波浪爬高對(duì)灌砌塊石護(hù)面穩(wěn)定性影響

謝 龍，吳 炎

(溫州市甌飛經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)投資有限公司，浙江 溫州 325025)

0 引 言

甌飛一期圍墾工程位于溫州市甌江、飛云江河口間平直岸灘，東臨大海，西連瑞安丁山、龍灣永興、天城、海濱等沿海圍墾區(qū)，南順飛云江北岸至長(zhǎng)拔山，北順甌江口南岸，經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)劃用海面積為0.885 3×104hm2，堤線總長(zhǎng)36.6 km，總工期9.5年，概算投資272.9億元[1]，工程分兩階段實(shí)施，主體工程北區(qū)于2013年7月份開(kāi)工。

甌飛圍墾一期工程是全國(guó)單體最大的圍墾工程，海堤迎潮面永久護(hù)面結(jié)構(gòu)與施工期安全度汛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工是圍墾工程建設(shè)過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于甌飛一期圍墾料場(chǎng)石料料源較差，鎮(zhèn)壓層無(wú)法滿足設(shè)計(jì)護(hù)面單塊重量不小于800 kg要求。因此，結(jié)合工程專供料場(chǎng)的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)護(hù)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)采用灌砌塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)的方案，即采用滿灌方式，將灌砌塊石分成尺寸為5.0 m×5.0 m單元，在護(hù)面塊石單元間角縫灌注混凝土，灌注厚度為塊石護(hù)面厚度一半。在單元與單元之間留有30 cm縫隙，增強(qiáng)護(hù)面透水性。斜坡堤迎浪面是承受波浪作用的主要部位，其護(hù)面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性對(duì)堤壩的安全至關(guān)重要。不同的護(hù)面結(jié)構(gòu)在波浪作用下受力機(jī)制不同，穩(wěn)定性的表現(xiàn)也有很大不同。因此，有必要對(duì)灌砌塊石護(hù)面結(jié)構(gòu)波浪爬高進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以確保所優(yōu)選的方案既能解決護(hù)面結(jié)構(gòu)對(duì)石料的要求與料源實(shí)際情況的矛盾，又能滿足實(shí)際工程的穩(wěn)定性要求。

1 波浪爬高的研究現(xiàn)狀

對(duì)于波浪爬高的研究，有側(cè)重于理論研究的，也有側(cè)重于物理模型試驗(yàn)的。但是，由于斜坡上波浪爬高影響因素的復(fù)雜性，目前為止實(shí)際工程中主要還是采用試驗(yàn)研究成果。波浪爬高的計(jì)算方法很多，一般可根據(jù)波浪類型分為規(guī)則波爬高計(jì)算和不規(guī)則波爬高計(jì)算[2]兩種方法。

從上世紀(jì)30年代開(kāi)始研究波浪爬高問(wèn)題以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爬高的試驗(yàn)研究非常多，已經(jīng)獲得不少成果，相應(yīng)的計(jì)算爬高公式不下數(shù)十種。目前，常用的爬高公式大致有美國(guó)《海岸防護(hù)手冊(cè)》《海港水文規(guī)范》(JTS 145-2-2013)、《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》《堤防工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50286-1998)以及荷蘭學(xué)者J.W. Van der Meer(2002，2016)提出的方法。

在海堤設(shè)計(jì)中，歐洲許多國(guó)家推薦使用荷蘭學(xué)者J.W. Van der Meer(2016)[3]的爬高計(jì)算公式。從1992-2016年，J.W. Van der Meer對(duì)影響波浪爬高的各種因素包括前坡平均坡度、堤前地形及水深變化、平臺(tái)寬度及高澄、波浪斜向入射、前坡糙率系數(shù)等都作了詳細(xì)的分析研究。2016年，J.W. Van der Meer給出波浪爬高的計(jì)算公式：

1) 波陡Hs/Lm-1,0>0.01時(shí)。

①斜坡比較緩，坡度cotα>2：

Ru2%/Hm0=1.75γbγfγβξm-1,0

ξm-1,0≤1.8

(1)

ξm-1,0>1.8

(2)

②斜坡比較陡時(shí)，坡度cotα<2或ξm-1,0>2：

Ru2%/Hm0=0.86cotα+1.71

(3)

2) 波陡Hs/Lm-1,0<0.01且波浪在淺灘破碎。公式如下：

式中：γb為平臺(tái)影響系數(shù)。

γb=1-γβ(1-γdb) 0.6≤γb≤1.0

(5)

