复式斜坡堤螺母块体护面波压力计算方法

2021-04-27刘晓晖陈海英

中国港湾建设 2021年4期

刘晓晖，陈海英

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）

0 引言

螺母块体是海岸工程中护面块体的一种，早期澳大利亚提出并进行了相应的试验研究，20世纪80年代以来，河海大学、天津水运科学研究所也对螺母块体开展了专题研究，提出了螺母块体厚度计算方法[1]。由于螺母块体的经济效益较好，在上海地区工程施工中得到了大量的推广应用，为了提高施工速率，在横沙五期工程中对螺母块体进行了改进，将4个螺母块体连成整体，形成四联体螺母块体[2]。四联体螺母块体单个面积较大，需要考虑波浪对螺母块体产生的压强，核算块体强度。

关于作用在斜坡堤上的波浪冲击力的计算，前人已在光板和栅栏板方面做了较多研究，目前国内应用最为广泛的是苏联规范采用的波压力公式[3]，该公式在20世纪70—80年代利用大型波浪水槽试验加以完善，我国的海堤规范等也都采用该计算方法。王鉴义等[4]采用不规则波进行斜坡堤不透水板护面压强试验，认为上述公式与不规则波试验结果基本符合。Neelamanil S等[5]和仲南艳[6]分别采用规则波和不规则波进行斜坡堤不透水板护面压强试验，试验结果相近。冯卫兵等[7-8]分析了莆田实验站实测资料，并采用不规则波进行斜坡堤不透水板护面压强试验，提出护面压力经验公式。在我国规范中，栅栏板最大波压力计算公式为pm=0.85ρgH[9-10]。

本文将在以往研究资料的基础上，通过现场试验和室内试验相结合的方式[11-13]，研究不同参数对螺母块体护面压力的影响，提出波压力强度计算建议公式。

1 现场原型试验

现场原型试验在横沙东滩东端斜坡堤上开展，该位置平均潮位约4 m，平均低潮位约2 m，斜坡堤为复式堤型，堤身高度7 m，平台高程3.2~3.3 m，上下坡坡比均为1颐2.5，护坡为灌砌块石上压螺母块体，螺母块体厚度40 cm。波压力观测仪器共布设8个，下坡3个，平台1个，上坡3个，防浪墙壁1个，仪器具体布置位置见图1。为获得现场实时潮位、波浪和风速等，在斜坡堤坡脚外侧布置了潮位和波浪观测计，在斜坡堤上方布置了风速观测仪。现场观测于2013年5月开始，共获得7 d的波压力观测数据。

图1 原型观测断面图Fig.1 Section view of prototype observation

2 室内试验

2.1 试验设备及量测仪器

室内断面物模试验在断面水槽中进行，该水槽可同时产生波浪、水流和风。水槽长64 m、宽1.8 m、深1.8 m。水槽的工作段分割成0.8 m和1.0 m两部分，其中一部分用来安放模型断面和进行模型试验，另一部分用于扩散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有推板式不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。

2.2 模型设计

断面试验模型比尺取为1颐14。试验断面与原型保持几何和重力相似。波浪按重力相似准则模拟，试验采用不规则波进行，波谱为JONSWAP谱，试验中波高测点位置与现场实际测量位置相同。波浪压强传感器布置在斜坡堤上，测点布置与现场布置相同。试验中压强传感器采样频率分别为100 Hz、50 Hz、10 Hz和2 Hz，数据由计算机自动采集，测量结果采用计算机程序分析处理。每次试验重复3次，取3次平均值作为试验结果。当3次重复试验的试验结果差别较大时，则增加重复次数。

2.3 试验组次

1）验证试验组次，采用现场实测数据和室内试验数据进行对比分析，对室内试验进行验证，波压力仪器位置与现场一致。螺母块体护面压强实测数据共有7 d的101组资料，选取其中14组进行护面压强二维断面验证试验，试验组次如表1所示。

2）研究试验组次，研究试验模型断面选用上海地区常用的复式斜坡堤，试验平台宽度分别为5 m、7 m，平台高程为5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m，海堤斜坡坡度为1颐2.5、1颐3。水位为上海横沙站100 a一遇高潮位5.75 m和10 a一遇高潮位5.16 m，有效波高为2.6 m，周期为5 s、6 s、7 s、8 s、9 s。波压力仪器共布置16个，其中上坡6个，平台3个，下坡6个。仪器布置如图2（以平台高程5.5 m为例）。

