深中通道西人工岛岛形对护面块体稳定性和堤顶越浪的影响*

戈龙仔,蔡翠苏,胡 鹏,刘海源

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

1 概述

深中通道是连接广东省深圳市和中山市的大桥，是世界级超大的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，路线起于广深沿江高速机场互通立交，与深圳侧连接线对接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新区马鞍岛上岸，终于横门互通，全长24 km。项目西人工岛原泥面高程为-15～-12 m，岛形采用了分水效果较好的菱形，形似中国传统的风筝，人工岛岛壁轴线东、西方向长625 m，南、北方向宽430 m，陆域高程为4.9 m，北侧布置救援码头，码头长度为65 m，设计采用直立沉箱结构。为便于描述，将西人工岛各岸线按逆时针分为5条，分别为AB、BC、CD、DE、EA，具体工程平面布置见图1。人工岛岛壁的断面结构采用台阶+扭王字块的组合方案，堤顶高程为9.0 m，结构断面见图2。考虑到西人工岛凹凸多变的特殊岛形，尤其直接面对珠江口且易受强浪作用的外侧AB段岛壁，轴线为内凹后直接衔接转角BC段和AE段，与传统设计的建筑物和规范规定“轴线夹角应向外侧拐，且夹角大于150°以上”的要求存在较大的差异，另外根据现场关于勾连护面块体施工经验判定，这种凸凹多变的岛壁形状，将大大减弱护面勾连咬合的性能。因此针对这种复杂水工结构建筑物，面对珠江口传入强浪向(SE向)斜向入射作用，按照规范公式进行块体稳定性和堤顶越浪量计算，由于入射波浪在特殊岛形后将产生波能集中、波浪破碎产生波流叠加作用，以及转角区漩涡等复杂波态，很难准确计算出块体的稳定质量，经以往研究成果验证后均发生失稳，表明针对复杂条件下计算的结果偏小。姜云鹏等[1]提出，特殊防波堤形态条件下，波浪破碎使局部冲击能量增加，从而使设计质量块体失稳，以及拐角处扭王字块护面块体受波浪侧向力作用比正向偏于危险。夏运强等[2]指出波浪在特殊转角区段形成复杂漩涡等复杂波态、最终导致护面块体稳定性影响，并提出优化措施。戈龙仔等[3]得出，在特殊地形下波浪破碎导致设计质量的扭王字块体之间咬合性减弱，脱开、失稳，并提出优化措施。张宏等[4]指出护岸段内凹处、外凸端部和斜坡护岸段与两端结构相交处等特殊部位受波能集中,原设计护面块体失稳，提出通过加大块体质量来稳定的优化措施。综上，考虑深中通道工程的重要性和西人工岛岛形的特殊性，有必要对西人工岛进行块体稳定性和堤顶越浪量的试验研究，确定设计方案的护面块体稳定性和堤顶越浪量是否满足要求，以此提出必要优化调整措施，为设计方案确定提供科学依据。为了能更清楚描述岛形的影响，根据西人工岛的平面布置，以及本次三维港池整体物理模形试验的统计结果，从AB、BC、CD、DE、EA共5段岛壁中选择外海波浪能直接作用、块体稳定性和堤顶越浪量受岛形影响最大的AB段进行论述。

图1 工程平面布置

图2 方案结构断面(高程：m)

2 试验研究

2.1 试验条件

试验水位为：重现期300 a极端高水位3.61 m；设计高水位1.89 m；设计低水位-0.73 m；重现期300 a极端低水位-1.41 m；试验波浪要素为：对于AB段岛壁，由珠江口传入不同方向外海波浪结果统计分析得到，SE向为强浪向，因此选择该波向进行试验验证，波要素结果见表1。断面结构为：台阶+扭王字块护面组合方案，具体见图2。

表1 试验波要素

2.2 模型设计与制作

模型采用定床、正态，几何比尺为40。模型试验港池宽40 m、长45 m，试验水池中配备先进的L形港池吸收式多方向造波机，该造波机造波能力为：最大造波水深0.7 m，波高0～30 cm，周期0.5～5.0 s，可以实现180°多方向造波。为解决边壁反射影响在港池四周设置消波边界。模型地形制作采用桩点法复制，按1.0 m×1.0 m布设桩点，平面尺寸偏差控制在1 cm以内，桩点高程用水准仪精确控制，偏差在1 mm以内，场地平面尺寸用钢卷尺测量。护面块体制作采用原子灰和铁粉进行加工，质量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程要求，模型制作完成效果见图3。试验采用不规则波的JONSWAP谱[5](γ=3.3)。