當(dāng)平臺(tái)在靜水位之上：

當(dāng)平臺(tái)在靜水位之下：

當(dāng)平臺(tái)在靜水位之上大于等于Ru2%或平臺(tái)在靜水位之下大于等于2Hm0：

γdb=1

(9)

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)80 m、寬0.8 m、高1.2 m，水槽壁為玻璃質(zhì)，底為混凝土質(zhì)。波浪水槽一端安裝有南京水利科學(xué)研究院研制的平板式不規(guī)則波造波機(jī)，在計(jì)算機(jī)控制下可產(chǎn)生試驗(yàn)所需要的不規(guī)則波，相同周期的波浪其波高可通過(guò)調(diào)節(jié)增益來(lái)實(shí)現(xiàn)；水槽另一端設(shè)有消浪設(shè)施，以減少波浪的反射。試驗(yàn)過(guò)程中，水槽端部或建筑物模型反射波傳至造波機(jī)，與造波機(jī)產(chǎn)生的波浪疊加會(huì)發(fā)生二次反射，這將改變?cè)囼?yàn)設(shè)定的入射波要素。為減小波浪二次反射對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，在水槽中縱向增設(shè)一道玻璃隔板，將水槽分為寬度0.3和0.5 m的兩個(gè)部分，本試驗(yàn)斷面置于寬度為0.5 m的區(qū)段。見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)室波浪水槽平、立面示意圖

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷棠_處設(shè)置一臺(tái)波高儀，用于量測(cè)波浪要素。波高采用電容式波高儀量測(cè)，最大量程150 cm，儀器的靈敏度及穩(wěn)定性均滿足要求。所有量測(cè)信號(hào)均通過(guò)計(jì)算機(jī)采集、記錄和分析，采樣時(shí)間間隔為0.05 s。系統(tǒng)所記錄的數(shù)據(jù)是各個(gè)時(shí)刻的水體到達(dá)點(diǎn)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到爬高值。在編寫程序中，先處理波列中單個(gè)波的爬高，然后對(duì)所有爬高值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到一個(gè)波系列的爬高值。

2.2 試驗(yàn)概括

試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，波期望譜選用《海港水文規(guī)范》(JTS 145-2-2013)[4]的改進(jìn)JONSWAP譜[5]，其表達(dá)式為：

其中：

式中：S(f)為譜密度，m2·s；γ為譜峰升高因子，取3.3；TP為譜峰周期；σ為峰形參數(shù)。

試驗(yàn)采用間隙式生波方式，以消除波浪的多次反射。每組試驗(yàn)分7次造波，每次造波約300 s，累積總時(shí)間模擬原型3 h風(fēng)暴潮作用時(shí)間重復(fù)波浪作用，觀察護(hù)面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況。波浪壓力的數(shù)據(jù)采集采用DJ800系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.01 s，在開(kāi)始造波后自動(dòng)延時(shí)30 s開(kāi)始，采集約120個(gè)波后停止。每組造波完成后停機(jī)，待水面平靜后繼續(xù)進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

為了對(duì)各影響參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，本次模型試驗(yàn)斷面結(jié)合度汛結(jié)構(gòu)斜坡斷面。遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ-T234-2001)[6]相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按照Froude數(shù)[7]相似率設(shè)計(jì)。模型長(zhǎng)度比尺為λ=30。圖2為試驗(yàn)海堤模型斷面圖，堤心采用平均單塊質(zhì)量約為10～100 kg的碎石，堤心上鋪設(shè)灌砌塊石護(hù)面板。塊石密度為2.6 t/m3。灌砌塊石護(hù)面板試驗(yàn)斷面的結(jié)構(gòu)形式為帶鎮(zhèn)壓層斜坡斷面及單一斜坡堤，灌砌方式有3種，分別為滿灌、條灌及點(diǎn)灌，在護(hù)面開(kāi)孔率分別為0、11.8%、12.1%和12.4%[8]情況下分別模擬實(shí)驗(yàn)。

圖2 灌砌塊石護(hù)面海堤模型試驗(yàn)斷面圖

3 灌砌塊石護(hù)面板爬高試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 波坦對(duì)不規(guī)則波爬高的影響

Miche[9]根據(jù)正向入射的單向不規(guī)則波反射試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)波陡低于某一值時(shí)，波浪在斜坡上將發(fā)生完全反射而不破碎。假設(shè)斜坡坡角為α，則波浪只反射而不破碎的極限波陡δm=(H/L)max可由下式確定：

當(dāng)深水波陡δ0>δm時(shí)，波浪發(fā)生破碎；當(dāng)δ0≤δm時(shí)，不發(fā)生破碎。Miche還給出波浪不破碎時(shí)的爬高計(jì)算公式：

