基于波浪斷面物理模型試驗的大萬山島防波堤(潛堤)工程穩定性研究

楊志偉

(珠江水利委員會 珠江水利科學研究院，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建而成[1-5]，其主要作用是保護海岸線和港口設施，防止海浪侵蝕和水位上漲對海岸線和周圍區域造成的破壞[7-14]，因此，研究防波堤(潛堤)穩定性具有重要意義。為了改善大萬山島錦塘灣及周邊海域海洋生態環境，擬在大萬山島西北側的錦塘灣岸段進行沙灘修復工程，同時在離岸水域構筑水下潛堤，潛堤長約280 m，推薦堤頂面高程-1.0 m。為明確潛堤結構設計參數，有必要基于極端波浪動力條件對潛堤進行斷面物理模型試驗，驗證堤頂寬度、堤頂高程、加固體的穩定重量，并對斷面結構進行優化。因此，本文以珠海大萬山島防波堤(潛堤)工程為例，通過波浪斷面物理模型試驗，研究了工程防波堤斷面在相應設計水位及設計波浪動力作用下，護面塊體(扭王字塊或拋石塊體)、塊石墊層、護底塊石等各部位的穩定性，并測量潛堤結構前后的波浪動力要素，并提出了相應的加固措施，為大萬山島錦塘灣整治工程防波堤(潛堤)結構設計提供科學依據。

2 試驗設計參數及設備

2.1 試驗設計參數

本次試驗各設計水位如下：設計高水位為1.742 m；設計低水位為-0.72 m；極端高水位為 2.883 m，極端低水位為-1.725 m。本試驗采用的設計波浪要素由自然資源部第三海洋研究所2020年3月編制的《珠海市大萬山島重點海灣整治工程可行性研究報告(報批稿)》成果提供，并在中船第九設計研究院工程有限公司2020年7月編制的《珠海市大萬山島重點海灣整治工程初步設計》中使用。工程區域對潛堤影響的主要波向是S向～SW向，設計波要素見表1。試驗規程包括《波浪模型試驗規程》(JTJ/T234—2001)、《港口與航道設計水文規范》(JTS 145—2—2015)、《防波堤與護岸設計規范》(JTS 154—2018)、《海堤工程設計規范》(GBT 51015—2014)。

表1 錦塘灣口門處50 a一遇設計波要素

2.2 試驗設備

大萬山島錦塘灣潛堤工程波浪斷面物理模型水槽的長、寬、高分別為52 m、1.0 m、1.3 m；試驗儀器及材料包括造波機、電容式波高儀、動水壓力傳感器、電子稱(精確到0.01 g)、高清攝像機扭王字塊體、塊石、砂、土工布、水泥等。部分試驗儀器見圖1。

圖1 部分試驗儀器示意

3 模型設計及試驗方法

3.1 模型設計

模型試驗要求代表波浪更符合現場的實際情況，并盡可能減小比尺效應的影響，因此，選擇模型比尺要綜合考慮波浪水槽尺寸、斷面結構以及設計波浪要素、水位等因素。模型按重力相似準則及《波浪模型試驗規程》(JTJ/T 234—2001)的有關要求進行設計，根據試驗斷面結構尺寸、水深、波浪等多種要素及水槽尺度和造波機性能指標，確定本次斷面模型試驗采用正態模型，潛堤斷面結構幾何比尺為λ=24，滿足規范中關于斜坡式防波堤比尺≤40的要求，相應的其他物理量的模型比尺為：

長度比尺：λL=λ；時間比尺：λt=λ0.5；重量比尺：λW=λ3。

模型安放位置距造波機的距離為7倍平均波長之外，后方距消浪網的距離大于5倍平均波長。根據設計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，護面塊石、墊層塊石、護底塊石等均采用天然塊石。根據設計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，扭王字塊護面塊體的擺放遵循“隨即擺放、相鄰不同向”的規則，先鋪設堤心石，然后鋪設塊石墊層，護底塊石，最后鋪設扭王字塊或者護面塊石。為了便于觀測，試驗斷面所使用的塊體和塊石均涂有不同顏色。試驗中模型塊體的安放方法亦與現場相似，安放數量符合《防波堤與護岸設計規范》(JTS 154—2018)附錄C中的規定(最終制作的5個主要斷面物理模型見圖2)。試驗中還在防波堤前后布置了5個波高儀，分別用于測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1個波高儀(4#，在水槽中位于防波堤后1 m)，測量堤后波高，其中1#和2#測點為波浪率定點。

