較長周期波浪作用下護(hù)岸頂部胸墻受力研究

楊文斌，趙雁飛

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

胸墻是斜坡式護(hù)岸的重要組成部分，長期承受波浪作用，設(shè)計(jì)時(shí)需對沿胸墻底的抗滑、抗傾穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。隨著當(dāng)前工程建設(shè)越來越往外海化、開敞化方向發(fā)展，工程建設(shè)條件較以往愈加惡劣，護(hù)岸或防波堤等經(jīng)常會(huì)面臨較長周期、較大波高的波浪作用。本文以我國東南沿海某護(hù)岸受臺(tái)風(fēng)損毀修復(fù)工程為依托，在進(jìn)行胸墻設(shè)計(jì)時(shí)，通過研究規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊中的計(jì)算方法并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，確定合理的胸墻斷面及尺寸，研究成果可為類似波浪條件下護(hù)岸工程胸墻的設(shè)計(jì)提供借鑒，同時(shí)也為關(guān)于胸墻所受波浪力的計(jì)算方法和計(jì)算公式的修改完善提供參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

依托項(xiàng)目位于深圳市鹽田港區(qū)東作業(yè)區(qū)，正角咀南側(cè)。

2018年9月遭受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的襲擊后，鹽田港區(qū)東作業(yè)區(qū)東大堤損毀嚴(yán)重、大堤護(hù)面塊石被卷走，堤頂已被完全破壞，已嚴(yán)重威脅大堤安全穩(wěn)定。受業(yè)主單位委托，對臺(tái)風(fēng)襲擊后損毀的東大堤進(jìn)行應(yīng)急修復(fù)方案設(shè)計(jì)。

修復(fù)工程范圍為鹽田港區(qū)東作業(yè)區(qū)東大堤，總長約1.3km。東大堤原設(shè)計(jì)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式采用寬肩臺(tái)式拋石斜波堤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)頂高程5.5 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫峦添斃飩?cè)設(shè)有高1.5 m的子堰，設(shè)計(jì)頂寬12.5～20 m。外坡采用300～900 kg大塊石護(hù)面；內(nèi)坡在堤心石外拋填開山石渣，作為吹填料的倒濾層。

1.2 斷面設(shè)計(jì)方案

本工程所在位置處水深較大，50 年一遇設(shè)計(jì)波浪的要素的波高（H1%）達(dá)到6.8 m，波周期達(dá)到了13.1 s，波浪周期較長，波高值較大。修復(fù)方案盡可能利用現(xiàn)狀堤身下部堆積的大塊石，將位于波浪打擊區(qū)范圍現(xiàn)狀堤身上部開挖后，利用現(xiàn)狀堤身大塊石作為墊層，其外側(cè)安放一層13 t 扭王字塊體護(hù)面作為大堤外坡防浪護(hù)面結(jié)構(gòu)。對于現(xiàn)狀堤身上部則在適當(dāng)回填堤心石并理坡后鋪設(shè)一層650～1 300 kg 塊石墊層，墊層外安放一層13 t 扭王字塊體護(hù)面。利用現(xiàn)狀堤身下部堆積的大塊石作為波浪打擊范圍以外的棱體塊石。

堤身頂部設(shè)有混凝土胸墻，根據(jù)設(shè)計(jì)波浪條件，按規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊中的計(jì)算方法和計(jì)算公式，設(shè)計(jì)胸墻底高程位于極端高水位附近采用3.5 m，頂高程采用10.5 m，胸墻底寬采用5 m，通過進(jìn)行斷面模型試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)后胸墻底寬調(diào)整為6 m，頂高程調(diào)整為9.5 m，形成修復(fù)斷面如圖1 所示。

圖1 護(hù)岸修復(fù)設(shè)計(jì)斷面

2 波浪力計(jì)算

2.1 依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）10.2.11 條，胸墻前無掩護(hù)棱體的情況下，波峰作用時(shí)胸墻上的平均波浪壓力強(qiáng)度可按下列公式計(jì)算。時(shí)，平均波浪壓力強(qiáng)度達(dá)到最大值。