按照Miche理論可以認(rèn)為，當(dāng)m<1.25時(shí)，波浪不發(fā)生破碎。

試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度m≥1.5時(shí)，隨著波坦從小到大依次變化，堤前的波浪形態(tài)都經(jīng)歷了卷波-破碎立波的變化過(guò)程。

圖3-圖6為坡度較緩情況下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪的R0-L/H1%關(guān)系曲線。

圖3 灌砌塊石護(hù)面板帶鎮(zhèn)壓層爬高R2%/Hs隨波坦L/H1%的變化水深d=0.271 m

圖4 灌砌塊石護(hù)面板帶鎮(zhèn)壓層爬高R2%/Hs隨波坦L/H1%的變化水深d=0.194 m

圖5 灌砌塊石護(hù)面板單斜坡爬高R2%/Hs隨波坦L/H1%的變化水深d=0.271 m

圖6 光滑水泥護(hù)面板爬高R2%/Hs隨波坦L/H1%的變化水深d=0.271 m

由圖3-圖6可知，當(dāng)坡度m大于1.5時(shí)，隨著波坦由小到大變化，波坦較小時(shí)，R0隨L/H1%增大較快；當(dāng)波坦增大至某個(gè)值以后，R0隨L/H1%緩慢增大。這是由于當(dāng)波坦較小時(shí)，來(lái)波在斜坡上整體破碎，此時(shí)波浪為卷波波態(tài)；隨著波坦的增大，破碎程度逐漸減弱，爬高開(kāi)始加速增大。

隨著波坦逐漸增加，波浪破碎范圍逐漸縮小，部分波浪出現(xiàn)完全反射而不破碎的情況，來(lái)波波態(tài)為破碎立波，爬高開(kāi)始緩慢增大。

從能量的角度來(lái)看，當(dāng)波坦較小時(shí)，來(lái)波在斜坡上發(fā)生激烈破碎，波浪破碎消耗了大部分的波能。但是隨著波坦的增加，破碎程度逐漸減弱，因此波浪的紊動(dòng)損耗也就逐漸減少，轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的波能逐漸增大，故爬高加速增大。

隨著波坦逐漸增加，波浪破碎程度繼續(xù)減弱，紊動(dòng)損耗的能量也就繼續(xù)減少。但是波列中部分波浪開(kāi)始出現(xiàn)反射并逐漸增強(qiáng)，使得部分波能轉(zhuǎn)化為反射波能，因此爬高增大的速度變緩。

3.2 破波參數(shù)與爬高的關(guān)系

波浪爬高與波浪破碎和波浪反射密切相關(guān)。在較平坦的斜坡上，波浪將完全破碎而幾乎沒(méi)有反射；斜坡較陡時(shí)，波浪發(fā)生部分反射而破碎將有所減弱。斜面很陡和形成直墻時(shí)，波浪反射增強(qiáng)并出現(xiàn)完全反射而不破碎。一般情況下，波浪的破碎與反射是共存的，相互之間此消彼長(zhǎng)。

波浪破碎是由于波浪在發(fā)展和傳播過(guò)程中局部能量過(guò)大而使波浪運(yùn)動(dòng)難以繼續(xù)維持而發(fā)生的運(yùn)動(dòng)不再連續(xù)的現(xiàn)象。Michel指出在深水中波陡H/L達(dá)到0.142即出現(xiàn)破波；而后Michel推得在淺水區(qū)波陡H/L為0.142時(shí)發(fā)生破波，此即極限波陡準(zhǔn)則[12]。

當(dāng)波陡或者斜坡坡度分別從小到大變化時(shí)，堤前將出現(xiàn)崩破波-卷破波-激破波的波浪運(yùn)動(dòng)形態(tài)[13]。

崩破波：當(dāng)深水波陡較大，且底坡較平緩時(shí)將會(huì)出現(xiàn)這種形態(tài)的破碎。波峰開(kāi)始出現(xiàn)白色浪花，逐漸向波浪的前沿?cái)U(kuò)大而崩破的波型，波的前后比較對(duì)稱。

卷破波：當(dāng)深水波陡中等，且海底坡度較陡時(shí)將會(huì)出現(xiàn)這種破碎波。在斜坡上，前一個(gè)來(lái)波所產(chǎn)生的上爬水流回落較慢，部分水體剛剛回流到靜水面附近，后一個(gè)來(lái)波的前鋒面變?yōu)槎钢币灾恋咕恚w傾倒打擊斜坡面，破碎后部分水體又沿斜面爬升，這時(shí)為典型的卷波。波的前沿不斷變陡，最后波峰向前大量覆蓋，形成向前方飛濺破碎，并伴隨著空氣的卷入。

