某跨海大橋人工島越浪及防洪排澇能力驗證

劉志遠，佟德勝

（1.中信緬甸（香港）控股有限公司，北京 100004；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

0 引言

隨著近年來極端惡劣天氣出現(xiàn)頻率的增加，跨海大橋人工島在設(shè)計使用期內(nèi)很有可能遭遇比初始設(shè)計工況更為惡劣自然環(huán)境的考驗，因此需要重視極端工況條件下的越浪量控制[1]。為保證國家重點工程某跨海大橋在更惡劣工況下的安全性和可靠度，配合跨海大橋人工島防洪排澇設(shè)施的設(shè)計和施工，需開展系列波浪物理模型試驗研究工作。

針對海上人工島的越浪、防洪排澇設(shè)施的試驗驗證研究在國內(nèi)尚屬首次，國外亦無成熟案例可供借鑒，以往均為研究如何通過優(yōu)化設(shè)計來提高海岸結(jié)構(gòu)在極端氣象條件下的抗災(zāi)能力[2-3]。本研究采用波浪整體試驗與斷面試驗相結(jié)合的方法，分析測定人工島南側(cè)護岸堤頂越浪情況，并對整體試驗和斷面試驗的結(jié)果進行了對比分析，使得試驗結(jié)果更有說服力。同時，考慮到本人工島為橋隧轉(zhuǎn)換人工島，人工島防浪排洪設(shè)施的設(shè)置及隧道防水施工水平對防止隧道在運營期遭遇更極端氣象條件時不被淹沒起著至關(guān)重要的作用[4]，根據(jù)設(shè)計給定的假定更惡劣工況研究了人工島擋浪墻上水厚度、越浪量、漫灘情況，復(fù)核排水設(shè)施的排水能力，并驗證設(shè)計提出的各種應(yīng)對措施的效能，優(yōu)化設(shè)計方案以滿足更極端條件下的排水要求，為工程設(shè)計提供科學(xué)的試驗依據(jù)。

1 研究背景

1.1 研究目的

通過波浪整體和斷面物理模型試驗，研究初始設(shè)計工況以及假定更惡劣工況下人工島擋浪墻上水厚度、越浪量及漫灘情況，對排水設(shè)施的排水能力進行復(fù)核，并驗證設(shè)計提出的各種應(yīng)對措施的效能，為人工島工程越浪、防洪排澇工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，為工程安全實施保駕護航。

1.2 研究內(nèi)容

針對人工島越浪、防洪排澇能力研究擬開展波浪整體及斷面物理模型試驗。

波浪整體物理模型試驗研究內(nèi)容包括：

1） 研究人工島南、北側(cè)護岸在初始設(shè)計工況和復(fù)核工況下的上水情況、越浪量以及漫灘情況；

2） 復(fù)核越浪排水設(shè)施（含排水溝、重力流排水口及越浪泵房等）排水能力，對人工島環(huán)島排水明溝的平面位置、斷面尺寸以及局部越過排水明溝海水阻擋設(shè)施的設(shè)置情況給出合理化建議，并對排水管和越浪泵房設(shè)置位置、排水能力提出合理化建議。

波浪斷面物理模型試驗研究內(nèi)容包括：

1） 在相關(guān)試驗水位和波浪的組合作用下，驗證護岸斷面的擋浪墻、護面塊體及護底塊石的穩(wěn)定性；

2） 測定護岸堤頂越浪水舌厚度及越浪量，研究高程3.0 m 處不同戧臺寬度對堤頂越浪量的影響，著重進行越浪的對比分析。

2 研究方法及過程

2.1 研究方法

采用波浪整體和斷面物理模型試驗相結(jié)合的方法，通過初始設(shè)計工況和假定更惡劣工況下的波浪物理模型試驗，研究人工島越浪及漫灘情況，以便驗證設(shè)計方案中防浪排洪設(shè)施的設(shè)置是否滿足招標(biāo)文件的要求，并驗證設(shè)計提出的各種應(yīng)對措施的效能。