1）判斷公式的適用性，應(yīng)滿足ξ≤ξb。當(dāng)ξ=ξb

無因次參數(shù)ξ按下式計(jì)算：

無因次參數(shù)ξb按下式計(jì)算：

式中：

ξ、ξb—無因次參數(shù)；

d1—胸墻前水深（m），當(dāng)靜水面在墻底面以下時(shí)，d1為負(fù)值；

d—堤前水深（m）；

H—設(shè)計(jì)波高（m），采用H1%；

L—計(jì)算波長（m）。

2）波峰作用時(shí)，胸墻上的平均壓力強(qiáng)度：

式中：

—平均壓力強(qiáng)度（kPa）；

γ—水的重度，10.25 kN/m3；

H—設(shè)計(jì)波高（m），取H1%；

Kp—與無因次參數(shù)ξ和波坦L/H有關(guān)的平均壓強(qiáng)系數(shù)，依據(jù)規(guī)范查圖確定。

圖2 胸墻波壓力圖（來源于規(guī)范）

3）胸墻上的波壓力分布高度：

式中：

d1+Z—胸墻上的波壓力分布高度（m）；

Z—靜水面以上波壓力分布高度（m）；

KZ—波壓力作用高度系數(shù)，根據(jù)ξ和波坦L/H，依據(jù)規(guī)范查圖確定。

d1—胸墻前水深（m），當(dāng)靜水面在墻底面以下時(shí)，d1為負(fù)值；

d—堤前水深（m）；

H—設(shè)計(jì)波高（m），采用H1%；

L—計(jì)算波長（m）。

4）波峰作用時(shí)單位長度胸墻上的總水平波浪力P（kN/m）：

5）波峰作用時(shí)單位長度胸墻底面上的總波浪浮托力：

式中：

Pu—單位長度胸墻底面上的總波浪浮托力（kN/m）；

b—胸墻底寬（m）；

—平均壓力強(qiáng)度（kPa）；

μ—波浪浮托力的折減系數(shù)，取0.7。

2.2 依據(jù)《海港工程設(shè)計(jì)手冊》

《海港工程設(shè)計(jì)手冊》（以下簡稱手冊）在胸墻波浪力章節(jié)中，除上述公式外，還提出以下內(nèi)容。

對于胸墻前有人工塊體掩護(hù)的情況，當(dāng)掩護(hù)的寬度和高度滿足2 排2 層時(shí)，可考慮作用于胸墻上波浪力的折減，其折減系數(shù)可采用0.6。

當(dāng)胸墻結(jié)構(gòu)型式為向海側(cè)拐折的反L 型時(shí)，其作用在胸墻上的波浪力可參考圖3 進(jìn)行估算。

圖3 反L 型胸墻波壓力圖（來源于手冊）

對胸墻前采用塊體和塊石掩護(hù)且掩護(hù)寬度和高度滿足全掩護(hù)的情況時(shí)，墻前波浪力可近似取折減系數(shù)為0.6～0.7。

3 物理模型試驗(yàn)成果

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院波浪試驗(yàn)大廳水槽中進(jìn)行。水槽長65 m，寬1 m，高1.3 m。造波機(jī)為電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)推板吸收式造波機(jī)，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波。斷面模型試驗(yàn)采用 JONSWAP 譜不規(guī)則波進(jìn)行。水槽兩端均設(shè)有消波裝置，同時(shí)水槽側(cè)面設(shè)有連通管，以使試驗(yàn)過程中模型兩側(cè)的水位保持不變。模型選用幾何比尺λ=33.92，時(shí)間比尺λt=5.82，力比尺λF=39 027.21。

波壓力的測定，依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》JTJ/T234-2001，在胸墻迎浪側(cè)、底板和頂部布置波壓強(qiáng)傳感器。

波壓力數(shù)據(jù)通過SG2008 型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集分析，試驗(yàn)中連續(xù)采集200 個(gè)波作用的波壓力過程，模型采樣的時(shí)間間隔均為0.005 s。試驗(yàn)時(shí)在靜水條件下，對所有測點(diǎn)標(biāo)零，在靜水面以下的測點(diǎn)以此時(shí)的靜水壓強(qiáng)作為對應(yīng)測點(diǎn)的零點(diǎn)，在靜水面以上的測點(diǎn)以此時(shí)的大氣壓強(qiáng)作為零點(diǎn)。試驗(yàn)采集到的壓強(qiáng)值為測點(diǎn)實(shí)際壓強(qiáng)與標(biāo)零時(shí)測點(diǎn)對應(yīng)壓強(qiáng)的差值，亦即所受到的波浪動(dòng)水壓強(qiáng)。

