斜坡式海堤挡浪墙稳定性试验研究

李景辉，姚颢，张文忠，杨宪章，纪文利

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088）

某斜坡式海堤的临海一侧，采用大块石护面，其上下坡度相同，且中部设置戗台的复式断面。挡浪墙顶高程为4.7m。海堤内侧是个占地非常大的温泉旅游度假项目。由于台风来袭时，大浪越过堤顶，冲毁了堤后路面，对海堤内侧的旅游度假项目造成了一定程度的损坏，所以需对此海堤进行加固建设。本文选取海堤加固断面进行波浪物理模型试验。

1 试验条件

本次模型试验是在无反射造波机试验水槽中进行。水槽的长、宽、高分别为68.0m、1.0m、1.6m。造波机系统由造波板、伺服电机、造波机控制器、计算机控制系统和数据采集、分析系统组成。无反射造波机系统可以模拟规则波和5种不同谱型以及双峰谱和任意谱的不规则波。

模型按重力相似律及JTJ/T234—2001《波浪模型试验规程》的有关规定进行模拟。模型试验中选用的几何比尺为1∶20[1]。采用不规则波进行试验，波浪频谱采用JONSWAP谱进行波浪模拟。

2 试验依据

设计波浪要素见表1。

表1 海堤加固断面波浪要素（50年一遇）

海堤原加固断面为斜坡式海堤，挡浪墙顶高程为4.7 m，外坡上部采用600～900 kg块石护面，下部护面块石的重量为400～600 kg，外坡各段的坡度均为1∶3；护面戗台的顶高程为0.5m，海堤原加固断面结构形式见图1。

3 试验结果与分析

3.1 海堤原加固断面稳定性试验

海堤原加固断面在极端高水位3.25m，重现期为50年一遇H13%=2.8m、=8.9 s的不规则波作用20min（原型）后，挡浪墙后倾失稳，失去防浪功能。大浪作用时，堤顶越浪严重，越浪水体对堤后回填陆域产生了强烈的冲刷作用，冲刷区内最大的冲刷深度约0.90m。

为增强海堤挡浪墙的稳定性，设计单位对海堤原加固断面提出了两种调整方案[2]：调整方案A：海堤海侧结构不变，改变挡浪墙形式，加大挡浪墙重量，增加墙后被动土压力；调整方案B：海堤挡浪墙不变，抬高海侧护面肩台高程。

由于大浪作用时，堤顶越浪严重，设计将海堤原加固断面的挡浪墙顶高程由4.7m抬高至5.7m。从而降低海堤堤顶的越浪量，以确保海堤内侧的温泉旅游度假项目安全。

3.2 海堤加固断面调整方案A稳定性试验

海堤加固断面调整方案A包括5个修改断面，见表2。该方案是海堤外侧的护面块石及护底块石的重量及结构尺度与原加固断面相同的条件下（护面肩台顶高程为2.55m），采用加大挡浪墙体积和增加挡浪墙后被动土压力的方法，从而达到增强挡浪墙稳定性的目的。5个修改断面的外坡结构形式均相同，外坡上部采用600～900 kg块石护面，下部采用600～800 kg护面块石，其各段的坡度均为1∶3；护面戗台顶高程为0.50m，护面肩台顶高程为2.55m。5个修改断面的挡浪墙形式及其后方回填块石量有所不同，在极端高水位3.25m及相应不规则波作用2.5 h（原型）后，调整方案A的5个修改断面的挡浪墙稳定情况见表2。

表2 海堤加固断面调整方案A稳定性试验结果

由表2可知：

1）修改断面1的挡浪墙上部结构为反弯弧鹰嘴形式，修改断面2在修改断面1的基础上，将挡浪墙上部的反弯弧鹰嘴形式改为直墙。修改断面2挡浪墙顶的越浪会稍大些，挡浪墙的后移量比修改断面1小0.01m。