表1 现场原型实测和室内水槽断面试验结果Table 1 Results of field prototype test and indoor flume section test

图2 模型试验断面波压力仪器布置图Fig.2 Layout of wave pressure instrument in model test section

3 试验结果及分析

3.1 原型试验及室内试验验证结果

经过整理，得到现场原型实测最大波压力和室内水槽断面试验波压力结果如表1。由试验结果可见：

1）总体上看，现场实测数据的相对最大护面压强（pm/ρgH1%）在0.42~0.93，大多在0.6左右；断面验证试验相对最大护面压强（pm/ρgH1%）在0.43~0.87，大多在0.6左右，差别不大。并且最大波压力发生位置也基本一致，发生在平台附近。

2）对于不同采样频率，100 Hz频率下的值明显大于10 Hz和2 Hz时的值，特别是对于较大波浪条件下的最大值。10 Hz和2 Hz频率下的试验值与实测值较为接近。

产生这一原因是由于现场条件非常复杂，并且采样频率采用2 Hz较小，可能漏测压强最大值，相对比较接近的波浪、潮位条件下，护面最大波压力有时也有较大差别。为了尽量采集到最大波压强，室内模型研究试验频率取100 Hz。

3.2 室内研究试验结果分析

海堤结构形态主要研究不同斜坡坡比、不同平台宽度以及不同平台高程3种情况。经过试验数据整理，以图形方式表示最大相对压强p1%*=p1%/（ρgH1%）、p1/3*=p1/3/（ρgHs）和堤前平均破波参数ξ1%=tanα/（H1%/L）1/2，ξ13%=tanα/（Hs/L）1/2，以及波坦L/H的变化关系，式中：α为斜坡坡度；L为堤前波浪平均波长。

3.2.1 平台高程+5.5 m，平台宽度5 m

不同斜坡坡比的影响结果如图3所示。

图3 不同坡度相对压强p1%*随波坦L/H1%变化（水位5.75 m）Fig.3 Variation of relative pressure p1%*with wave evenness L/H1%at differentslopes（water level 5.75 m）

由试验结果可见：

1）两个水位下相对压强随破波参数的变化明显不同。水位在平台以上，相对压强较小，随ξ的增大而增大；水位在平台以下，相对压强较大，随ξ的增大而缓慢减小。这主要是由于水位在平台以上时，受平台消浪影响，波浪对上坡作用减弱，而下坡又在水面以下，波压力较小；水位在平台以下时，波浪直接作用下坡，波压力较大。

2）水位5.16 m在平台以下时，两种坡度下的相对压强变化规律基本相同；水位5.75 m在平台以上时，两种坡度下的相对压强变化趋势相同，但明显形成两组系列，最大压强与破波参数相关性不强。这主要是由于波浪在平台上破碎，最大波压力发生在上坡，破波参数的影响已弱化。

3）水位5.75 m在平台以上时，两种坡度的最大相对压强随波坦的变化规律基本相同，两组数据融合较好。

3.2.2 平台高程+5.5 m，坡比1颐3

不同平台宽度的影响结果如图4所示。

图4 不同平台宽度最大p1/3*比较（水位5.75 m）Fig.4 Comparison of the maximum p1/3*at different platform widths（water level 5.75 m）

由试验结果可见：两种平台宽度下的最大相对压强变化规律基本相同，差别不大。

3.2.3 平台宽度5 m，坡比1颐3

不同平台高程的影响结果如图5所示。

图5 不同平台高程相对压强p1/3*随波坦L/H13%变化（水位在平台以上）Fig.5 Variation of relative pressure p1/3*with wave evenness L/H13%at different platform elevations（water levels above the platform）

由试验结果可见：

1）相对压强随破波参数ξ的变化相同。试验水位在平台以下，表现为最大压强随ξ的增大而缓慢减小的低水位型。试验水位在平台以上，表现为最大压强随ξ的增大而增大的高水位型。

2）试验水位在平台以上，护面最大相对压强随波坦的变化规律基本相同，两组数据融合较好。