消浪結構的修復方案，施工后，十多年來的使用情況表明，該修復方案達到了預期效果。本文對此進行總結，旨在對同類工程提供參考和借鑒。

1 設計方案

原設計護岸軸線基本按照自然岸線布置，發生過水區域護岸軸線向海呈凹角（圖1），半徑70 m，圓心角 47o，長度 125 m，水深相對較大（-1.5～-0.8 m），且外海無礁石掩護，外海波浪直接入射。此段斷面主體采用帶窄平臺的漿砌塊石直立結構（圖2），護岸頂高程取7.8 m，平臺高程定為5.0 m，寬度在5.0 m左右，主要滿足游人親水性要求，其次考慮一定的消浪作用。試驗水位采用極端高水位5.36 m（大港零點），堤前采用極限波高5 m，波周期10 s、12 s，按淺水波長計算公式，該水位下-1.0 m水深處對應波長分別為76 m和92 m。

派比安臺風期間護岸局部破壞的主要原因是前述護岸軸線向海側呈凹角，外海東南向涌浪長驅直入，在此發生波能集中，造成海水壅高和越浪過水現象。現行行業規范[2]明確規定：“防波堤（護岸）軸線的線形，宜采用直線、向海方向的平順凸曲線或折線。必須布置成向海方向的凹曲線或折線時，應作必要論證，并宜減小轉折角度。”對此，修復方案在平面布置上對擬建消浪平臺外邊線進行了處理，采取向外凸角形式（圖1），有利于消浪。在斷面設計上，修復方案擬采用前方設置消浪平臺和后方圍擋兩項措施（圖 2），前方通過調整護岸平臺寬度B和高程C，使波浪提前破碎消耗能量，達到減少堤頂越浪的目的；后方做擋墻，根據后方使用要求頂高程定為9.15 m，且通過調整擋墻距離道路邊緣線距離A再一次消耗波能，減少過水量。經查新，護岸或海堤迎浪面采用平臺或臺階[3-6]進行消浪是一種比較有效的方式，但多數研究針對斜坡式堤。現行規范[7]未對帶消浪平臺的直立堤設計參數做出規定，但對帶肩臺的斜坡堤設計規定如下：“對減少波浪爬高而設置肩臺的斜坡堤，肩臺的位置宜設在設計高水位上、下0.5倍設計波高范圍以內，寬度宜為0.5～2.0倍設計波高。”這里的肩臺即為消浪平臺，斜坡堤和直立堤對波浪反射程度不同，造成的爬高或越浪會有差異。直立堤消浪平臺的設置可以參考斜坡堤對肩臺的有關規定進行初步設計，通過物理模型試驗進行驗證和優化。

圖1 護岸平面布置（局部越浪破壞段）

圖2 護岸斷面（含修復方案）

2 模型試驗驗證優化

2.1 試驗目的和方案

擬通過模型試驗對修復方案初始斷面進行驗證和優化，重點對消浪平臺寬度、高程和后方擋墻距離進行論證比較，以保證 9.15 m擋墻不越浪為原則確定合理設計參數。

修復方案初始斷面中，A取0 m和7 m兩種情況，B取0 m、10 m、15 m和20 m四種情況，C取4.0 m和5.0 m兩種情況，三者進行部分組合共6個斷面，其中A=0、B=0組合為原設計方案。

2.2 試驗準備

試驗研究采用波浪斷面物理模型試驗手段，按照《波浪模型試驗規程》[8]要求進行試驗。采用的試驗水槽長50.0 m、寬1.2 m、深1.2 m，一端安裝低慣性直流式電機不規則造波機，另一端設置為消能設施，其波浪反射率小于 10 %。波浪參數測試采用成熟可靠的DS-30波浪測量系統。模型比尺定為 1:30，按重力相似準則模型設計和參數換算。

試驗工況見表1，為便于比較方案的優劣程度，試驗增加了H1%=4.0 m工況。試驗采用單向不規則波，譜型模擬采用JONSWAP譜，考慮涌浪作用，譜峰升高因子γ=7，試驗中不規則波連續作用的有效波數不少于100個。

表1 試驗工況

2.3 試驗結果和討論

對包括原設計方案在內共6個斷面方案分別進行不同波浪工況的測試，主要觀察護岸頂部越浪和后方擋墻過水情況。原設計方案在最小波浪工況下，外海的波浪傳到堤前，與護岸反射波浪相互疊加，在靠近堤前處幾乎達到了極限波高，處于臨界破碎狀態。由于波浪為近破波，對護岸上部結構打擊大，并且造成堤頂越浪嚴重，后方擋墻過水量也很大。其他方案各工況現象和結果見表2。

表2 各斷面方案試驗現象及結果

由上述試驗結果可見，消浪平臺總寬度取20～25 m（含原設計方案5 m）時，后方擋墻基本不過水。此時，平臺總寬度與波長比值1/3.8～1/4.6，平均在1/4左右，即平臺寬度約為波長1/4。另外，消浪平臺高程接近設計水位時，消浪效果較好。

需要說明，對本文研究的問題，適宜采用局部整體物理模型試驗手段進行試驗研究，主要考慮成本等原因，采用了斷面物理模型試驗手段，這與實際情況有些差異。在最終設計方案確定時，適當考慮了這一差異，保證修復方案的可靠性。

3 工程實施方案及實際使用效果

綜合考慮試驗結果和工程實際情況，最終確定修復方案見圖1，斷面參數采用A=7 m，B=20 m（隨軸線變化），C=5.0 m，加寬部分總長為97 m，其中AB段為7 m，BC段為80 m，CD段為10 m。為保證護岸越過的水體能回流順暢，原設計護岸頂部40 cm高胸墻采用下部開孔方式，另外道路兩側設置排水溝等輔助措施。該處地基為巖基，原設計中采用的結構形式實踐證明穩定性良好，適合該處地形情況，因此消浪平臺設計繼續采用這樣的結構，基礎為麻袋混凝土，整平后現澆毛石混凝土，在此基礎上設置頂寬 2 m的漿砌墻，后方回填碎石。為了美觀和整體效果，頂面和側面均采用漿砌塊石鑲面。修復后現場情況見圖3。修復后該護岸經歷過“麥莎”（2005年）、“米雷”和“梅花”（2011年）等臺風考驗，均能正常發揮功用，狀態良好。

圖3 施工后護岸照片

4 結語

通過解決燕兒島護岸越浪破壞問題，提出了消浪平臺等修復措施，并開展了試驗研究，最終修復方案付諸實施，效果理想。試驗研究結論如下：

1）原護岸軸線向海呈凹角布置，且弧度過小，外海無掩護，造成臺風期高水位大波浪波能集中，是本區段護岸越浪破壞的主要原因；規劃部門岸線布置應遵循水工工程設計的基本原則，避免類似問題發生。

2）采用消浪平臺是比較理想的解決問題方案，對消浪平臺的具體參數進行了試驗確定；試驗表明，消浪平臺高程在高水位附近，寬度取 1/4波長時，會達到比較理想的消浪效果。

現行行業規范未對帶消浪平臺的直立式護岸有關設計參數作出規定，本研究對此進行了初探，成果可以為類似工程提供參考和借鑒。