护岸修复稳定性的二维与三维模型试验研究对比

刘洋 刘针 胡朔 陈汉宝 刘海成 张亚敬

摘 要：护岸的稳定性与结构、水深地形、折角、水动力要素等都有关系。二维物理模型试验可以用更接近原体的比尺模拟稳定性和越浪量，三维物理模型能够反映护岸平面布置及其地形的影响。在超越设计的台风浪作用下，护岸发生了护面块体下滑、块体破损、胸墙倾覆等破坏，引发巨大威胁。护岸采用更大的扭王字块体进行防护，采用三维波浪整理物理模型对修复护岸进行稳定性试验研究，并与二维试验的稳定性和越浪成果进行对比并给出分析和推荐意见。

关键词：护岸;稳定性;扭王字块;越浪量

中图分类号：U656.3        文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）05-0083-04

1概述

防浪建筑物的损坏是海岸工程界历来关注的课题[1]。我国大多数沿海地区经常受到台风的袭击，台风一般风力强、频率高、历时长、强度高，在台风经过的区域会形成巨浪，一般会造成港口水工建筑物严重破坏[2]，1972年在3号台风的影响下，大连石油七厂的防波堤严重受损，护面四角空心方块失稳;1981年在14号台风的影响下山东某港口防波堤护面块体失稳下滑，堤脚淘刷严重，挡浪墙坍塌，部分堤顶被冲刷;2011年在梅花台风的影响下，大连某化工厂护岸防波堤部分损坏，挡浪墙滑移，护面块体失稳，造成较为严重的社会影响。梅花台风的一个重要特点是强度高、移动速度较慢，海域形成的波浪周期较长。根据大连损毁海岸工程附近海域测站实测资料，已有文献推算 E 向浪 50 年一遇重现期波浪平均周期为7.5 s， H1/10 为 4.0 m[1];“梅花”台风过程中，E 向浪平均周期9.0 s， H1/10 为 3.03 m。虽然台风期间平均波高比 50 年一遇重现期波高小，但平均周期却已经超过 50 年一遇。通过台风期间波浪特征与 50 年一遇设计波浪进行对比可发现，台风过程引起的较长周期波浪是引起护岸损坏的重要原因之一。由于水深地形、折角及波浪入射方向等因素的影响引起的局部的波能集中，也是造成防浪建筑物损坏的重要原因。

根据防波堤破坏主要原因，选择不同的修复加固方法，如在出现台风频率较高的区域设计时，需考虑提高设计标准，在堤头及波能集中部位可以选择加大块体重量等。对于修复方案必须通过波浪数学、物理模型试验或现场观测等手段进行验证。二维物理模型试验可以用更接近原体的比尺模拟稳定性和越浪量，三维物理模型则能够更好地反映护岸平面布置及其地形的影响。本文采用二维和三维波浪模型对受梅花台风破坏的大连某化工码头护岸修复稳定性进行试验，对试验中出现的稳定性和越浪成果进行对比并给出分析和推荐意见。

2防波堤修复方案

图1为修复加固后防波堤平面布置图，图2为堤头处断面原设计与加固断面对比图，图3为拐角处断面原设计图及加固断面对比图。从断面图可以看出原设计中堤头处护面块体为9t扭王字块，拐角及堤身处护面块体为7t扭王字块，在“梅花”台风期间，现场堤心石被淘出、防波堤护面发生损坏和下滑等破坏，因而引发后方陆域塌陷的巨大威胁。修复加固方案为在破坏的防波堤上采用更大的扭王字块，堤头及堤身全部采用15t扭王字块，原护面块体直接作为加固护面块体的垫层，随着护面高程的加高，胸墙高程由原来的+7.50m加高至10.0m，详见图2和图3。

3波浪整体模型试验研究

3.1 试验介绍

本次试验在临港试验基地综合试验厅港池中进行，模型按照重力相似准则设计，块体重量级模型断面结构尺寸均满足几何相似，模型重量计算时考虑海水与淡水密度差的影响，波浪模拟采用港池专用摇板式不规则波造波机，水池四周均设置有消波设备。根據场地及试验技术要求，波浪整体物理模型试验比尺为1：60，时间比尺为7.75[3]。试验模型见图4所示。

