水力插板與拋石斜坡復合堤穩(wěn)定機理*

張翀岳，鄭建國，劉文帥，張 君，許國輝

(1.中國海洋大學，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島266100；2.中國海洋大學，山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室，山東 青島266100；3.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島266100)

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

關于直立堤和拋石堤穩(wěn)定性的研究，國內外開展了大量工作。Yoshimi Goda[1]推導了直立墻在波浪沖擊力作用下的運動公式；李玉成[2-5]開展了一系列破碎波對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動狀態(tài)，得出波浪對散體岸坡的破壞機理和破壞過程；傅華[7]通過試驗得出波浪正向入射散體斜坡內最大波壓力衰減規(guī)律；李增志[8]運用二維剛性體離散單元法對拋石防波堤在波浪作用下的失穩(wěn)過程和機理進行了研究；康海貴[9]利用粒子圖像測速(PIV)技術研究了近破波對直立式建筑物沖擊過程的流場變化特性；Ye Jianhong[10-11]進行斜坡海床上建設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合式防波堤波浪破碎響應；Mohammad Amin Torabi[13]研究了波高、周期、護堤肩寬對不同尺寸護面層的復合式防波堤穩(wěn)定性的影響。已有成果均未涉及基礎深入海床的直立墻與墻前水下拋石斜坡組合的復合堤模式，該復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[14-16]修筑直立墻，板樁入地深度超過地上部分，解決了基礎不穩(wěn)定的問題，并在墻體兩側鋪設拋石護坡，解決了壩體抗彎強度不夠的問題，并有效防止基礎被沖刷掏空，護坡均在水面以下可保持長期穩(wěn)定。本文通過波浪水槽試驗，對比這種復合堤與直立堤、拋石堤在不同波況下，直立墻上和拋石護坡中的波壓力以及拋石護坡的侵蝕情況，探究復合堤的穩(wěn)定性優(yōu)于直立堤和拋石堤的機理。

1 試驗方法

1.1 材料與設備

在波浪水槽中開展模擬防護堤對波浪作用響應的試驗。試驗波浪水槽長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)。試驗使用DEWE Soft數(shù)據采集系統(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。拋石材料選擇角礫(圖2)，平均密度2.56 t/m3,平均質量11.1 g，中值粒徑2.6 cm，礫石自然堆積形成的拋石護坡孔隙度約為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)據采集。試驗用基床沙取自青島海灘，篩分獲得粒徑< 0.25 mm的粉細沙，中值粒徑0.17 mm。

圖2 試驗使用的角礫

1.2 試驗方案

試驗設計3種形式的防護堤(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合堤，拋石護坡形狀設計為三角形，高35 cm，坡率為1:3。為模擬較為極端的水深狀況，試驗水深設置為35 cm，保證靜水面恰好沒過拋石堤頂。

圖3 防波堤形式與測線布置

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

表1 試驗工況

2 試驗結果

在各工況的波浪持續(xù)作用過程中，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)和礫石運動規(guī)律差異較大，數(shù)據采集系統(tǒng)獲取的時程曲線均呈現(xiàn)與波浪運動一致的波動性(圖4)。

圖4 壓力時程曲線(工況1)

1)直立堤：直立堤前形成立波，波浪運動至直立墻面時不發(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，越過堤頂并攜帶礫石向堤后運動并堆積，在堤頂后完成破碎過程，見圖5b)。

3)復合堤：波浪在復合堤的拋石護坡上開始破碎，但破碎過程未完全完成，變形的波浪直接拍擊在直立墻上，此過程濺起的水位高度達到了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動，但凈運移量為0，見圖5c)。

圖5 3種防波堤的堤前波浪形態(tài)

3 試驗數(shù)據分析

工程上一般比較關注波峰壓力對水中建筑物的作用。當波谷運動至堤前時，堤后水深高于堤前水深，必須考慮波谷壓力可能引發(fā)直立墻向海側傾覆。本文為證明復合式防波堤的優(yōu)越性，將通過不同位置受到的波峰波谷壓力以及拋石護坡表面侵蝕情況進行3種防波堤的對比。將各堤型、各工況條件下的時程曲線中，同周期內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 直立堤與復合堤對比

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合堤(圖6)。直立堤沒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。復合堤前的拋石護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，拋石護坡抵御了來浪的直接沖擊，水流在拋石護坡的孔隙中流動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大波高，復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)據反映的規(guī)律一致。

