平臺式消浪結(jié)構(gòu)試驗研究及工程應(yīng)用

夏運強，柳玉良

（海軍研究院海防工程設(shè)計研究所，北京 100070)

引言

青島燕兒島護(hù)岸工程，毗鄰奧帆基地，南向黃海，為青島市前海區(qū)的黃金岸線，護(hù)岸主要功能是防護(hù)后方的住宅區(qū)免受潮水和海浪侵襲，且有沿海觀景通行功能。該工程 1999年施工完成。2000年8月31日“派比安”臺風(fēng)期間，護(hù)岸局部特殊區(qū)域發(fā)生大量越浪過水情況，欄桿和鑲面石被損壞，對后方住宅區(qū)和道路通行產(chǎn)生威脅。

針對上述問題，設(shè)計研究單位進(jìn)行了試驗研究[1]，提出了基于大平臺消浪結(jié)構(gòu)的修復(fù)方案，施工后，十多年來的使用情況表明，該修復(fù)方案達(dá)到了預(yù)期效果。本文對此進(jìn)行總結(jié)，旨在對同類工程提供參考和借鑒。

1 設(shè)計方案

原設(shè)計護(hù)岸軸線基本按照自然岸線布置，發(fā)生過水區(qū)域護(hù)岸軸線向海呈凹角（圖1），半徑70 m，圓心角 47o，長度 125 m，水深相對較大（-1.5～-0.8 m），且外海無礁石掩護(hù)，外海波浪直接入射。此段斷面主體采用帶窄平臺的漿砌塊石直立結(jié)構(gòu)（圖2），護(hù)岸頂高程取7.8 m，平臺高程定為5.0 m，寬度在5.0 m左右，主要滿足游人親水性要求，其次考慮一定的消浪作用。試驗水位采用極端高水位5.36 m（大港零點），堤前采用極限波高5 m，波周期10 s、12 s，按淺水波長計算公式，該水位下-1.0 m水深處對應(yīng)波長分別為76 m和92 m。

派比安臺風(fēng)期間護(hù)岸局部破壞的主要原因是前述護(hù)岸軸線向海側(cè)呈凹角，外海東南向涌浪長驅(qū)直入，在此發(fā)生波能集中，造成海水壅高和越浪過水現(xiàn)象。現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范[2]明確規(guī)定：“防波堤（護(hù)岸）軸線的線形，宜采用直線、向海方向的平順凸曲線或折線。必須布置成向海方向的凹曲線或折線時，應(yīng)作必要論證，并宜減小轉(zhuǎn)折角度。”對此，修復(fù)方案在平面布置上對擬建消浪平臺外邊線進(jìn)行了處理，采取向外凸角形式（圖1），有利于消浪。在斷面設(shè)計上，修復(fù)方案擬采用前方設(shè)置消浪平臺和后方圍擋兩項措施（圖 2），前方通過調(diào)整護(hù)岸平臺寬度B和高程C，使波浪提前破碎消耗能量，達(dá)到減少堤頂越浪的目的；后方做擋墻，根據(jù)后方使用要求頂高程定為9.15 m，且通過調(diào)整擋墻距離道路邊緣線距離A再一次消耗波能，減少過水量。經(jīng)查新，護(hù)岸或海堤迎浪面采用平臺或臺階[3-6]進(jìn)行消浪是一種比較有效的方式，但多數(shù)研究針對斜坡式堤。現(xiàn)行規(guī)范[7]未對帶消浪平臺的直立堤設(shè)計參數(shù)做出規(guī)定，但對帶肩臺的斜坡堤設(shè)計規(guī)定如下：“對減少波浪爬高而設(shè)置肩臺的斜坡堤，肩臺的位置宜設(shè)在設(shè)計高水位上、下0.5倍設(shè)計波高范圍以內(nèi)，寬度宜為0.5～2.0倍設(shè)計波高。”這里的肩臺即為消浪平臺，斜坡堤和直立堤對波浪反射程度不同，造成的爬高或越浪會有差異。直立堤消浪平臺的設(shè)置可以參考斜坡堤對肩臺的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行初步設(shè)計，通過物理模型試驗進(jìn)行驗證和優(yōu)化。

圖1 護(hù)岸平面布置（局部越浪破壞段）

圖2 護(hù)岸斷面（含修復(fù)方案）

2 模型試驗驗證優(yōu)化

2.1 試驗?zāi)康暮头桨?/h3>

擬通過模型試驗對修復(fù)方案初始斷面進(jìn)行驗證和優(yōu)化，重點對消浪平臺寬度、高程和后方擋墻距離進(jìn)行論證比較，以保證 9.15 m擋墻不越浪為原則確定合理設(shè)計參數(shù)。

修復(fù)方案初始斷面中，A取0 m和7 m兩種情況，B取0 m、10 m、15 m和20 m四種情況，C取4.0 m和5.0 m兩種情況，三者進(jìn)行部分組合共6個斷面，其中A=0、B=0組合為原設(shè)計方案。

