護岸修復穩定性的二維與三維模型試驗研究對比

劉洋 劉針 胡朔 陳漢寶 劉海成 張亞敬

摘 要：護岸的穩定性與結構、水深地形、折角、水動力要素等都有關系。二維物理模型試驗可以用更接近原體的比尺模擬穩定性和越浪量，三維物理模型能夠反映護岸平面布置及其地形的影響。在超越設計的臺風浪作用下，護岸發生了護面塊體下滑、塊體破損、胸墻傾覆等破壞，引發巨大威脅。護岸采用更大的扭王字塊體進行防護，采用三維波浪整理物理模型對修復護岸進行穩定性試驗研究，并與二維試驗的穩定性和越浪成果進行對比并給出分析和推薦意見。

關鍵詞：護岸;穩定性;扭王字塊;越浪量

中圖分類號：U656.3? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0083-04

1概述

防浪建筑物的損壞是海岸工程界歷來關注的課題[1]。我國大多數沿海地區經常受到臺風的襲擊，臺風一般風力強、頻率高、歷時長、強度高，在臺風經過的區域會形成巨浪，一般會造成港口水工建筑物嚴重破壞[2]，1972年在3號臺風的影響下，大連石油七廠的防波堤嚴重受損，護面四角空心方塊失穩;1981年在14號臺風的影響下山東某港口防波堤護面塊體失穩下滑，堤腳淘刷嚴重，擋浪墻坍塌，部分堤頂被沖刷;2011年在梅花臺風的影響下，大連某化工廠護岸防波堤部分損壞，擋浪墻滑移，護面塊體失穩，造成較為嚴重的社會影響。梅花臺風的一個重要特點是強度高、移動速度較慢，海域形成的波浪周期較長。根據大連損毀海岸工程附近海域測站實測資料，已有文獻推算 E 向浪 50 年一遇重現期波浪平均周期為7.5 s， H1/10 為 4.0 m[1];“梅花”臺風過程中，E 向浪平均周期9.0 s， H1/10 為 3.03 m。雖然臺風期間平均波高比 50 年一遇重現期波高小，但平均周期卻已經超過 50 年一遇。通過臺風期間波浪特征與 50 年一遇設計波浪進行對比可發現，臺風過程引起的較長周期波浪是引起護岸損壞的重要原因之一。由于水深地形、折角及波浪入射方向等因素的影響引起的局部的波能集中，也是造成防浪建筑物損壞的重要原因。

根據防波堤破壞主要原因，選擇不同的修復加固方法，如在出現臺風頻率較高的區域設計時，需考慮提高設計標準，在堤頭及波能集中部位可以選擇加大塊體重量等。對于修復方案必須通過波浪數學、物理模型試驗或現場觀測等手段進行驗證。二維物理模型試驗可以用更接近原體的比尺模擬穩定性和越浪量，三維物理模型則能夠更好地反映護岸平面布置及其地形的影響。本文采用二維和三維波浪模型對受梅花臺風破壞的大連某化工碼頭護岸修復穩定性進行試驗，對試驗中出現的穩定性和越浪成果進行對比并給出分析和推薦意見。

2防波堤修復方案

圖1為修復加固后防波堤平面布置圖，圖2為堤頭處斷面原設計與加固斷面對比圖，圖3為拐角處斷面原設計圖及加固斷面對比圖。從斷面圖可以看出原設計中堤頭處護面塊體為9t扭王字塊，拐角及堤身處護面塊體為7t扭王字塊，在“梅花”臺風期間，現場堤心石被淘出、防波堤護面發生損壞和下滑等破壞，因而引發后方陸域塌陷的巨大威脅。修復加固方案為在破壞的防波堤上采用更大的扭王字塊，堤頭及堤身全部采用15t扭王字塊，原護面塊體直接作為加固護面塊體的墊層，隨著護面高程的加高，胸墻高程由原來的+7.50m加高至10.0m，詳見圖2和圖3。

3波浪整體模型試驗研究

3.1 試驗介紹

本次試驗在臨港試驗基地綜合試驗廳港池中進行，模型按照重力相似準則設計，塊體重量級模型斷面結構尺寸均滿足幾何相似，模型重量計算時考慮海水與淡水密度差的影響，波浪模擬采用港池專用搖板式不規則波造波機，水池四周均設置有消波設備。根據場地及試驗技術要求，波浪整體物理模型試驗比尺為1：60，時間比尺為7.75[3]。試驗模型見圖4所示。

3.2 試驗水位

極端高水位：3.10m （100年一遇）;極端高水位：2.96m;設計高水位：1.86m;設計低水位：-1.62m。

3.3 試驗波浪條件

采用重現期100年一遇SE、S、SW三個方向的不規則波進行試驗，來浪方向與模型相對位置見圖5所示。試驗波浪要素通過波浪數學模型推算獲得，不規則波設計波浪要素詳見表1。

3.4 物理模型試驗方法

波浪物理模型試驗時，根據波浪模型試驗規程（JTJ/T 234-2001）[4]，每組工況模擬時間為原體為3h，觀察斷面各個部位在波浪累積作用下的變化情況。每組至少重復3次，當3次試驗結果差別較大時，要增加重復次數，每次試驗斷面塊體需重新擺放。