2）修改断面4挡浪墙形式与修改断面2相同，其区别是修改断面4挡浪墙后回填块石的重量和回填块石体积范围都增大了，导致修改断面4墙后回填块石使挡浪墙的被动土压力增强，从而加强了挡浪墙的稳定性。

3）修改断面3与修改断面2相比，挡浪墙后台加高了0.5m，且墙后回填块石深度加深。由于挡浪墙的重量增大，墙后回填块石对挡浪墙的被动土压力也增强了，致使修改断面3挡浪墙的后移量比断面2稍小。

4）由于修改断面1至4的挡浪墙的稳定性有所增强，但仍均处于失稳状态。为确保挡浪墙的稳定性，需要大幅度地增加挡浪墙的重量和墙后回填块石的宽度。

5）修改断面5在修改断面4的基础上，将挡浪墙改为长方形，挡浪墙的自重增加较大，从而增强挡浪墙的稳定性。在极端高水位3.25m及相应不规则波作用下，挡浪墙处于稳定状态[3]。

3.3 海堤加固断面调整方案B稳定性试验

海堤加固断面调整方案B（修改断面6）主要是通过抬高护面肩台的顶高程（护面肩台顶高程由原2.55m增高至4.2m），一则使部分大浪在块石护面处破碎，波能消散，二则块石护面对挡浪墙的掩护作用增强，从而减小了波浪水体对挡浪墙的作用力，提高了挡浪墙的稳定性。

修改断面6的挡浪墙顶高程为5.70m，挡浪墙前护面肩台顶高程为4.2m；外坡上部采用800～1000 kg块石护面，下部护面块石的重量为600～800 kg，外坡各段的坡度均为1∶3；护底块石的重量为200～300 kg，挡浪墙后回填块石的重量为100～200 kg，回填块石宽度为2.7m。修改断面6的结构形式见图2。

在极端高水位3.25m，重现期为50年一遇H13%=2.8 m、=8.9 s的不规则波作用下，海堤加固修改断面6的挡浪墙、600～800 kg护面块石、200～300 kg护底块石均稳定；800～1000 kg护面块石顶高程4.2m肩台处表层少数块石随波浪移动，个别块石沿斜坡滚落；挡浪墙后100～200 kg回填块石表层的部分块石被冲刷后移。

大部分波浪越过堤顶，5.70m高程挡浪墙顶部最大越浪掺气水体厚度约为2.2m，越浪水体最远泼落至距海堤前沿线后7.8m左右处。实测堤顶越浪量为0.049m3/m·s[4]。

海堤加固断面调整方案B抬高了护面戗台及护面肩台的高度，使部分大浪在块石护面处破碎，减小了波浪对挡浪墙的作用力，增强挡浪墙的稳定性，也相应降低了海堤堤顶的越浪量，建议设计单位采用此结构断面。

4 结语

本文通过海堤加固断面模型试验，验证了各修改断面的稳定性。对于加强此斜坡式海堤挡浪墙的稳定性，可采用如下方法。

1）通过改变挡浪墙的结构形式及外形尺度，增加挡浪墙的自重，达到增强挡浪墙稳定性的目的。

2）加大挡浪墙后回填块石的深度及宽度，从而增强回填块石对挡浪墙的被动土压力，以增强挡浪墙的稳定性。

3）优化斜坡式海堤海侧坡面的结构形式，抬高护面戗台及肩台的顶高程，使部分大浪在块石护面处破碎，波能消散，从而减小波浪水体对挡浪墙的作用力。

4）挡浪墙上部加反弯弧鹰嘴，堤顶越浪量虽减少，但波浪对挡浪墙的作用力增强，挡浪墙的稳定性会降低。

[1] JTJ/T234—2001，波浪模型试验规程[S].

[2] 谢世楞，刑复.海港工程设计手册[M].北京：人民交通出版社，1994.

[3] 杨宪章，李景辉.珠海市海泉湾二期发展项目海堤加固工程波浪物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2011.

[4] 李玉成，滕斌.波浪对海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002.