激破波：當(dāng)深水波陡較小，且海底坡度較陡時(shí)將會(huì)出現(xiàn)這種破碎波。波的前沿逐漸變陡，在行進(jìn)途中從下部開(kāi)始破碎，波浪前面大部分呈非常雜亂的狀態(tài)，并沿斜坡上爬，形同水躍。有些學(xué)者也稱之為破碎立波[14]。

表1 3種破波的出現(xiàn)條件

由于波浪爬高的變化過(guò)程相應(yīng)于堤前波浪從不破碎、局部破碎、直至激烈破碎時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化，因此波浪的破碎形態(tài)直接影響波浪的爬高。

圖7 相對(duì)爬高R2%/Hs隨破波參數(shù)ξ1%的變化

從圖7中可以看出，當(dāng)ξ1%>1.25時(shí)，灌砌塊石護(hù)面板帶鎮(zhèn)壓層結(jié)構(gòu)相對(duì)爬高隨破波參數(shù)呈緩慢增大趨勢(shì)。當(dāng)ξ1%>1.25時(shí)，受波浪破碎與波浪反射的共同影響，波浪在斜坡上為破碎立波波態(tài)，也就是激破波波態(tài)，爬高與破波參數(shù)之間是一種非線性的緩慢變化關(guān)系。

3.3 平臺(tái)對(duì)波浪爬高的影響

由圖8可以看出，平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)波浪爬高有較大影響，帶鎮(zhèn)壓層的結(jié)構(gòu)波浪爬高明顯小于單斜坡結(jié)構(gòu)的波浪爬高。因?yàn)椴ɡ说膹?qiáng)作用區(qū)在靜水位上下半倍波高范圍，當(dāng)平臺(tái)剛好位于這個(gè)區(qū)域時(shí)，受平臺(tái)影響，波浪破碎加劇，水體的劇烈紊動(dòng)損耗大量能量，轉(zhuǎn)化為勢(shì)能的能量迅速減少，波浪爬高明顯減小。當(dāng)平臺(tái)位于靜水位附近時(shí)，平臺(tái)寬度對(duì)波浪爬高的影響最明顯，隨著平臺(tái)上相對(duì)水深的增大或減小，平臺(tái)對(duì)波浪爬高的影響減小。

圖8 單斜坡和帶鎮(zhèn)壓層結(jié)構(gòu)相對(duì)爬高R2%/Hs隨破波參數(shù)ξ1%的變化

3.4 護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)

不同的護(hù)面結(jié)構(gòu)型對(duì)波浪爬高的影響很大，圖9為灌砌塊石護(hù)面與光滑平板護(hù)面波浪爬高之比。由圖9可以看出，灌砌塊石護(hù)面比光滑平板護(hù)面的爬高要小。這是因?yàn)樽o(hù)面糙率越大，滲透性越大，消浪效果越好。灌砌塊石護(hù)面爬高與光滑平板護(hù)面波浪爬高比值在0.6～0.85之間，平均值為0.75，與砌石護(hù)面糙滲系數(shù)一致。

圖9 灌砌塊石護(hù)面與光滑平板護(hù)面爬高比值

3.5 波浪爬高的計(jì)算方法

對(duì)本文爬高試驗(yàn)結(jié)果，采用目前已有的Van der Meer公式對(duì)爬高進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，見(jiàn)式(1)-式(9)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 爬高試驗(yàn)值與Van der Meer公式計(jì)算值的對(duì)比

由圖10可以看出，Van der Meer公式確定的爬高值與物理模型試驗(yàn)結(jié)果都比較接近，有較好的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1)波浪爬高主要受波高、波長(zhǎng)和坡度影響，當(dāng)坡度m>1.5及ξ1%>1.25時(shí)，相對(duì)爬高隨破波參數(shù)呈緩慢增大趨勢(shì)。

2)平臺(tái)可以加劇波浪破碎，有效消減波浪爬高。平臺(tái)位于靜水位上下半倍波高時(shí)，波浪在平臺(tái)上破碎，水體紊動(dòng)損耗動(dòng)能，波浪爬高減小。

3)不同的護(hù)面結(jié)構(gòu)型式對(duì)波浪爬高有影響。灌砌塊石護(hù)面糙率越大，滲透性越大，消浪效果越好，波浪爬高小。

4)物理模型試驗(yàn)結(jié)果與Van der Meer公式確定的爬高計(jì)算值相互接近，有較好的相關(guān)性，模型試驗(yàn)結(jié)果可靠。