圖2 5個主要斷面物理模型示意

3.2 試驗方法

先采用不規則波進行斷面穩定性試驗，試驗前先用小波連續作用一段時間，然后再用率定的波要素進行試驗。采用目測和錄像的方法，觀測扭王字塊護面塊體或者塊石護面、護底塊石、塊石墊層等各部位的穩定性。每個水位條件下波浪持續作用時間不小于原型2 h，以便觀察潛堤斷面結構在波浪累積作用下的變化情況。采用不規則波進行透射波試驗，使用浪高儀進行波浪透射系數計算，其測定歷時控制在100～150個波，采集時間間隔為0.02 s，試驗重復3次，透射波取3次平均值。本次綜合考慮S和SW向設計波要素，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，給出以下試驗工況的結果：① 極端高水位(2.883 m)+50 a一遇最不利波浪條件；② 設計高水位(1.742 m)+50 a一遇最不利波浪條件；③ 設計低水位(-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。根據試驗結果提供優化試驗：當提供的試驗斷面不穩定時，應修改斷面，直至穩定為止；當提供的試驗斷面能夠滿足，應重新對斷面進行優化，給出優化方案的試驗成果。

3.3 波浪模擬

按照試驗技術要求，不規則波的頻譜采用JONSWAP譜進行模擬，其表達式為：

(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，取3.3。

不規則波率定試驗時一次采集波浪數據控制在200個波左右，試驗中波浪數據采集3次，并取其平均值做試驗結果的代表值，采集的時間間隔為0.02 s。斷面模型安放前，先率定所需的波浪要素。經過統計分析，給出該波浪時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，若產生的波浪要素不滿足要求，對上次的造波驅動信號進行修正，直至能夠得到符合要求的波浪。不同設計水位下斷面波浪譜型對比見圖3。

a 極端高水位

b 設計高水位

c 設計低水位

4 工程設計方案及試驗組次與優化

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

4.1 扭王字塊護面方案

1)堤頂高程

潛堤堤頂高程考慮0 m、-1 m、-2 m 3種情況，由于本工程區設計低水位(低潮累積頻率 90%)為-0.72 m，為美觀考慮，須使潛堤長期沒于水下，故潛堤頂面高程設計以-1.0 m為推薦方案(見圖4)。

圖4 扭王字塊護面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長度cm)

2)堤身斷面

防波堤的結構形式應根據當地自然條件、使用要求、材料來源和施工條件等因素，并結合當地的自然和人文特點，兼顧親水、生態或景觀要求等選定。結合地形、地質及水文條件，潛堤采用斜坡堤結構，利于波浪緩慢上爬，便于消浪。

潛堤結構為：堤心為10～100 kg塊石，坡腳設有60～100 kg護底塊石。內外側坡度1∶1.5。外側護面采用3.6 t扭王預制塊體。內側堤角采用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定性、防汛、管理和施工需求，且依據《防波堤與護岸設計規范》(JTS 154—2018)，堤頂寬度至少能并列安放兩排人工塊體，本次設計潛堤堤頂寬度取4.53 m。

4.2 拋石護面方案

拋石護面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設有200～300 kg護底塊石，內側坡度1∶1.5，外坡1∶2，內、外側均采用600～800 kg塊石護面，具體布置見圖5。

圖5 拋石護面潛堤典型斷面示意(單位：高程m，長度cm)

4.3 優化方案

在扭王字塊護面推薦方案(堤頂高程-1 m)試驗成果的基礎上，對斷面結構進行優化，共提出了2種優化方案。

1)優化方案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型的塊石，以穩定堤頂扭王字塊、降低其失穩概率(見圖6紅色方框區域)。

2)優化方案2

增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區域拋填扭王字塊，進而加大堤頂扭王字塊的穩定性，提出了優化方案2(見圖7)。

圖7 優化方案2示意(單位：高程m，長度cm)

5 試驗結果分析

本次試驗潛堤斷面共6個，包括扭王字塊護面方案3個(堤頂高程0 m、-1 m、-2 m)，拋石護面方案1個(堤頂高程-1 m)，優化方案2個(堤頂高程-1 m優化方案1、堤頂高程-1 m優化方案2)。下面根據試驗結果分別分析護面塊體或者護面塊石、塊石墊層、護底塊石等的穩定性，對于不穩定情況提出優化建議。針對斷面穩定方案，測量堤后透射波浪，并給出透射系數。

