斜坡式海堤擋浪墻穩定性試驗研究

李景輝，姚顥，張文忠，楊憲章，紀文利

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交通建設股份有限公司，北京 100088）

某斜坡式海堤的臨海一側，采用大塊石護面，其上下坡度相同，且中部設置戧臺的復式斷面。擋浪墻頂高程為4.7m。海堤內側是個占地非常大的溫泉旅游度假項目。由于臺風來襲時，大浪越過堤頂，沖毀了堤后路面，對海堤內側的旅游度假項目造成了一定程度的損壞，所以需對此海堤進行加固建設。本文選取海堤加固斷面進行波浪物理模型試驗。

1 試驗條件

本次模型試驗是在無反射造波機試驗水槽中進行。水槽的長、寬、高分別為68.0m、1.0m、1.6m。造波機系統由造波板、伺服電機、造波機控制器、計算機控制系統和數據采集、分析系統組成。無反射造波機系統可以模擬規則波和5種不同譜型以及雙峰譜和任意譜的不規則波。

模型按重力相似律及JTJ/T234—2001《波浪模型試驗規程》的有關規定進行模擬。模型試驗中選用的幾何比尺為1∶20[1]。采用不規則波進行試驗，波浪頻譜采用JONSWAP譜進行波浪模擬。

2 試驗依據

設計波浪要素見表1。

表1 海堤加固斷面波浪要素（50年一遇）

海堤原加固斷面為斜坡式海堤，擋浪墻頂高程為4.7 m，外坡上部采用600～900 kg塊石護面，下部護面塊石的重量為400～600 kg，外坡各段的坡度均為1∶3；護面戧臺的頂高程為0.5m，海堤原加固斷面結構形式見圖1。

3 試驗結果與分析

3.1 海堤原加固斷面穩定性試驗

海堤原加固斷面在極端高水位3.25m，重現期為50年一遇H13%=2.8m、=8.9 s的不規則波作用20min（原型）后，擋浪墻后傾失穩，失去防浪功能。大浪作用時，堤頂越浪嚴重，越浪水體對堤后回填陸域產生了強烈的沖刷作用，沖刷區內最大的沖刷深度約0.90m。

為增強海堤擋浪墻的穩定性，設計單位對海堤原加固斷面提出了兩種調整方案[2]：調整方案A：海堤海側結構不變，改變擋浪墻形式，加大擋浪墻重量，增加墻后被動土壓力；調整方案B：海堤擋浪墻不變，抬高海側護面肩臺高程。

由于大浪作用時，堤頂越浪嚴重，設計將海堤原加固斷面的擋浪墻頂高程由4.7m抬高至5.7m。從而降低海堤堤頂的越浪量，以確保海堤內側的溫泉旅游度假項目安全。

3.2 海堤加固斷面調整方案A穩定性試驗

海堤加固斷面調整方案A包括5個修改斷面，見表2。該方案是海堤外側的護面塊石及護底塊石的重量及結構尺度與原加固斷面相同的條件下（護面肩臺頂高程為2.55m），采用加大擋浪墻體積和增加擋浪墻后被動土壓力的方法，從而達到增強擋浪墻穩定性的目的。5個修改斷面的外坡結構形式均相同，外坡上部采用600～900 kg塊石護面，下部采用600～800 kg護面塊石，其各段的坡度均為1∶3；護面戧臺頂高程為0.50m，護面肩臺頂高程為2.55m。5個修改斷面的擋浪墻形式及其后方回填塊石量有所不同，在極端高水位3.25m及相應不規則波作用2.5 h（原型）后，調整方案A的5個修改斷面的擋浪墻穩定情況見表2。

表2 海堤加固斷面調整方案A穩定性試驗結果

由表2可知：

1）修改斷面1的擋浪墻上部結構為反彎弧鷹嘴形式，修改斷面2在修改斷面1的基礎上，將擋浪墻上部的反彎弧鷹嘴形式改為直墻。修改斷面2擋浪墻頂的越浪會稍大些，擋浪墻的后移量比修改斷面1小0.01m。