擋浪墻結(jié)構(gòu)斷面尺寸如圖4 所示，在測力試驗(yàn)中，在胸墻上布置了12 個(gè)波壓強(qiáng)傳感器，其中：1#位于胸墻頂部；2#～4#位于胸墻迎浪側(cè)；5#和6#位于胸墻前趾頂部；7#和8#位于胸墻前趾迎浪側(cè)；9#～11#位于胸墻底板；12#位于胸墻后趾頂部，壓強(qiáng)傳感器布置見圖5。

圖4 擋浪墻結(jié)構(gòu)斷面尺寸

圖5 胸墻壓力傳感器布置圖

針對優(yōu)化后胸墻進(jìn)行了受力試驗(yàn)，波浪作用下胸墻穩(wěn)定。表1 給出了極端高水位和設(shè)計(jì)高水位下50 年重現(xiàn)期波浪作用下，最大水平力值及該時(shí)刻各測點(diǎn)對應(yīng)的波壓強(qiáng)分布。

表1 胸墻壓強(qiáng)測量結(jié)果

4 波壓力對比分析

依據(jù)規(guī)范、手冊分別計(jì)算極端高水位和設(shè)計(jì)高水位波浪作用于胸墻上的波壓力強(qiáng)度，計(jì)算波高采用設(shè)計(jì)水位相對應(yīng)的H1%，并繪制波壓力圖示，單位長度取與鋼筋混凝土水上重度相近為25 kPa。

圖6～8 分別顯示了極端高水位情況下依據(jù)規(guī)范計(jì)算、依據(jù)手冊計(jì)算以及依據(jù)斷面物理模型試驗(yàn)得到的波壓力分布。

圖6 極端高水位胸墻波壓力分布（依據(jù)規(guī)范）

圖7 極端高水位胸墻波壓力分布（依據(jù)手冊）

圖8 極端高水位胸墻波壓力分布（依據(jù)模型試驗(yàn)）

從波壓力分布圖可以看出，極端高水位情況下，對于反L 型胸墻，依據(jù)手冊計(jì)算的水平波壓力小于依據(jù)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，且計(jì)入了波浪下砸力作用，對胸墻的抗滑抗傾穩(wěn)定計(jì)算更為有利。模型試驗(yàn)中最大水平力值時(shí)刻，波壓力分布圖形與手冊計(jì)算結(jié)果較相似，但水平波壓力作用高度范圍更大，作用于反L 型胸墻上部的波壓強(qiáng)不僅沒有折減，反而增大至下部波壓強(qiáng)的2 倍左右。波浪下砸力與手冊計(jì)算結(jié)果總力接近，梯形分布的上底下底的大小趨勢相反，波浪浮托力分布與手冊相比差別不大。

圖9、圖10 顯示了設(shè)計(jì)高水位情況下依據(jù)規(guī)范計(jì)算、依據(jù)手冊計(jì)算以及依據(jù)斷面物理模型試驗(yàn)得到的波壓力分布。

圖9 設(shè)計(jì)高水位胸墻波壓力分布（依據(jù)規(guī)范/手冊）

圖10 設(shè)計(jì)高水位胸墻波壓力分布（依據(jù)模型試驗(yàn)）

設(shè)計(jì)高水位情況下，由于依據(jù)手冊和規(guī)范計(jì)算的波壓力分布高度未達(dá)到下部直立段頂端，二者均按照作用于直立胸墻上的波浪力計(jì)算，水平波壓力及浮托力結(jié)果均相同。而模型試驗(yàn)中最大水平力值時(shí)刻，水平波壓力作用高度范圍仍然很大，作用于反L 型胸墻上部的波壓強(qiáng)沒有折減，反而增大至下部波壓強(qiáng)的3 倍左右。波浪下砸力仍然存在，其數(shù)值與極端高水位相比非常接近。下砸力分布仍是海側(cè)小陸側(cè)大，上下底的分布與手冊計(jì)算結(jié)果趨勢相反，浮托力明顯小于規(guī)范計(jì)算結(jié)果。