5.1 潛堤結構穩定性

首先對本次實驗中的潛堤結構穩定性進行分析，潛堤斷面模型堤心為10～100 kg塊石，坡腳設有60～100 kg護底塊石。外側護面采用3.6 t扭王預制塊體，內側堤角采用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一遇不規則波作用下(波浪作用時間為原型3 h)。對于扭王字塊方案(堤頂高程0 m)和扭王字塊方案(堤頂高程-1 m)各部位穩定性結果為：3.6 t扭王字塊護面塊體穩定性波浪作用相當于原型3 h后，堤頂附近的扭王字塊產生位移，并向背浪側滑落，按照《波浪模型試驗規程》(JTJ/T 234—2001)規定：單層隨機拋放的護面塊體，其位移后產生的縫隙寬度超過塊體最大幾何尺度一半時即失穩。所以本方案中扭王字塊不穩定。對于塊石墊層的穩定性，塊石墊層未出現晃動，部分大浪作用時出現個別滾動，表層小部分變形，整體未發生明顯變形。最后護底塊石(60～100 kg)表層有小部分晃動，晃動幅度較小，未出現明顯滾動變形。而對于扭王字塊方案(堤頂高程-2 m)，堤頂和堤身扭王字塊未出現位移和滑落情況，所以該工況下扭王字塊穩定。具體試驗結果如圖8所示。

圖8 潛堤結構穩定性試驗結果示意

5.2 拋石防護穩定性(堤頂高程-1 m)

拋石護面潛堤堤頂寬4 m，堤頂面高程為-1 m，堤心為100～150 kg塊石，坡腳設有200～300 kg護底塊石，內側坡度1∶1.5，外坡1∶2，內、外側均采用600～800 kg塊石護面，潛堤斷面在極端高水位+50 a一遇不規則波作用下(波浪作用時間為原型3 h)，各部位穩定性結果如下：拋石護面塊體穩定性波浪作用相當于原型3 h后，堤頂附近的拋石塊體出現較大滾動、位移，并出現顯著滑落，所以本方案中拋石護面塊體不穩定。對于護底塊石穩定性，護底塊石(200～300 kg)未出現較大晃動，整體未發生明顯變形。試驗結果見圖9。

圖9 拋石防護穩定性示意

5.3 兩種優化方案結果

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

圖10 兩種優化方案結果示意

6 波浪透射試驗結果

對于潛堤工程，除了考慮結構穩定性外，還需考慮其對波浪的削減效果。透射波大小會影響到堤后方沙灘修復的效果，因此試驗中采用浪高儀對入射波和透射波進行了測量。

6.1 不同頂高程方案

頂高程不同對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。對試驗成果進行統計，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，可見隨著堤頂高程的增加透射波高呈減小趨勢。

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)

按照試驗技術要求，潛堤影響下的波浪透射率(Tt)采用下式計算：

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 優化方案

根據潛堤結構穩定性試驗，已基本確定優化方案2為推薦方案，故本節主要展示該方案下的波浪傳播結果。

不同工況下潛堤前后波面變化結果見圖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。對試驗成果進行統計，極端高水位、設計高水位、設計低水位、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一遇不規則波)

圖15 潛堤前后波面變化示意(設計高水位+50 a一遇不規則波)

圖16 潛堤前后波面變化示意(設計低水位+50 a一遇不規則波)

圖17 潛堤前后波面變化示意(極端低水位+50 a一遇不規則波)

潛堤建成后，極端高水位、設計高水位、設計低水位、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結構寬度略大于初始方案，因此波浪透射率略有減小。

7 結語

通過對大萬山島錦塘灣防波堤(潛堤)工程波浪斷面物理模型進行試驗研究，驗證了潛堤扭王字塊護面塊體、護面塊石、護底塊石等的穩定性，同時測量堤后透射波高。試驗結果表明，3個扭王字塊護面方案均出現失穩，失穩位置主要出現在堤頂位置；拋石護面方案失穩，迎浪面、背浪面以及堤頂3個位置均出現失穩。此外，在扭王字塊方案的基礎上，兩種優化方案。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型的塊石，但仍失穩。進一步提出增加拋石堤身寬度，并在背水坡近堤頂區域拋填扭王字塊。結果表明不同波況下堤頂扭王字塊穩定良好，但個別工況背水面扭王字塊仍有失穩現象，同樣在背水坡扭王字塊和塊石墊層之間拋填塊石，不同極端波況下優化方案2穩定性良好。此外，設計低水位和極端低水位時，護底塊石存在晃動、滾動情況，建議增加護底塊石重量。