深中通道西人工島島形對護面塊體穩定性和堤頂越浪的影響*

戈龍仔,蔡翠蘇,胡 鵬,劉海源

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

1 概述

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機場互通立交，與深圳側連接線對接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區馬鞍島上岸，終于橫門互通，全長24 km。項目西人工島原泥面高程為-15～-12 m，島形采用了分水效果較好的菱形，形似中國傳統的風箏，人工島島壁軸線東、西方向長625 m，南、北方向寬430 m，陸域高程為4.9 m，北側布置救援碼頭，碼頭長度為65 m，設計采用直立沉箱結構。為便于描述，將西人工島各岸線按逆時針分為5條，分別為AB、BC、CD、DE、EA，具體工程平面布置見圖1。人工島島壁的斷面結構采用臺階+扭王字塊的組合方案，堤頂高程為9.0 m，結構斷面見圖2。考慮到西人工島凹凸多變的特殊島形，尤其直接面對珠江口且易受強浪作用的外側AB段島壁，軸線為內凹后直接銜接轉角BC段和AE段，與傳統設計的建筑物和規范規定“軸線夾角應向外側拐，且夾角大于150°以上”的要求存在較大的差異，另外根據現場關于勾連護面塊體施工經驗判定，這種凸凹多變的島壁形狀，將大大減弱護面勾連咬合的性能。因此針對這種復雜水工結構建筑物，面對珠江口傳入強浪向(SE向)斜向入射作用，按照規范公式進行塊體穩定性和堤頂越浪量計算，由于入射波浪在特殊島形后將產生波能集中、波浪破碎產生波流疊加作用，以及轉角區漩渦等復雜波態，很難準確計算出塊體的穩定質量，經以往研究成果驗證后均發生失穩，表明針對復雜條件下計算的結果偏小。姜云鵬等[1]提出，特殊防波堤形態條件下，波浪破碎使局部沖擊能量增加，從而使設計質量塊體失穩，以及拐角處扭王字塊護面塊體受波浪側向力作用比正向偏于危險。夏運強等[2]指出波浪在特殊轉角區段形成復雜漩渦等復雜波態、最終導致護面塊體穩定性影響，并提出優化措施。戈龍仔等[3]得出，在特殊地形下波浪破碎導致設計質量的扭王字塊體之間咬合性減弱，脫開、失穩，并提出優化措施。張宏等[4]指出護岸段內凹處、外凸端部和斜坡護岸段與兩端結構相交處等特殊部位受波能集中,原設計護面塊體失穩，提出通過加大塊體質量來穩定的優化措施。綜上，考慮深中通道工程的重要性和西人工島島形的特殊性，有必要對西人工島進行塊體穩定性和堤頂越浪量的試驗研究，確定設計方案的護面塊體穩定性和堤頂越浪量是否滿足要求，以此提出必要優化調整措施，為設計方案確定提供科學依據。為了能更清楚描述島形的影響，根據西人工島的平面布置，以及本次三維港池整體物理模形試驗的統計結果，從AB、BC、CD、DE、EA共5段島壁中選擇外海波浪能直接作用、塊體穩定性和堤頂越浪量受島形影響最大的AB段進行論述。

圖1 工程平面布置

圖2 方案結構斷面(高程：m)

2 試驗研究

2.1 試驗條件

試驗水位為：重現期300 a極端高水位3.61 m；設計高水位1.89 m；設計低水位-0.73 m；重現期300 a極端低水位-1.41 m；試驗波浪要素為：對于AB段島壁，由珠江口傳入不同方向外海波浪結果統計分析得到，SE向為強浪向，因此選擇該波向進行試驗驗證，波要素結果見表1。斷面結構為：臺階+扭王字塊護面組合方案，具體見圖2。

表1 試驗波要素

2.2 模型設計與制作

模型采用定床、正態，幾何比尺為40。模型試驗港池寬40 m、長45 m，試驗水池中配備先進的L形港池吸收式多方向造波機，該造波機造波能力為：最大造波水深0.7 m，波高0～30 cm，周期0.5～5.0 s，可以實現180°多方向造波。為解決邊壁反射影響在港池四周設置消波邊界。模型地形制作采用樁點法復制，按1.0 m×1.0 m布設樁點，平面尺寸偏差控制在1 cm以內，樁點高程用水準儀精確控制，偏差在1 mm以內，場地平面尺寸用鋼卷尺測量。護面塊體制作采用原子灰和鐵粉進行加工，質量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程要求，模型制作完成效果見圖3。試驗采用不規則波的JONSWAP譜[5](γ=3.3)。

