復(fù)式斜坡堤螺母塊體護(hù)面波壓力計(jì)算方法

劉曉暉，陳海英

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200120）

0 引言

螺母塊體是海岸工程中護(hù)面塊體的一種，早期澳大利亞提出并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，20世紀(jì)80年代以來(lái)，河海大學(xué)、天津水運(yùn)科學(xué)研究所也對(duì)螺母塊體開(kāi)展了專(zhuān)題研究，提出了螺母塊體厚度計(jì)算方法[1]。由于螺母塊體的經(jīng)濟(jì)效益較好，在上海地區(qū)工程施工中得到了大量的推廣應(yīng)用，為了提高施工速率，在橫沙五期工程中對(duì)螺母塊體進(jìn)行了改進(jìn)，將4個(gè)螺母塊體連成整體，形成四聯(lián)體螺母塊體[2]。四聯(lián)體螺母塊體單個(gè)面積較大，需要考慮波浪對(duì)螺母塊體產(chǎn)生的壓強(qiáng)，核算塊體強(qiáng)度。

關(guān)于作用在斜坡堤上的波浪沖擊力的計(jì)算，前人已在光板和柵欄板方面做了較多研究，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是蘇聯(lián)規(guī)范采用的波壓力公式[3]，該公式在20世紀(jì)70—80年代利用大型波浪水槽試驗(yàn)加以完善，我國(guó)的海堤規(guī)范等也都采用該計(jì)算方法。王鑒義等[4]采用不規(guī)則波進(jìn)行斜坡堤不透水板護(hù)面壓強(qiáng)試驗(yàn)，認(rèn)為上述公式與不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果基本符合。Neelamanil S等[5]和仲南艷[6]分別采用規(guī)則波和不規(guī)則波進(jìn)行斜坡堤不透水板護(hù)面壓強(qiáng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果相近。馮衛(wèi)兵等[7-8]分析了莆田實(shí)驗(yàn)站實(shí)測(cè)資料，并采用不規(guī)則波進(jìn)行斜坡堤不透水板護(hù)面壓強(qiáng)試驗(yàn)，提出護(hù)面壓力經(jīng)驗(yàn)公式。在我國(guó)規(guī)范中，柵欄板最大波壓力計(jì)算公式為pm=0.85ρgH[9-10]。

本文將在以往研究資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式[11-13]，研究不同參數(shù)對(duì)螺母塊體護(hù)面壓力的影響，提出波壓力強(qiáng)度計(jì)算建議公式。

1 現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)在橫沙東灘東端斜坡堤上開(kāi)展，該位置平均潮位約4 m，平均低潮位約2 m，斜坡堤為復(fù)式堤型，堤身高度7 m，平臺(tái)高程3.2~3.3 m，上下坡坡比均為1頤2.5，護(hù)坡為灌砌塊石上壓螺母塊體，螺母塊體厚度40 cm。波壓力觀測(cè)儀器共布設(shè)8個(gè)，下坡3個(gè)，平臺(tái)1個(gè)，上坡3個(gè)，防浪墻壁1個(gè)，儀器具體布置位置見(jiàn)圖1。為獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)潮位、波浪和風(fēng)速等，在斜坡堤坡腳外側(cè)布置了潮位和波浪觀測(cè)計(jì)，在斜坡堤上方布置了風(fēng)速觀測(cè)儀。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)于2013年5月開(kāi)始，共獲得7 d的波壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 原型觀測(cè)斷面圖Fig.1 Section view of prototype observation

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及量測(cè)儀器

室內(nèi)斷面物模試驗(yàn)在斷面水槽中進(jìn)行，該水槽可同時(shí)產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽長(zhǎng)64 m、寬1.8 m、深1.8 m。水槽的工作段分割成0.8 m和1.0 m兩部分，其中一部分用來(lái)安放模型斷面和進(jìn)行模型試驗(yàn)，另一部分用于擴(kuò)散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。

2.2 模型設(shè)計(jì)

斷面試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸呷?頤14。試驗(yàn)斷面與原型保持幾何和重力相似。波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，波譜為JONSWAP譜，試驗(yàn)中波高測(cè)點(diǎn)位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量位置相同。波浪壓強(qiáng)傳感器布置在斜坡堤上，測(cè)點(diǎn)布置與現(xiàn)場(chǎng)布置相同。試驗(yàn)中壓強(qiáng)傳感器采樣頻率分別為100 Hz、50 Hz、10 Hz和2 Hz，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，測(cè)量結(jié)果采用計(jì)算機(jī)程序分析處理。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)3次重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果差別較大時(shí)，則增加重復(fù)次數(shù)。