2.2 試驗準(zhǔn)備

試驗研究采用波浪斷面物理模型試驗手段，按照《波浪模型試驗規(guī)程》[8]要求進(jìn)行試驗。采用的試驗水槽長50.0 m、寬1.2 m、深1.2 m，一端安裝低慣性直流式電機(jī)不規(guī)則造波機(jī)，另一端設(shè)置為消能設(shè)施，其波浪反射率小于 10 %。波浪參數(shù)測試采用成熟可靠的DS-30波浪測量系統(tǒng)。模型比尺定為 1:30，按重力相似準(zhǔn)則模型設(shè)計和參數(shù)換算。

試驗工況見表1，為便于比較方案的優(yōu)劣程度，試驗增加了H1%=4.0 m工況。試驗采用單向不規(guī)則波，譜型模擬采用JONSWAP譜，考慮涌浪作用，譜峰升高因子γ=7，試驗中不規(guī)則波連續(xù)作用的有效波數(shù)不少于100個。

表1 試驗工況

2.3 試驗結(jié)果和討論

對包括原設(shè)計方案在內(nèi)共6個斷面方案分別進(jìn)行不同波浪工況的測試，主要觀察護(hù)岸頂部越浪和后方擋墻過水情況。原設(shè)計方案在最小波浪工況下，外海的波浪傳到堤前，與護(hù)岸反射波浪相互疊加，在靠近堤前處幾乎達(dá)到了極限波高，處于臨界破碎狀態(tài)。由于波浪為近破波，對護(hù)岸上部結(jié)構(gòu)打擊大，并且造成堤頂越浪嚴(yán)重，后方擋墻過水量也很大。其他方案各工況現(xiàn)象和結(jié)果見表2。

表2 各斷面方案試驗現(xiàn)象及結(jié)果

由上述試驗結(jié)果可見，消浪平臺總寬度取20～25 m（含原設(shè)計方案5 m）時，后方擋墻基本不過水。此時，平臺總寬度與波長比值1/3.8～1/4.6，平均在1/4左右，即平臺寬度約為波長1/4。另外，消浪平臺高程接近設(shè)計水位時，消浪效果較好。

需要說明，對本文研究的問題，適宜采用局部整體物理模型試驗手段進(jìn)行試驗研究，主要考慮成本等原因，采用了斷面物理模型試驗手段，這與實際情況有些差異。在最終設(shè)計方案確定時，適當(dāng)考慮了這一差異，保證修復(fù)方案的可靠性。

3 工程實施方案及實際使用效果

綜合考慮試驗結(jié)果和工程實際情況，最終確定修復(fù)方案見圖1，斷面參數(shù)采用A=7 m，B=20 m（隨軸線變化），C=5.0 m，加寬部分總長為97 m，其中AB段為7 m，BC段為80 m，CD段為10 m。為保證護(hù)岸越過的水體能回流順暢，原設(shè)計護(hù)岸頂部40 cm高胸墻采用下部開孔方式，另外道路兩側(cè)設(shè)置排水溝等輔助措施。該處地基為巖基，原設(shè)計中采用的結(jié)構(gòu)形式實踐證明穩(wěn)定性良好，適合該處地形情況，因此消浪平臺設(shè)計繼續(xù)采用這樣的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為麻袋混凝土，整平后現(xiàn)澆毛石混凝土，在此基礎(chǔ)上設(shè)置頂寬 2 m的漿砌墻，后方回填碎石。為了美觀和整體效果，頂面和側(cè)面均采用漿砌塊石鑲面。修復(fù)后現(xiàn)場情況見圖3。修復(fù)后該護(hù)岸經(jīng)歷過“麥莎”（2005年）、“米雷”和“梅花”（2011年）等臺風(fēng)考驗，均能正常發(fā)揮功用，狀態(tài)良好。

圖3 施工后護(hù)岸照片

4 結(jié)語

通過解決燕兒島護(hù)岸越浪破壞問題，提出了消浪平臺等修復(fù)措施，并開展了試驗研究，最終修復(fù)方案付諸實施，效果理想。試驗研究結(jié)論如下：

1）原護(hù)岸軸線向海呈凹角布置，且弧度過小，外海無掩護(hù)，造成臺風(fēng)期高水位大波浪波能集中，是本區(qū)段護(hù)岸越浪破壞的主要原因；規(guī)劃部門岸線布置應(yīng)遵循水工工程設(shè)計的基本原則，避免類似問題發(fā)生。

2）采用消浪平臺是比較理想的解決問題方案，對消浪平臺的具體參數(shù)進(jìn)行了試驗確定；試驗表明，消浪平臺高程在高水位附近，寬度取 1/4波長時，會達(dá)到比較理想的消浪效果。

現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范未對帶消浪平臺的直立式護(hù)岸有關(guān)設(shè)計參數(shù)作出規(guī)定，本研究對此進(jìn)行了初探，成果可以為類似工程提供參考和借鑒。