圖3 模型制作完成效果

2.3 試驗方法

由于人工島的特殊形狀，由試驗觀測，波浪作用下AB岸線沿程不同位置上水存在差異，為了測量堤頂越浪量的結果，對AB段島壁進行區域劃分，具體為端部B點轉角區、AB-1區、AB-2區、AB-3區、AB-4區、AB-5區、AB-6區、AB-7區、AB-8區、AB-9區和端部A點轉角區，共計11個，分區見圖4。對每個區段分別進行測量，通過集水槽測取每一個完整波列的越浪量，將水稱質量并折算成體積，再換算到原體，得到單位長度、單位時間內的平均越浪量。

Q=V/(bt)

(1)

式中：Q為單寬平均越浪量(L·m-1·s-1)；V為1個波列作用下的越浪總水量(L)；b為收集越浪量的接水區域長度(m)；t為1個波列作用的持續時間(s)。

圖4 AB段測量分區布置

3 試驗結果與分析

3.1 島形影響下島前波況

由試驗發現，在不同水位、強浪向SE斜向入射作用下，入射波浪首先由人工島轉角B點位置分成兩股浪，波浪分別沿AB、BC岸線向兩側傳播，人工島受波浪影響的區段為人工島的BC、AB和AE段。針對AB段島壁前波浪分布為：波浪由B點傳入，并迅速在島壁內凹弧頂處形成波能聚集和反射疊加現象，表現為波能集中和局部波高增加，此時島前波群中部分波浪發生破碎水體沖上島，破碎產生的破波流與入射波浪疊加向端部A點角處集中釋放，形成沖擊波。波浪流在經過島端部轉角時，由于水面突然變寬，波浪流慣性前行，造成靠近人工島島壁側的“負壓區”，此時周圍水體進行補充而產生復雜的漩渦現象，測量得到此時的漩渦流的流速達到5.0 m/s以上。綜上，外海入射波浪受特殊島形的影響，形成了一系列波能集中、波浪破碎、越浪和端部漩渦流等復雜的波況，這將對塊體的穩定性和堤頂越浪量產生不利的影響。

3.2 島形影響下的塊體穩定性

針對特殊島形，首先參考JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》[6]中給出的單個塊體的穩定質量計算公式(2)，依據提供的設計波高進行塊體穩定質量計算。

(2)

(3)

式中：W為單個塊體的穩定質量(t)；ρb為塊體密度(t/m3)；KD為塊體形狀穩定系數；H為設計波高(m)；α為斜坡與水平的夾角(°)；ρ為水的密度(t/m3)。

規范也指出公式(2)的限定條件是波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于 22.5°，且堤前波浪不破碎，考慮到島壁AB段為內凹形態，在某個區段可以滿足上述條件，因此塊體穩定質量暫按公式(2)進行計算，設計波高按照最不利波要素H5%計算得到扭王字塊穩定為1.76 t，同時根據規范“對于斜坡堤堤頭部分塊體質量須考慮增加30%以上，位于波浪破碎區的堤身和堤頭的塊體質量，均應相應再增加不少于25%”的規定，最終按照規范公式計算，得到島壁中間段穩定質量為2.28 t、島壁端部穩定質量為2.85 t。

考慮到開展三維港池整體物理模型試驗中護面塊體制作數量多、提交成果周期長，因此在開始三維整體物理模型試驗時，也開展了二維水槽斷面試驗，驗證方案塊體的穩定性。在不同水位、波浪作用下，得到方案塊體質量3.0 t時失穩，優化采用質量5 t的塊體則穩定，因此設計方案護面塊體采用質量5 t的扭王字塊。

采用上述設計方案，開展三維港池整體試驗驗證，針對島壁AB段塊體穩定性，由試驗觀測發現，低水位時，島壁坡腳安放于棱體塊石上方的2排質量5 t扭王字塊護面塊體受波浪作用滾落失穩；高水位，護面塊體與臺階連接區域和島的端部A點轉角位置,護面塊體5 t扭王字塊也滾落失穩，見圖5。針對塊體失穩特點分析：低水位時，疊加后的斜向浪在坡腳棱體塊石表面發生破碎形成破波流，尤其波谷時，由于波流聯合吸力作用，靠海側塊體間失去支撐而失穩，并在沿堤流推力作用下向島端部A點位置堆積。高水位時，尤其轉角位置，受內凹波能集中和島端部轉角集中釋放，波流主導的側向力很快將勾連的扭王字塊護面塊體之間脫開，隨著漩渦波流持續作用，最終導致護面塊體失穩。這也再次驗證了轉角位置(例如防波堤堤頭等)護面塊體穩定性側向力作用比正向波浪力偏于危險的結論。另外，從模型上塊體擺放難易程度來看，端部轉角段難于直線段塊體的安放，所以轉角凹凸變化的特殊島壁形狀，也會減弱護面塊體咬合性能，在現場施工中，須關注和重視塊體安放。