波浪整體試驗中將海工模型和水工模型相結(jié)合，在選取試驗比尺時，綜合進行考慮。試驗?zāi)M時同時滿足交通運輸部JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[5]以及水利部SL 155—2012《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》[6]的相關(guān)規(guī)定要求。試驗采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則進行模型設(shè)計。綜合考慮試驗室的具體條件和建筑物結(jié)構(gòu)的尺度、模型應(yīng)包括的范圍、波浪要素與試驗儀器測量精度以及糙率等因素，確定本次波浪整體物理模型試驗采用的幾何比尺為λ=40，本次波浪斷面物理模型試驗采用的幾何比尺為λ=30。相應(yīng)的物理量比尺為：

幾何比尺：λL=λ

重量比尺：λw=λ3

時間比尺：λt=λ1/2

流量比尺：λq=λ5/2

越浪量比尺：λQ=λ3/2

糙率系數(shù)比尺：λn=λ1/6

波浪整體試驗中，人工島護岸模型的尺寸和高程均按設(shè)計圖紙進行模擬制作；環(huán)島排水明溝采用灰塑料板進行模擬，重力流排水管采用PVC塑料管進行模擬，排水明溝和重力流排水管屬于水工模型，依據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，控制局部模型高程、寬度和內(nèi)徑的誤差小于0.3 mm，長度誤差小于5 mm。另外，糙率的模擬是本次試驗中一項重要的模擬，試驗中越浪水體產(chǎn)生的漫灘范圍與環(huán)島排水明溝以及人工島陸域綠化帶的糙率值關(guān)系很大，因此試驗中應(yīng)對排水明溝和人工島陸域綠化帶的糙率進行模擬。

為及時排出極端情況下越過人工島護岸頂面的越浪水體，西人工島共設(shè)置4 座越浪泵房，4座越浪泵房分別與排水明溝相連，排水明溝內(nèi)的越浪水體會流入越浪泵房之中，泵房水池部分的頂高程5.0 m，底高程0.0 m。泵房內(nèi)設(shè)置水位自動顯示及控制（高、低水位），控制分別自動啟停泵。試驗中越浪泵房的內(nèi)部按照其斷面結(jié)構(gòu)型式進行模擬，模擬出其內(nèi)部尺寸。越浪泵房中泵的抽水流量值要按不同泵房水池內(nèi)部水位相應(yīng)的設(shè)計流量值進行模擬，模型試驗中以截門控制抽水量，保證抽水量與設(shè)計提供的抽水流量原型值相似。

整體試驗中最終成型后的人工島南側(cè)護岸模型見圖1。

圖1 人工島南側(cè)護岸模型（護岸初始頂高程8.0 m）Fig.1 Model of the south revetment of the artificial island(the initial elevation of the revetment is 8.0 m)

2.2 儀器設(shè)備

波浪整體試驗在國內(nèi)某大型水池中進行，水池中裝備有從丹麥水工研究所（DHI）引進的平面不規(guī)則波造波機。可移動式造波機系統(tǒng)技術(shù)先進、性能可靠、運行穩(wěn)定、移動方便，可按要求模擬規(guī)則波和各種譜型的不規(guī)則波。

斷面試驗在國內(nèi)某大型不規(guī)則波試驗水槽中進行，水槽中裝備有日本三井造船株式會社制造的大型不規(guī)則波造波機。該系統(tǒng)由液壓驅(qū)動裝置、控制臺及計算機構(gòu)成，可根據(jù)試驗要求產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型不規(guī)則波。自造波機推波板前36 m處開始，水槽沿縱向分為1 m、2 m、1 m 寬的3條窄水槽。造波機前設(shè)有濾波器，水槽尾部設(shè)有1∶15 的消波斜坡。