2.3 試驗(yàn)組次

1）驗(yàn)證試驗(yàn)組次，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，波壓力儀器位置與現(xiàn)場(chǎng)一致。螺母塊體護(hù)面壓強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)共有7 d的101組資料，選取其中14組進(jìn)行護(hù)面壓強(qiáng)二維斷面驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)組次如表1所示。

2）研究試驗(yàn)組次，研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝孢x用上海地區(qū)常用的復(fù)式斜坡堤，試驗(yàn)平臺(tái)寬度分別為5 m、7 m，平臺(tái)高程為5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m，海堤斜坡坡度為1頤2.5、1頤3。水位為上海橫沙站100 a一遇高潮位5.75 m和10 a一遇高潮位5.16 m，有效波高為2.6 m，周期為5 s、6 s、7 s、8 s、9 s。波壓力儀器共布置16個(gè)，其中上坡6個(gè)，平臺(tái)3個(gè)，下坡6個(gè)。儀器布置如圖2（以平臺(tái)高程5.5 m為例）。

表1 現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)測(cè)和室內(nèi)水槽斷面試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of field prototype test and indoor flume section test

圖2 模型試驗(yàn)斷面波壓力儀器布置圖Fig.2 Layout of wave pressure instrument in model test section

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 原型試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過(guò)整理，得到現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)測(cè)最大波壓力和室內(nèi)水槽斷面試驗(yàn)波壓力結(jié)果如表1。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：

1）總體上看，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)最大護(hù)面壓強(qiáng)（pm/ρgH1%）在0.42~0.93，大多在0.6左右；斷面驗(yàn)證試驗(yàn)相對(duì)最大護(hù)面壓強(qiáng)（pm/ρgH1%）在0.43~0.87，大多在0.6左右，差別不大。并且最大波壓力發(fā)生位置也基本一致，發(fā)生在平臺(tái)附近。

2）對(duì)于不同采樣頻率，100 Hz頻率下的值明顯大于10 Hz和2 Hz時(shí)的值，特別是對(duì)于較大波浪條件下的最大值。10 Hz和2 Hz頻率下的試驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值較為接近。

產(chǎn)生這一原因是由于現(xiàn)場(chǎng)條件非常復(fù)雜，并且采樣頻率采用2 Hz較小，可能漏測(cè)壓強(qiáng)最大值，相對(duì)比較接近的波浪、潮位條件下，護(hù)面最大波壓力有時(shí)也有較大差別。為了盡量采集到最大波壓強(qiáng)，室內(nèi)模型研究試驗(yàn)頻率取100 Hz。

3.2 室內(nèi)研究試驗(yàn)結(jié)果分析

海堤結(jié)構(gòu)形態(tài)主要研究不同斜坡坡比、不同平臺(tái)寬度以及不同平臺(tái)高程3種情況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，以圖形方式表示最大相對(duì)壓強(qiáng)p1%*=p1%/（ρgH1%）、p1/3*=p1/3/（ρgHs）和堤前平均破波參數(shù)ξ1%=tanα/（H1%/L）1/2，ξ13%=tanα/（Hs/L）1/2，以及波坦L/H的變化關(guān)系，式中：α為斜坡坡度；L為堤前波浪平均波長(zhǎng)。

3.2.1 平臺(tái)高程+5.5 m，平臺(tái)寬度5 m

不同斜坡坡比的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同坡度相對(duì)壓強(qiáng)p1%*隨波坦L/H1%變化（水位5.75 m）Fig.3 Variation of relative pressure p1%*with wave evenness L/H1%at differentslopes（water level 5.75 m）

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：

1）兩個(gè)水位下相對(duì)壓強(qiáng)隨破波參數(shù)的變化明顯不同。水位在平臺(tái)以上，相對(duì)壓強(qiáng)較小，隨ξ的增大而增大；水位在平臺(tái)以下，相對(duì)壓強(qiáng)較大，隨ξ的增大而緩慢減小。這主要是由于水位在平臺(tái)以上時(shí)，受平臺(tái)消浪影響，波浪對(duì)上坡作用減弱，而下坡又在水面以下，波壓力較小；水位在平臺(tái)以下時(shí)，波浪直接作用下坡，波壓力較大。

2）水位5.16 m在平臺(tái)以下時(shí)，兩種坡度下的相對(duì)壓強(qiáng)變化規(guī)律基本相同；水位5.75 m在平臺(tái)以上時(shí)，兩種坡度下的相對(duì)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)相同，但明顯形成兩組系列，最大壓強(qiáng)與破波參數(shù)相關(guān)性不強(qiáng)。這主要是由于波浪在平臺(tái)上破碎，最大波壓力發(fā)生在上坡，破波參數(shù)的影響已弱化。