3.4.1穩定性判斷

（1）護底塊石。波浪累積作用3h后觀察護底塊石的整體情況，根據護底塊石表面是否發生明顯變形、是否失去護底功能來判斷是否穩定性。

（2）護面塊體。護面塊體為扭王字塊時：在波浪累積作用3h后，觀察護面塊體位移超過塊體最大幾何尺度一半、塊體滑落或跳出時，即判斷為失穩，沒有位移即判斷為穩定。

3.4.2越浪量

越浪量的測量是在測量位置用接水裝置接取越浪水體，通過接到水體的質量或體積得到模型的越浪量，不規則波需接取一個完整波列的總越浪水體的質量或體積作為相應歷時的總越浪量，然后計算單寬平均越浪量。

4模型試驗結果

4.1 斷面穩定性

在重現期100a波浪作用下，設計低水位時500～800kg護底塊石表面個別晃動，波浪連續作用3h后，塊石表面整體未發生明顯變形，因此判定穩定;扭王字護面塊體、胸墻均保持穩定，護面塊體失穩率為0。設計高水位和極端高水位（100a）時，護底塊石、護面塊體及胸墻均保持穩定，原設計方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現出良好的穩定性。

4.2 堤頂越浪量

4.2.1? SE向浪作用

在極端高水位（100a）重現期100a一遇波浪作用下，波浪爬高可越過堤頂形成越浪，最大平均越浪量為0.025m?/m.s;設計高水位時最大平均越浪量為0.0068 m?/m.s，設計低水位時由于水深和波高較小，僅有濺浪，無明顯越浪出現。

4.2.2? S向浪作用

相對于SE向來浪，S向來浪更直接作用于防波堤，由于S向來浪相對于SE向來浪小很多，因此防波堤在S向浪作用下各水位時堤頂均未發生越浪，在極端高水位（100a）重現期100a一遇波浪作用下存在濺浪現象。

4.2.3? SW向浪作用

相對于S向來浪，SW向來浪先作用于防波堤堤頭，因此在極端高水位（100a）水位時堤頭出現壅水現象，濺浪位置由拐角西側變為拐角點東側防波堤處（見圖6），由于SW向來浪比S向來浪較小，因此濺浪現象均不明顯。

4.3 與波浪斷面試驗結果對比及分析

本工程對防波堤和護岸斷面也進行了波浪水槽試驗，通過對比波浪整體與斷面試驗結果發現，波浪斷面試驗中的防波堤和護岸斷面結構，各部分均能保持穩定，原設計方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現出良好的穩定性，這與三維結果保持一致。在相同的波浪條件和斷面位置處越浪量出現差異，在極端高水位（100a）波浪作用下，西護岸7#斷面位置二維與三維物理模型中越浪量分別為0.0011 m?/m.s和0.0039m?/m.s，在極端高水位波浪作用下，防波堤處4#斷面位置越浪量分別為0.023m?/m.s和0.057 m?/m.s，設計高水位時均無明顯越浪出現。經過對比可知，二維斷面試驗越浪量比三維試驗中大60%～70%。

分析二維斷面越浪量偏大的原因有以下幾點：首先斷面試驗中采用的為正向浪作用，而三維整體模型中入射波浪與防浪建筑軸線存在一定的夾角，造成越浪量的不同，這與Owen[5]、Juhl[6]、Banyard[7]、李曉亮[8]等研究的波向角對平均越浪量有影響的結論相符;其次，由于水槽長度的限制，對于波長較長的波浪在水槽中試驗時更容易造成入射波浪的疊加，導致堤前壅水，造成越浪量偏大[9]。因此，采用三維穩定性試驗的結果相對更為合理。

5主要結論

在超越設計的臺風浪作用下，護岸發生了護面塊體下滑、塊體破損、胸墻傾覆等破壞，引發巨大威脅[10-11]。分析護岸受損原因主要是臺風期間波高和周期的增大造成的[12-13]，因此，在修復加固工程中將設計標準提高了波浪標準。本文采用三維波浪整理物理模型對修復加固護岸進行穩定性試驗研究，并與二維試驗的穩定性和越浪成果進行對比。通過對比波浪整體與斷面試驗結果發現，波浪斷面試驗中的防波堤和護岸斷面結構，各部分均能保持穩定，原方案中的7t扭王字塊作為墊層也表現出良好的穩定性，這與三維波浪物理模型結果保持一致。越浪量試驗中兩者出現較明顯的差異，經過對比可知，模型中相同波浪條件和斷面位置處二維斷面試驗越浪量比三維試驗中大約60%～70%，由于二維水槽試驗受各種因素制約，不能有效地反應平面布置、地形及方向角的影響，其越浪量結果會比采用三維防波堤模型試驗的結果偏大，基于三維波浪物理模型試驗比二維波浪斷面物理模型試驗更能夠真實的反映海浪的傳播變形和好浪對防浪建筑物的作用情況，其結果可以避免槽壁限制、正向浪作用等二維試驗中的不足。因此，三維波浪物理模型試驗研究能更加真實的模擬工程情況，對工程設計具有更好的指導意義。

參考文獻：

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