圖5 護面塊體失穩情況

通過三維港池整體穩定性試驗可知，受島形影響，經二維水槽斷面試驗優化后得到質量5 t的設計方案的護面塊體仍失穩，為了穩定方案，先后采取了2種優化措施，包括坡腳加大塊體質量和增加前排塊體的支撐作用。端部轉角凸出區段加大塊體質量，同時關注塊體間的咬合和施工數量，優化措施及試驗結果見表2。

三維港池整體穩定性結果驗證表明：凹凸多變的特殊島形，對利用塊體間勾連咬合塊體穩定性影響較大，與采用規范公式計算和二維水槽試驗驗證的結果對比，須增加穩定質量。同時位于轉角凸出區段，漩渦流形成的側向力對塊體穩定性比正向波浪力更偏于危險。因此對于凸凹多變的特殊島形、防波堤堤頭等水工結構物，三維港池整體模型試驗更能真實反映原體上的實際波浪作用情況，也再次驗證了三維整體模型試驗在塊體穩定和優化設計方面論證的必要性。

表2 穩定性優化后結果

3.3 島形影響下的越浪量

采用優化后塊體穩定方案進行越浪量試驗，發現只有重現期300 a極端高水位時人工島堤頂存在上水現象，島壁越浪情況見圖6。測量此時越浪結果見表3，由表3可知：對于整個AB段的島壁，越浪量與波浪傳播分布規律相同，在人工島端部A點轉角位置越浪量最大為14.9 L/(m·s)，可滿足工程提出的15.0 L/(m·s)的要求。

表3 三維港池整體試驗越浪量結果

圖6 三維整體試驗和二維水槽試驗越浪對比情況

對于受特殊島形影響下的越浪量，采用JTS 154—2015《港口與航道水文規范》[7]給出的斜坡堤堤頂有胸墻時的公式進行計算對比分析。

(4)

式中：Q為單位時間單位堤寬的越浪量(L·m-1·s-1)；H′c為胸墻堤頂在靜水面以上的高度(m)；H1/3為有效波波高(m)；b1為胸墻前肩寬(m)；B為經驗系數；KA為護面結構影響系數；Tp為譜峰周期(s)；m為斜坡坡度系數；d為建筑物前水深(m)；g為重力加速度(m/s2)；

通過公式(4)計算得到重現期300 a極端高水位對應波浪條件下，越浪量為5.41 L/(m·s)。而采用二維水槽斷面試驗測量了相同條件下堤頂越浪量，得到重現期300 a極端高水位波浪作用下，越浪量為7.91 L/(m·s)。與表3的越浪量比較可知，受島形影響的轉角處越浪量，三維整體試驗最大，與以往日本運輸省港灣技術研究所(PARI)[8]和高峰等[9]所提出的“水槽試驗因正向浪作用和受水槽邊壁壅水影響，越浪結果將大于采用規范公式計算和三維港池整體模形試驗結果20%～30%”的結論存在差異，而其它島壁段，則仍符合以往研究成果的結論，原因為，以往研究的防波堤軸線基本為直線或軸線向外側拐布置，而對于特殊水工建筑物，須綜合考慮其影響因素。綜上，無論處于哪種結論，為了能更真實地反映原形波浪作用的結果，應采用三維整體模型試驗結果驗證工程穩定性和越浪量。

4 結語

1)在凸凹多變特殊島形的影響下，島前波浪形成了波能集中、沿程破碎和端部漩渦流等復雜的波態現象；參照模型塊體擺放難易程度來看，端部轉角段難于直線段塊體的安放，因此島形結構對塊體勾連穩定影響較大，設計、施工應給予注意和重視，應盡量遵循規范關于軸線向外側拐、且夾角大于150°以上的要求。

2)受島形的影響，設計方案中質量為5 t的扭王字塊體均失穩，經過多次優化，坡腳增加支撐作用的棱體塊石和加大塊體質量已達到穩定，堤身斷面增加至質量8 t可達到穩定，端部須增加至質量14 t方能穩定。試驗得到的穩定質量均大于采用規范公式計算和二維水槽斷面試驗驗證的結果，模型試驗也再次驗證了轉角位置側向力比正向波浪力對護面塊體穩定性更危險。

3)受島形的影響，端部轉角處越浪量的試驗結果大于采用規范公式計算和二維水槽斷面試驗驗證結果，與以往研究成果不同。但其它位置仍與之相吻合，因此為了在實驗室內能更真實地反映原形波浪作用，應采用三維整體物理模型試驗研究。通過本次試驗再次驗證了三維整體物理模型試驗的必要性。