圖6 垂向測線波峰壓力

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。這是由于拋石護坡設計為三角形，水流滲透路徑隨水深增加而增加，波能消耗也隨之增加。對比工況1～3，周期不變，隨著入射波高的增大，復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。說明隨著波高增大，拋石護坡頂部區(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不及在護坡上完成破碎消能過程便沖擊于直立墻上。而在水深較深的位置，拋石護坡依然能發(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，故下文只關注直立堤與復合堤的波谷壓力，對拋石堤不作討論。在計算波谷壓力時認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)據均表現(xiàn)為直立堤沿墻面波谷壓力比復合堤的大很多(圖7)，水面下5個測量點的平均波谷壓力比為3.07:1，在工況4中甚至達到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使波峰上升，也會使波谷下降，最低的波谷已經達到靜水位線下14 cm。波谷越低，墻體受到的波谷壓力越大。復合堤前的拋石護坡減小了反射，使堤前不再出現(xiàn)過低的波谷，最低的波谷未達到靜水位線下7 cm。同時，波谷運動至堤前時，拋石護坡內的水從孔隙中排出需要時間，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大傾覆力矩可能會引起防波堤傾倒或損壞。

圖7 垂向測線波谷壓力

3.2 拋石堤與復合堤對比

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。雖然復合堤前拋石護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，又阻止了波浪完全破碎。拋石堤為全透水堤，擁有最長的滲透路徑，水流進入礫石間的孔隙后消耗了大量能量，且波峰可以越過拋石堤頂完成破碎過程。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。對比拋石堤和復合堤護坡內水平向波峰壓力(圖8)，可知工況2～4在遠離直立墻位置的測量點A1～A3，工況5、6的測量點A1～A5，拋石堤與復合堤內的波峰壓力值相差不大，說明入射波在與拋石護坡接觸的前期，拋石堤與復合堤消耗波能的程度基本相同。在靠近直立墻的測量點，尤其是沿墻面位置的A6，2種防波堤的數(shù)據相差較大。這是由于波浪在拋石堤上破碎后，水流平緩越過堤頂，所以拋石堤的測量點A5～A6數(shù)據相差不大。復合堤中的直立墻使堤前波高增大，且波浪沒有完全完成破碎過程，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(工況3～6)，位于直立墻面的測量點A6數(shù)據突增。對比拋石護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。在遠離直立墻位置的測量點數(shù)據相差不大，在直立墻位置附近的測量點，復合堤波峰壓力數(shù)據大于拋石堤。除此之外，A3～A4與B3～B4點波峰壓力突增。2條測線上該區(qū)域與直立墻距離基本相同，入射波均在此區(qū)域上方附近開始產生變形破碎，波高增大，使得波峰壓力增大。此外，斜向測線采集到的波峰壓力均小于橫向測線，再次說明在越深的位置，水流的滲透路徑越長，越有利于波能的消耗。工況1的波浪作用于拋石堤與復合堤時，無論是水平測線還是斜向測線的數(shù)據都很接近，說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 水平測線波峰壓力

圖9 斜向測線波峰壓力

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)于復合堤。但是拋石堤在波浪長期作用下穩(wěn)定性較差。在陶威等[17]的試驗中，由于沒有直立墻的存在，拋石堤頂?shù)牡[石受越浪作用運移到了堤后，最終導致整個防波堤的結構發(fā)生破壞。并且隨著波高增大，礫石的運移量也會增加，加劇破壞進程。而復合堤中的直立墻阻止了礫石向堤后運移，同時使堤前波高增大，在波浪作用初期，墻前礫石既有侵蝕也有堆積，坡面在這個過程中逐漸變緩并穩(wěn)定，達到適應波況的工作狀態(tài)(圖10)。在達到穩(wěn)定后，坡面上的礫石依然在隨波浪運動，處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，波況如果改變，墻前礫石可自行逐步調整至適應的形態(tài)。拋石堤在波浪長期作用下形成的是永久性破壞，如果不進行維護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防波堤的使用壽命，節(jié)約維護成本，提高經濟效益。

圖10 拋石堤和復合堤坡面變化

4 結語

1)復合堤相比于直立堤，堤前拋石護坡消耗了波浪能量，抵御波浪的直接沖擊，同時避免波浪強烈反射在堤前形成過大的波高，降低了波峰壓力。此外，波谷運動至堤前時，水從拋石護坡孔隙中排出需要時間，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。拋石護坡降低了直立墻向岸或向海傾覆的風險。

2)復合堤相比于拋石堤，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移，堤前拋石護坡形態(tài)可隨波況動態(tài)調整，顯著延長了拋石護坡的使用壽命。

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