3 成果及分析

3.1 波浪整體物理模型

3.1.1依據(jù)的設(shè)計資料

人工島南側(cè)護岸原泥面標(biāo)高為-8.0 m，護岸擋浪墻的初始設(shè)計頂高程為8.0 m，采用雙層5 t扭工字塊體護面，護面塊體頂高為8.0 m，高程3.0 m 戧臺初始設(shè)計寬度為12.0 m。人工島北側(cè)護岸原泥面標(biāo)高為-8.0 m，護岸擋浪墻的初始設(shè)計頂高程為6.5 m，采用雙層5 t 扭工字塊體護面，護面塊體頂高程為6.5 m，高程3.0 m 戧臺寬度為8.0 m。

研究中所采用波浪要素由設(shè)計單位提供。表1 和表2 分別為南護岸與北護岸在初始設(shè)計工況下的波浪要素。考慮到應(yīng)對極端惡劣水文條件的出現(xiàn)，為提高工程安全度，經(jīng)設(shè)計確認提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)并增加補充復(fù)核工況下的試驗，補充復(fù)核工況條件下的波浪要素見表3 和表4。表中H1%、H13%分別為累計頻率1%、13%的統(tǒng)計波高，T為波浪的平均周期。

表1 人工島南側(cè)護岸初始設(shè)計工況試驗波浪要素Table 1 Wave elements at south revetment of the artificial island

表2 人工島北側(cè)護岸初始設(shè)計工況試驗波浪要素Table 2 Wave elements at north revetment of the artificial island

表3 人工島南側(cè)護岸補充復(fù)核工況試驗波浪要素Table 3 Supplementary check test wave elements at south revetment of the artificial island

表4 人工島北側(cè)護岸補充復(fù)核工況試驗波浪要素Table 4 Supplementary check test wave elements at north revetment of the artificial island

3.1.2研究結(jié)果

1） 南側(cè)護岸研究結(jié)果

在不同水位、波浪的組合工況下，分別測定各分段的擋浪墻頂面單寬平均越浪量、最大上水高度以及排水明溝后方的漫灘范圍。

人工島南側(cè)護岸擋浪墻頂高程8.0 m、戧臺寬度12.0 m 的原設(shè)計方案在初始設(shè)計工況（300 a 一遇高水位、300 a 一遇波浪和100 a 一遇高水位、100 a 一遇波浪）條件下滿足越浪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，寬度2.0 m 的排水明溝滿足及時排水要求。

考慮應(yīng)對項目所在地頻頻出現(xiàn)的超強臺風(fēng)，為提高工程安全度，經(jīng)設(shè)計單位確認提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)并分別對南護岸和北護岸增加補充復(fù)核工況一以及補充復(fù)核工況二條件下的驗證試驗，為更極端氣象條件下人工島防越浪及防洪措施的設(shè)計提供參考依據(jù)。同時，在排水明溝寬度保持2.0 m的基礎(chǔ)上為阻擋漫灘水體進入人工島隧道U 槽內(nèi)，于人工島隧道U 槽前增設(shè)頂高程6.0 m 的擋坎，并在南側(cè)護岸以及北側(cè)護岸不同擋浪墻頂高程條件下，按照補充復(fù)核工況一和補充復(fù)核工況二進行歷時2.5 h（原型）的試驗，研究人工島面的漫灘水體能否越過所設(shè)擋坎進入隧道U 槽，以及U 槽內(nèi)的漫灘水體厚度。人工島面設(shè)置擋坎位置見圖2，圖中黑色粗線為所設(shè)置擋坎位置。

圖2 人工島島面設(shè)置擋坎位置（擋坎頂高程6.0 m）Fig.2 Setting of block position on artificial islands（the elevation of the block top is 6.0 m）

在更極端的補充復(fù)核工況條件下，人工島南側(cè)護岸擋浪墻頂高程8.0 m、戧臺寬度12.0 m 的原設(shè)計方案不能滿足越浪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，寬度2.0 m的排水明溝不滿足及時排水要求，繼而需要在后續(xù)試驗中采取優(yōu)化措施即通過抬高擋浪墻頂高程、增加戧臺寬度以及在人工島頂面設(shè)置擋坎等方式來控制護岸頂部越浪以及人工島漫灘情況，以滿足越浪排洪的要求。