3.2 试验水位

极端高水位：3.10m （100年一遇）;极端高水位：2.96m;设计高水位：1.86m;设计低水位：-1.62m。

3.3 试验波浪条件

采用重现期100年一遇SE、S、SW三个方向的不规则波进行试验，来浪方向与模型相对位置见图5所示。试验波浪要素通过波浪数学模型推算获得，不规则波设计波浪要素详见表1。

3.4 物理模型试验方法

波浪物理模型试验时，根据波浪模型试验规程（JTJ/T 234-2001）[4]，每组工况模拟时间为原体为3h，观察断面各个部位在波浪累积作用下的变化情况。每组至少重复3次，当3次试验结果差别较大时，要增加重复次数，每次试验断面块体需重新摆放。

3.4.1稳定性判断

（1）护底块石。波浪累积作用3h后观察护底块石的整体情况，根据护底块石表面是否发生明显变形、是否失去护底功能来判断是否稳定性。

（2）护面块体。护面块体为扭王字块时：在波浪累积作用3h后，观察护面块体位移超过块体最大几何尺度一半、块体滑落或跳出时，即判断为失稳，没有位移即判断为稳定。

3.4.2越浪量

越浪量的测量是在测量位置用接水装置接取越浪水体，通过接到水体的质量或体积得到模型的越浪量，不规则波需接取一个完整波列的总越浪水体的质量或体积作为相应历时的总越浪量，然后计算单宽平均越浪量。

4模型试验结果

4.1 断面稳定性

在重现期100a波浪作用下，设计低水位时500～800kg护底块石表面个别晃动，波浪连续作用3h后，块石表面整体未发生明显变形，因此判定稳定;扭王字护面块体、胸墙均保持稳定，护面块体失稳率为0。设计高水位和极端高水位（100a）时，护底块石、护面块体及胸墙均保持稳定，原设计方案中的7t扭王字块作为垫层也表现出良好的稳定性。

4.2 堤顶越浪量

4.2.1  SE向浪作用

在极端高水位（100a）重现期100a一遇波浪作用下，波浪爬高可越过堤顶形成越浪，最大平均越浪量为0.025m?/m.s;设计高水位时最大平均越浪量为0.0068 m?/m.s，设计低水位时由于水深和波高较小，仅有溅浪，无明显越浪出现。

4.2.2  S向浪作用

相对于SE向来浪，S向来浪更直接作用于防波堤，由于S向来浪相对于SE向来浪小很多，因此防波堤在S向浪作用下各水位时堤顶均未发生越浪，在极端高水位（100a）重现期100a一遇波浪作用下存在溅浪现象。

4.2.3  SW向浪作用

相对于S向来浪，SW向来浪先作用于防波堤堤头，因此在极端高水位（100a）水位时堤头出现壅水现象，溅浪位置由拐角西侧变为拐角点东侧防波堤处（见图6），由于SW向来浪比S向来浪较小，因此溅浪现象均不明显。

4.3 与波浪断面试验结果对比及分析

本工程对防波堤和护岸断面也进行了波浪水槽试验，通过对比波浪整体与断面试验结果发现，波浪断面试验中的防波堤和护岸断面结构，各部分均能保持稳定，原设计方案中的7t扭王字块作为垫层也表现出良好的稳定性，这与三维结果保持一致。在相同的波浪条件和断面位置处越浪量出现差异，在极端高水位（100a）波浪作用下，西护岸7#断面位置二维与三维物理模型中越浪量分别为0.0011 m?/m.s和0.0039m?/m.s，在极端高水位波浪作用下，防波堤处4#断面位置越浪量分别为0.023m?/m.s和0.057 m?/m.s，设计高水位时均无明显越浪出现。经过对比可知，二维断面试验越浪量比三维试验中大60%～70%。