3）水位5.75 m在平臺(tái)以上時(shí)，兩種坡度的最大相對(duì)壓強(qiáng)隨波坦的變化規(guī)律基本相同，兩組數(shù)據(jù)融合較好。

3.2.2 平臺(tái)高程+5.5 m，坡比1頤3

不同平臺(tái)寬度的影響結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同平臺(tái)寬度最大p1/3*比較（水位5.75 m）Fig.4 Comparison of the maximum p1/3*at different platform widths（water level 5.75 m）

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：兩種平臺(tái)寬度下的最大相對(duì)壓強(qiáng)變化規(guī)律基本相同，差別不大。

3.2.3 平臺(tái)寬度5 m，坡比1頤3

不同平臺(tái)高程的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同平臺(tái)高程相對(duì)壓強(qiáng)p1/3*隨波坦L/H13%變化（水位在平臺(tái)以上）Fig.5 Variation of relative pressure p1/3*with wave evenness L/H13%at different platform elevations（water levels above the platform）

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：

1）相對(duì)壓強(qiáng)隨破波參數(shù)ξ的變化相同。試驗(yàn)水位在平臺(tái)以下，表現(xiàn)為最大壓強(qiáng)隨ξ的增大而緩慢減小的低水位型。試驗(yàn)水位在平臺(tái)以上，表現(xiàn)為最大壓強(qiáng)隨ξ的增大而增大的高水位型。

2）試驗(yàn)水位在平臺(tái)以上，護(hù)面最大相對(duì)壓強(qiáng)隨波坦的變化規(guī)律基本相同，兩組數(shù)據(jù)融合較好。

3.3 護(hù)面最大波壓力計(jì)算公式

由上述分析得出最大波壓力的各影響因子：

1）相對(duì)最大護(hù)面壓強(qiáng)按水位與平臺(tái)高程相對(duì)關(guān)系，可分為相對(duì)高水位型（水位在平臺(tái)以上）和相對(duì)低水位型（水位在平臺(tái)以下）。

2）相對(duì)高水位型相對(duì)最大護(hù)面壓強(qiáng)受波坦影響，相對(duì)低水位型相對(duì)最大護(hù)面壓強(qiáng)受破波參數(shù)影響。

3）平臺(tái)寬度（5 m和7 m）對(duì)相對(duì)最大波壓力影響較小。

由此，根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到護(hù)面最大波壓力計(jì)算公式：

1）相對(duì)高水位型（水位在平臺(tái)以上）

2）相對(duì)低水位型（水位在平臺(tái)以下）

圖6為式（1）~式（4）公式擬合曲線(xiàn)與本次試驗(yàn)值的比較。

圖6 護(hù)面最大波壓力擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)值比較Fig.6 Comparison of the fitted maximum wave pressures with the tested values

圖7為公式計(jì)算最大波壓力與現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)最大波壓力、室內(nèi)試驗(yàn)最大波壓力的比較，現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)采樣頻率采用2 Hz，可能漏測(cè)壓強(qiáng)最大值，室內(nèi)模型試驗(yàn)采樣頻率為100 Hz。

圖7 公式計(jì)算最大波壓力與觀測(cè)值比較Fig.7 Comparison of the maximum wave pressure calculated by the formula with the observed values

從安全角度出發(fā)，圖6、圖7中的擬合曲線(xiàn)偏于試驗(yàn)數(shù)據(jù)上方，對(duì)于本次典型斷面形式以及現(xiàn)場(chǎng)原型斷面，最大護(hù)面波壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值有較好的相關(guān)性。

4 結(jié)語(yǔ)

研究表明，對(duì)于復(fù)式斜坡堤護(hù)面最大波壓力分兩種形態(tài)，水位在平臺(tái)以上為相對(duì)高水位型，壓強(qiáng)較小；水位在平臺(tái)以下為相對(duì)低水位型，壓強(qiáng)較大。兩種形態(tài)波壓力影響因子不盡相同，相對(duì)高水位型與波陡有關(guān)，隨波陡減小而增大；相對(duì)低水位型與破波參數(shù)有關(guān)，隨ξ的增大而緩慢減小。

由此提出上海地區(qū)典型復(fù)式斜坡堤螺母護(hù)面最大壓力計(jì)算公式，公式中考慮了波浪斜向入射、斜坡坡度、平臺(tái)尺度、護(hù)面類(lèi)型、水位、波浪要素等因素的影響。

本次研究雖然給出了不同頻率的護(hù)面最大波壓力計(jì)算公式，但在實(shí)際使用中，建議采用1%值計(jì)算公式，與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)保持一致。