優(yōu)化南側(cè)護岸結(jié)構(gòu)設(shè)計后，通過分析補充復(fù)核工況一條件下的波浪整體物理模型試驗結(jié)果可見，在相同擋浪墻頂高程前提下，隨著戧臺寬度的增加，戧臺消浪效果更理想，南側(cè)護岸越浪量有所減小；在相同戧臺寬度前提下，隨著擋浪墻頂高程的抬高，南側(cè)護岸越浪量有所減小。

補充復(fù)核工況一時（水位4.12 m，波浪要素H13%=4.82 m，=11.5 s），在人工島南側(cè)護岸不同擋浪墻頂高程和高程3.0 m 戧臺寬度組合條件下，波浪整體物理模型試驗以及波浪斷面物理模型試驗中的越浪結(jié)果見表3。波浪整體和波浪斷面物理模型試驗結(jié)果表明：南側(cè)護岸擋浪墻頂高程8.5 m條件下，隨著戧臺寬度的增加，擋浪墻頂部越浪程度有所減弱，越浪量有所減小。歸納南側(cè)護岸越浪試驗結(jié)果見表5。

表5 南側(cè)護岸越浪試驗結(jié)果匯總表Table 5 Summary table of south revetment overtopping wave test results

總結(jié)以上不同結(jié)構(gòu)形式以及工況條件（初始設(shè)計工況和補充復(fù)核工況）下南側(cè)護岸越浪排水情況和漫灘范圍測定試驗的結(jié)果，歸納南側(cè)護岸的排水和漫灘情況見表6。

表6 南側(cè)護岸排水和漫灘情況匯總表Table 6 Summary of south revetment drainage and flood plain conditions

2） 北側(cè)護岸試驗結(jié)果

通過不同結(jié)構(gòu)型式以及工況條件下的北側(cè)護岸試驗結(jié)果，歸納北側(cè)護岸的越浪、排水及漫灘情況見表7。

表7 北側(cè)護岸越浪、排水及漫灘情況匯總表Table 7 Summary of north revetment overtopping,drainage and floodplain conditions

3.2 波浪斷面物理模型試驗

3.2.1試驗依據(jù)的資料

試驗共包括4 個斷面，分別為人工島南側(cè)護岸斷面、人工島南側(cè)護岸對比斷面一、人工島南側(cè)護岸對比斷面二和人工島南側(cè)護岸修改斷面。人工島南側(cè)護岸斷面的結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示（擋浪墻頂高程8.5 m，高程3.0 m 戧臺寬度為12.0 m）。人工島南側(cè)護岸修改斷面的結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示（擋浪墻頂高程9.5 m，高程3.0 m 戧臺寬度為12.0 m）。

圖3 人工島南側(cè)護岸斷面Fig.3 Cross section of south revetment of the artificial island

圖4 人工島南側(cè)護岸修改斷面Fig.4 Modified cross section of south revetment of the artificial island

3.2.2主要試驗結(jié)果

1） 在補充復(fù)核工況一的水位及波浪作用下，人工島南側(cè)護岸初始斷面、對比斷面以及修改斷面各部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過堤頂越浪情況的觀測和對比，確定最終方案選取修改斷面的方案。

2） 補充復(fù)核工況一及相應(yīng)波浪作用下，擋浪墻頂高程9.5 m、高程3.0 m 戧臺寬度為12.0 m 的南側(cè)護岸修改斷面護岸頂部的單寬平均越浪量為7.05×10-3m3/（m·s），滿足設(shè)計控制要求。

3.3 成果總結(jié)