图3 模型制作完成效果

2.3 试验方法

由于人工岛的特殊形状，由试验观测，波浪作用下AB岸线沿程不同位置上水存在差异，为了测量堤顶越浪量的结果，对AB段岛壁进行区域划分，具体为端部B点转角区、AB-1区、AB-2区、AB-3区、AB-4区、AB-5区、AB-6区、AB-7区、AB-8区、AB-9区和端部A点转角区，共计11个，分区见图4。对每个区段分别进行测量，通过集水槽测取每一个完整波列的越浪量，将水称质量并折算成体积，再换算到原体，得到单位长度、单位时间内的平均越浪量。

Q=V/(bt)

(1)

式中：Q为单宽平均越浪量(L·m-1·s-1)；V为1个波列作用下的越浪总水量(L)；b为收集越浪量的接水区域长度(m)；t为1个波列作用的持续时间(s)。

图4 AB段测量分区布置

3 试验结果与分析

3.1 岛形影响下岛前波况

由试验发现，在不同水位、强浪向SE斜向入射作用下，入射波浪首先由人工岛转角B点位置分成两股浪，波浪分别沿AB、BC岸线向两侧传播，人工岛受波浪影响的区段为人工岛的BC、AB和AE段。针对AB段岛壁前波浪分布为：波浪由B点传入，并迅速在岛壁内凹弧顶处形成波能聚集和反射叠加现象，表现为波能集中和局部波高增加，此时岛前波群中部分波浪发生破碎水体冲上岛，破碎产生的破波流与入射波浪叠加向端部A点角处集中释放，形成冲击波。波浪流在经过岛端部转角时，由于水面突然变宽，波浪流惯性前行，造成靠近人工岛岛壁侧的“负压区”，此时周围水体进行补充而产生复杂的漩涡现象，测量得到此时的漩涡流的流速达到5.0 m/s以上。综上，外海入射波浪受特殊岛形的影响，形成了一系列波能集中、波浪破碎、越浪和端部漩涡流等复杂的波况，这将对块体的稳定性和堤顶越浪量产生不利的影响。

3.2 岛形影响下的块体稳定性

针对特殊岛形，首先参考JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》[6]中给出的单个块体的稳定质量计算公式(2)，依据提供的设计波高进行块体稳定质量计算。

(2)

(3)

式中：W为单个块体的稳定质量(t)；ρb为块体密度(t/m3)；KD为块体形状稳定系数；H为设计波高(m)；α为斜坡与水平的夹角(°)；ρ为水的密度(t/m3)。

规范也指出公式(2)的限定条件是波向线与斜坡堤纵轴线法线的夹角小于 22.5°，且堤前波浪不破碎，考虑到岛壁AB段为内凹形态，在某个区段可以满足上述条件，因此块体稳定质量暂按公式(2)进行计算，设计波高按照最不利波要素H5%计算得到扭王字块稳定为1.76 t，同时根据规范“对于斜坡堤堤头部分块体质量须考虑增加30%以上，位于波浪破碎区的堤身和堤头的块体质量，均应相应再增加不少于25%”的规定，最终按照规范公式计算，得到岛壁中间段稳定质量为2.28 t、岛壁端部稳定质量为2.85 t。

考虑到开展三维港池整体物理模型试验中护面块体制作数量多、提交成果周期长，因此在开始三维整体物理模型试验时，也开展了二维水槽断面试验，验证方案块体的稳定性。在不同水位、波浪作用下，得到方案块体质量3.0 t时失稳，优化采用质量5 t的块体则稳定，因此设计方案护面块体采用质量5 t的扭王字块。

采用上述设计方案，开展三维港池整体试验验证，针对岛壁AB段块体稳定性，由试验观测发现，低水位时，岛壁坡脚安放于棱体块石上方的2排质量5 t扭王字块护面块体受波浪作用滚落失稳；高水位，护面块体与台阶连接区域和岛的端部A点转角位置,护面块体5 t扭王字块也滚落失稳，见图5。针对块体失稳特点分析：低水位时，叠加后的斜向浪在坡脚棱体块石表面发生破碎形成破波流，尤其波谷时，由于波流联合吸力作用，靠海侧块体间失去支撑而失稳，并在沿堤流推力作用下向岛端部A点位置堆积。高水位时，尤其转角位置，受内凹波能集中和岛端部转角集中释放，波流主导的侧向力很快将勾连的扭王字块护面块体之间脱开，随着漩涡波流持续作用，最终导致护面块体失稳。这也再次验证了转角位置(例如防波堤堤头等)护面块体稳定性侧向力作用比正向波浪力偏于危险的结论。另外，从模型上块体摆放难易程度来看，端部转角段难于直线段块体的安放，所以转角凹凸变化的特殊岛壁形状，也会减弱护面块体咬合性能，在现场施工中，须关注和重视块体安放。