表2 為極端高水位和設(shè)計(jì)高水位情況下依據(jù)規(guī)范、手冊計(jì)算以及依據(jù)斷面物理模型試驗(yàn)得到的總波浪力值。對于水平總力，模型試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于規(guī)范和手冊計(jì)算結(jié)果；對于波浪浮托力，極端高水位情況下三者結(jié)果相近，設(shè)計(jì)高水位情況下，模型試驗(yàn)結(jié)果較小，約為規(guī)范結(jié)果的1/2；對于波浪下砸力，極端高水位情況下規(guī)范公式不計(jì)入，模型試驗(yàn)結(jié)果與手冊計(jì)算結(jié)果接近，設(shè)計(jì)高水位情況下規(guī)范公式不計(jì)入，依據(jù)手冊計(jì)算為不出現(xiàn)，而模型試驗(yàn)結(jié)果下砸力仍較大，比極端高水位下小7 %左右。

表2 波壓力結(jié)果對比

5 結(jié)語

本工程胸墻前有塊體和塊石掩護(hù)，掩護(hù)寬度和高度雖不滿足全掩護(hù)條件，但仍可能會(huì)對下部直立段產(chǎn)生部分掩護(hù)作用，使墻前被掩護(hù)部分波浪力發(fā)生一定折減。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員會(huì)先根據(jù)波浪條件按規(guī)范或手冊方法設(shè)計(jì)胸墻斷面，再進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證；根據(jù)本文研究成果，當(dāng)護(hù)岸前方波浪周期較長，波高值較大時(shí)，在試驗(yàn)前根據(jù)穩(wěn)定性要求計(jì)算所得到的胸墻斷面頂高程通常會(huì)遠(yuǎn)高于根據(jù)波浪爬高計(jì)算得到的堤頂高程，在模型試驗(yàn)中，由于胸墻實(shí)際受到的波浪力會(huì)比試驗(yàn)前根據(jù)規(guī)范或手冊方法計(jì)算所得的波浪力增加較大，造成胸墻失穩(wěn)，若提高胸墻頂高程增大胸墻重量，則在一定水位下波浪會(huì)在胸墻前方產(chǎn)生壅高現(xiàn)象，壅水后胸墻實(shí)際所受的波浪力會(huì)比根據(jù)規(guī)范或手冊方法計(jì)算所得的波浪力大幅增加，造成胸墻更加不穩(wěn)定。

當(dāng)波浪周期較長，波高值較大時(shí)，根據(jù)規(guī)范和手冊計(jì)算所得的波浪力也相應(yīng)較大，但此時(shí)不能一味抬高胸墻底高程或一味加大胸墻斷面尺度，否則會(huì)使結(jié)構(gòu)斷面尺度大幅增加，相應(yīng)的工程投資也會(huì)大幅提高，造成巨大的資源和資金浪費(fèi)。本文研究依托工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，考慮到壅水產(chǎn)生的巨大水平力增量，在優(yōu)化胸墻斷面時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)，利用部分越浪消減壅水和波浪水平力，在滿足規(guī)范要求和保證胸墻穩(wěn)定的前提下，有效減小了胸墻斷面尺度，節(jié)約了投資。

在較長周期、較大波高值的波浪作用下，胸墻所受波浪力會(huì)比根據(jù)規(guī)范或手冊方法計(jì)算所得的波浪力有較大幅度增加。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，如不加甄別直接套用規(guī)范或手冊對于胸墻設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)，建議設(shè)計(jì)者對此予以足夠的重視，最好對胸墻穩(wěn)定進(jìn)行相應(yīng)的物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)胸墻重量和其受力結(jié)果分析，盡管物理模型試驗(yàn)結(jié)果顯示胸墻穩(wěn)定，但在破碎波浪瞬時(shí)沖擊下，受力會(huì)遠(yuǎn)大于胸墻穩(wěn)定性要求，建議胸墻設(shè)計(jì)時(shí)采取適當(dāng)措施，保障工程安全。