人工島南側(cè)護岸原結(jié)構(gòu)設(shè)計型式在初始設(shè)計工況條件下滿足越浪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，寬度2.0 m 的排水明溝滿足及時排水要求。考慮到極端惡劣水文條件的出現(xiàn)，為提高工程安全度，設(shè)計單位提出提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)并增加補充復(fù)核工況下的試驗，為更極端氣象條件下人工島防越浪及防洪措施的設(shè)計提供參考依據(jù)。研究結(jié)果表明，南護岸原設(shè)計方案在補充復(fù)核工況條件下的越浪和排水情況不滿足設(shè)計要求，繼而在試驗中通過抬高擋浪墻頂高程、增加戧臺寬度以及在人工島頂面設(shè)置擋坎等方式來對原設(shè)計方案進行優(yōu)化，以控制越浪和漫灘情況。北側(cè)護岸擋浪墻頂高程6.5 m 的原結(jié)構(gòu)設(shè)計形式滿足初始設(shè)計工況和補充復(fù)核工況一條件下的排水及漫灘要求。

相關(guān)試驗研究成果通過了交通運輸部領(lǐng)導(dǎo)和全國知名港口方面專家審查。針對試驗結(jié)果，設(shè)計單位優(yōu)化了人工島南、北側(cè)護岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最終將人工島南側(cè)護岸斷面擋浪墻頂標(biāo)高調(diào)整至9.5 m，戧臺寬度維持12.0 m 不變。

4 成果應(yīng)用及效果

本跨海大橋及人工島工程在建設(shè)期和建成通車運營后經(jīng)歷了多次強臺風(fēng)侵襲，包括臺風(fēng)“天鴿”、“帕卡”“山竹”、“百里嘉”、“卡努”、“蘇拉”等。

2017 年8 月，風(fēng)力16 級的超強臺風(fēng)“天鴿”和“帕卡”在3 d 內(nèi)強勢經(jīng)過，為53 a 來最強臺風(fēng)，本工程人工島幾乎位于臺風(fēng)中心眼上，雖飽受風(fēng)吹浪擊，但在超強臺風(fēng)之下穩(wěn)固屹立，主體結(jié)構(gòu)、人工島上建筑玻璃幕墻、大部分機械設(shè)備都經(jīng)受住了超強臺風(fēng)的考驗。2018 年9 月，臺風(fēng)“山竹”正面直擊，大橋上實測最高風(fēng)速超過55 m/s，然而在強臺風(fēng)過后，大橋主體結(jié)構(gòu)、人工島上房建及收費站結(jié)構(gòu)、交通工程附屬設(shè)施均未受損，人工島上建筑玻璃幕墻沒有破裂。另外，本工程于近期2023 年9 月初經(jīng)受住了9 號臺風(fēng)“蘇拉”的影響。

提高護岸標(biāo)準(zhǔn)對確保沿海基礎(chǔ)設(shè)施在臺風(fēng)等極端氣象條件下的抗災(zāi)安全性至關(guān)重要[7]。2017年以來的數(shù)次強臺風(fēng)考驗下，本項國家重點工程的設(shè)施沒有受到任何破壞，島面四周的排水明溝使得越浪水體能夠及時排出。本次研究成果為應(yīng)對更極端氣象條件下人工島防越浪及防洪措施提供參考依據(jù)，起到有效解決實際工程問題的作用。

5 結(jié)語

本次研究成果成功應(yīng)用到了本工程實踐，并產(chǎn)生了重大實際應(yīng)用意義，在近幾年數(shù)次大型臺風(fēng)侵襲下，本工程未發(fā)生任何破壞，避免了人員傷亡和經(jīng)濟損失。研究成果不僅解決工程實際問題，也為我國今后建設(shè)人工島抵御更極端自然環(huán)境的考驗、滿足設(shè)計使用期內(nèi)對于人工島防洪排澇及排水構(gòu)筑物排水能力的要求提供寶貴的科學(xué)試驗數(shù)據(jù)和參考依據(jù)，保障人工島的安全運營和有效管理。