图5 护面块体失稳情况

通过三维港池整体稳定性试验可知，受岛形影响，经二维水槽断面试验优化后得到质量5 t的设计方案的护面块体仍失稳，为了稳定方案，先后采取了2种优化措施，包括坡脚加大块体质量和增加前排块体的支撑作用。端部转角凸出区段加大块体质量，同时关注块体间的咬合和施工数量，优化措施及试验结果见表2。

三维港池整体稳定性结果验证表明：凹凸多变的特殊岛形，对利用块体间勾连咬合块体稳定性影响较大，与采用规范公式计算和二维水槽试验验证的结果对比，须增加稳定质量。同时位于转角凸出区段，漩涡流形成的侧向力对块体稳定性比正向波浪力更偏于危险。因此对于凸凹多变的特殊岛形、防波堤堤头等水工结构物，三维港池整体模型试验更能真实反映原体上的实际波浪作用情况，也再次验证了三维整体模型试验在块体稳定和优化设计方面论证的必要性。

表2 稳定性优化后结果

3.3 岛形影响下的越浪量

采用优化后块体稳定方案进行越浪量试验，发现只有重现期300 a极端高水位时人工岛堤顶存在上水现象，岛壁越浪情况见图6。测量此时越浪结果见表3，由表3可知：对于整个AB段的岛壁，越浪量与波浪传播分布规律相同，在人工岛端部A点转角位置越浪量最大为14.9 L/(m·s)，可满足工程提出的15.0 L/(m·s)的要求。

表3 三维港池整体试验越浪量结果

图6 三维整体试验和二维水槽试验越浪对比情况

对于受特殊岛形影响下的越浪量，采用JTS 154—2015《港口与航道水文规范》[7]给出的斜坡堤堤顶有胸墙时的公式进行计算对比分析。

(4)

式中：Q为单位时间单位堤宽的越浪量(L·m-1·s-1)；H′c为胸墙堤顶在静水面以上的高度(m)；H1/3为有效波波高(m)；b1为胸墙前肩宽(m)；B为经验系数；KA为护面结构影响系数；Tp为谱峰周期(s)；m为斜坡坡度系数；d为建筑物前水深(m)；g为重力加速度(m/s2)；

通过公式(4)计算得到重现期300 a极端高水位对应波浪条件下，越浪量为5.41 L/(m·s)。而采用二维水槽断面试验测量了相同条件下堤顶越浪量，得到重现期300 a极端高水位波浪作用下，越浪量为7.91 L/(m·s)。与表3的越浪量比较可知，受岛形影响的转角处越浪量，三维整体试验最大，与以往日本运输省港湾技术研究所(PARI)[8]和高峰等[9]所提出的“水槽试验因正向浪作用和受水槽边壁壅水影响，越浪结果将大于采用规范公式计算和三维港池整体模形试验结果20%～30%”的结论存在差异，而其它岛壁段，则仍符合以往研究成果的结论，原因为，以往研究的防波堤轴线基本为直线或轴线向外侧拐布置，而对于特殊水工建筑物，须综合考虑其影响因素。综上，无论处于哪种结论，为了能更真实地反映原形波浪作用的结果，应采用三维整体模型试验结果验证工程稳定性和越浪量。

4 结语

1)在凸凹多变特殊岛形的影响下，岛前波浪形成了波能集中、沿程破碎和端部漩涡流等复杂的波态现象；参照模型块体摆放难易程度来看，端部转角段难于直线段块体的安放，因此岛形结构对块体勾连稳定影响较大，设计、施工应给予注意和重视，应尽量遵循规范关于轴线向外侧拐、且夹角大于150°以上的要求。

2)受岛形的影响，设计方案中质量为5 t的扭王字块体均失稳，经过多次优化，坡脚增加支撑作用的棱体块石和加大块体质量已达到稳定，堤身断面增加至质量8 t可达到稳定，端部须增加至质量14 t方能稳定。试验得到的稳定质量均大于采用规范公式计算和二维水槽断面试验验证的结果，模型试验也再次验证了转角位置侧向力比正向波浪力对护面块体稳定性更危险。

3)受岛形的影响，端部转角处越浪量的试验结果大于采用规范公式计算和二维水槽断面试验验证结果，与以往研究成果不同。但其它位置仍与之相吻合，因此为了在实验室内能更真实地反映原形波浪作用，应采用三维整体物理模型试验研究。通过本次试验再次验证了三维整体物理模型试验的必要性。