分析二维断面越浪量偏大的原因有以下几点：首先断面试验中采用的为正向浪作用，而三维整体模型中入射波浪与防浪建筑轴线存在一定的夹角，造成越浪量的不同，这与Owen[5]、Juhl[6]、Banyard[7]、李晓亮[8]等研究的波向角对平均越浪量有影响的结论相符;其次，由于水槽长度的限制，对于波长较长的波浪在水槽中试验时更容易造成入射波浪的叠加，导致堤前壅水，造成越浪量偏大[9]。因此，采用三维稳定性试验的结果相对更为合理。

5主要结论

在超越设计的台风浪作用下，护岸发生了护面块体下滑、块体破损、胸墙倾覆等破坏，引发巨大威胁[10-11]。分析护岸受损原因主要是台风期间波高和周期的增大造成的[12-13]，因此，在修复加固工程中将设计标准提高了波浪标准。本文采用三维波浪整理物理模型对修复加固护岸进行稳定性试验研究，并与二维试验的稳定性和越浪成果进行对比。通过对比波浪整体与断面试验结果发现，波浪断面试验中的防波堤和护岸断面结构，各部分均能保持稳定，原方案中的7t扭王字块作为垫层也表现出良好的稳定性，这与三维波浪物理模型结果保持一致。越浪量试验中两者出现较明显的差异，经过对比可知，模型中相同波浪条件和断面位置处二维断面试验越浪量比三维试验中大约60%～70%，由于二维水槽试验受各种因素制约，不能有效地反应平面布置、地形及方向角的影响，其越浪量结果会比采用三维防波堤模型试验的结果偏大，基于三维波浪物理模型试验比二维波浪断面物理模型试验更能够真实的反映海浪的传播变形和好浪对防浪建筑物的作用情况，其结果可以避免槽壁限制、正向浪作用等二维试验中的不足。因此，三维波浪物理模型试验研究能更加真实的模拟工程情况，对工程设计具有更好的指导意义。

参考文献：

[1] 林谌， 张庆河等. 2011年“梅花”台风过程波浪模拟研究[J].港工技术， 2015（5）：10-14.

[2] 胡曦光. 深水斜坡堤破坏致因分析及修复方法研究[D]. 中国海洋大学， 2014.

[3] 杨会利， 刘海成， 陈汉宝. 扭王字块护岸破坏修复方法波浪稳定性试验研究[J]. 中国港湾建设， 2019（4）：43-47.

[4] 波浪模型试验规程[S]，JTJ/T234-2001。

[5] Owen， M.W..Design of seawalls allowing for wave overtopping. Report  EX 924， HR Wall United Kingdom， 1980.

[6] Juhl， J， Sloth， P..Wave overtopping of breakwaters under oblique waves. Proc. 24 th Int Conf on Coastal Eng， Kobe， ASCE， 1182-1196， 1994.

[7] Banyard， L and Herber， D M. The effect of wave angle on the overtopping of seawalls. HR Wallingford， Report SR396， December 1995.

[8] 李晓亮. 斜向和多向不规则波在斜坡堤上越浪量的研究[D]. 大连理工大学， 2008.

[9] 高峰， 雷华， 张慈珩，等. 随机波浪作用下的防波堤三维稳定性及越浪量试验研究[J]. 水运工程， 2015（10）：50-56.

[10] 李炎保， 蒋学炼， 刘任. 防波堤损坏特点与其成因的关系[J]. 海洋工程， 2006， 24（2）：130-138.

[11] 吳永强， 李炎保， 刘颖辉. 防波堤损坏研究进展及损坏原因浅析[J]. 港工技术， 2008（2）：8-11.

[12] 陈晓斌， 周林， 史文丽，等. 台风“梅花”风浪场和涌浪场特征分析[J]. 海洋科学进展， 2013， 31（1）：22-30.

[13] 邹文峰. 台风浪在我国内海的传播、演变数值模拟[D]. 大连理工大学， 2011.