2）修改斷面4擋浪墻形式與修改斷面2相同，其區別是修改斷面4擋浪墻后回填塊石的重量和回填塊石體積范圍都增大了，導致修改斷面4墻后回填塊石使擋浪墻的被動土壓力增強，從而加強了擋浪墻的穩定性。

3）修改斷面3與修改斷面2相比，擋浪墻后臺加高了0.5m，且墻后回填塊石深度加深。由于擋浪墻的重量增大，墻后回填塊石對擋浪墻的被動土壓力也增強了，致使修改斷面3擋浪墻的后移量比斷面2稍小。

4）由于修改斷面1至4的擋浪墻的穩定性有所增強，但仍均處于失穩狀態。為確保擋浪墻的穩定性，需要大幅度地增加擋浪墻的重量和墻后回填塊石的寬度。

5）修改斷面5在修改斷面4的基礎上，將擋浪墻改為長方形，擋浪墻的自重增加較大，從而增強擋浪墻的穩定性。在極端高水位3.25m及相應不規則波作用下，擋浪墻處于穩定狀態[3]。

3.3 海堤加固斷面調整方案B穩定性試驗

海堤加固斷面調整方案B（修改斷面6）主要是通過抬高護面肩臺的頂高程（護面肩臺頂高程由原2.55m增高至4.2m），一則使部分大浪在塊石護面處破碎，波能消散，二則塊石護面對擋浪墻的掩護作用增強，從而減小了波浪水體對擋浪墻的作用力，提高了擋浪墻的穩定性。

修改斷面6的擋浪墻頂高程為5.70m，擋浪墻前護面肩臺頂高程為4.2m；外坡上部采用800～1000 kg塊石護面，下部護面塊石的重量為600～800 kg，外坡各段的坡度均為1∶3；護底塊石的重量為200～300 kg，擋浪墻后回填塊石的重量為100～200 kg，回填塊石寬度為2.7m。修改斷面6的結構形式見圖2。

在極端高水位3.25m，重現期為50年一遇H13%=2.8 m、=8.9 s的不規則波作用下，海堤加固修改斷面6的擋浪墻、600～800 kg護面塊石、200～300 kg護底塊石均穩定；800～1000 kg護面塊石頂高程4.2m肩臺處表層少數塊石隨波浪移動，個別塊石沿斜坡滾落；擋浪墻后100～200 kg回填塊石表層的部分塊石被沖刷后移。

大部分波浪越過堤頂，5.70m高程擋浪墻頂部最大越浪摻氣水體厚度約為2.2m，越浪水體最遠潑落至距海堤前沿線后7.8m左右處。實測堤頂越浪量為0.049m3/m·s[4]。

海堤加固斷面調整方案B抬高了護面戧臺及護面肩臺的高度，使部分大浪在塊石護面處破碎，減小了波浪對擋浪墻的作用力，增強擋浪墻的穩定性，也相應降低了海堤堤頂的越浪量，建議設計單位采用此結構斷面。

4 結語

本文通過海堤加固斷面模型試驗，驗證了各修改斷面的穩定性。對于加強此斜坡式海堤擋浪墻的穩定性，可采用如下方法。

1）通過改變擋浪墻的結構形式及外形尺度，增加擋浪墻的自重，達到增強擋浪墻穩定性的目的。

2）加大擋浪墻后回填塊石的深度及寬度，從而增強回填塊石對擋浪墻的被動土壓力，以增強擋浪墻的穩定性。

3）優化斜坡式海堤海側坡面的結構形式，抬高護面戧臺及肩臺的頂高程，使部分大浪在塊石護面處破碎，波能消散，從而減小波浪水體對擋浪墻的作用力。

4）擋浪墻上部加反彎弧鷹嘴，堤頂越浪量雖減少，但波浪對擋浪墻的作用力增強，擋浪墻的穩定性會降低。

[1] JTJ/T234—2001，波浪模型試驗規程[S].

[2] 謝世楞，刑復.海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1994.

[3] 楊憲章，李景輝.珠海市海泉灣二期發展項目海堤加固工程波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2011.

[4] 李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002.