基于波浪断面物理模型试验的大万山岛防波堤(潜堤)工程稳定性研究

杨志伟

(珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广州 510635)

1 概述

防波堤(潜堤)通常由混凝土、石头、木材或钢筋混凝土等材料构建而成[1-5]，其主要作用是保护海岸线和港口设施，防止海浪侵蚀和水位上涨对海岸线和周围区域造成的破坏[7-14]，因此，研究防波堤(潜堤)稳定性具有重要意义。为了改善大万山岛锦塘湾及周边海域海洋生态环境，拟在大万山岛西北侧的锦塘湾岸段进行沙滩修复工程，同时在离岸水域构筑水下潜堤，潜堤长约280 m，推荐堤顶面高程-1.0 m。为明确潜堤结构设计参数，有必要基于极端波浪动力条件对潜堤进行断面物理模型试验，验证堤顶宽度、堤顶高程、加固体的稳定重量，并对断面结构进行优化。因此，本文以珠海大万山岛防波堤(潜堤)工程为例，通过波浪断面物理模型试验，研究了工程防波堤断面在相应设计水位及设计波浪动力作用下，护面块体(扭王字块或抛石块体)、块石垫层、护底块石等各部位的稳定性，并测量潜堤结构前后的波浪动力要素，并提出了相应的加固措施，为大万山岛锦塘湾整治工程防波堤(潜堤)结构设计提供科学依据。

2 试验设计参数及设备

2.1 试验设计参数

本次试验各设计水位如下：设计高水位为1.742 m；设计低水位为-0.72 m；极端高水位为 2.883 m，极端低水位为-1.725 m。本试验采用的设计波浪要素由自然资源部第三海洋研究所2020年3月编制的《珠海市大万山岛重点海湾整治工程可行性研究报告(报批稿)》成果提供，并在中船第九设计研究院工程有限公司2020年7月编制的《珠海市大万山岛重点海湾整治工程初步设计》中使用。工程区域对潜堤影响的主要波向是S向～SW向，设计波要素见表1。试验规程包括《波浪模型试验规程》(JTJ/T234—2001)、《港口与航道设计水文规范》(JTS 145—2—2015)、《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)、《海堤工程设计规范》(GBT 51015—2014)。

表1 锦塘湾口门处50 a一遇设计波要素

2.2 试验设备

大万山岛锦塘湾潜堤工程波浪断面物理模型水槽的长、宽、高分别为52 m、1.0 m、1.3 m；试验仪器及材料包括造波机、电容式波高仪、动水压力传感器、电子称(精确到0.01 g)、高清摄像机扭王字块体、块石、砂、土工布、水泥等。部分试验仪器见图1。

图1 部分试验仪器示意

3 模型设计及试验方法

3.1 模型设计

模型试验要求代表波浪更符合现场的实际情况，并尽可能减小比尺效应的影响，因此，选择模型比尺要综合考虑波浪水槽尺寸、断面结构以及设计波浪要素、水位等因素。模型按重力相似准则及《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234—2001)的有关要求进行设计，根据试验断面结构尺寸、水深、波浪等多种要素及水槽尺度和造波机性能指标，确定本次断面模型试验采用正态模型，潜堤断面结构几何比尺为λ=24，满足规范中关于斜坡式防波堤比尺≤40的要求，相应的其他物理量的模型比尺为：

长度比尺：λL=λ；时间比尺：λt=λ0.5；重量比尺：λW=λ3。

模型安放位置距造波机的距离为7倍平均波长之外，后方距消浪网的距离大于5倍平均波长。根据设计方提供的防波堤断面尺寸，制作断面模型。断面中扭王字块由水泥砂浆混合适量铁粉浇制而成，护面块石、垫层块石、护底块石等均采用天然块石。根据设计单位提供的断面布置方案，水槽宽1.0 m，模型摆放宽度为0.5 m，水槽中间用玻璃板材隔开，扭王字块护面块体的摆放遵循“随即摆放、相邻不同向”的规则，先铺设堤心石，然后铺设块石垫层，护底块石，最后铺设扭王字块或者护面块石。为了便于观测，试验断面所使用的块体和块石均涂有不同颜色。试验中模型块体的安放方法亦与现场相似，安放数量符合《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)附录C中的规定(最终制作的5个主要断面物理模型见图2)。试验中还在防波堤前后布置了5个波高仪，分别用于测量深水情况下的波浪要素1#(在水槽中位于防波堤前10.3 m)、深水情况下的波浪要素2#(在水槽中位于防波堤前10.0 m)、深水情况下的波浪要素3#(在水槽中位于防波堤前5.0 m)、堤前波浪要素4#(在水槽中位于防波堤前1 m)；堤后布设1个波高仪(4#，在水槽中位于防波堤后1 m)，测量堤后波高，其中1#和2#测点为波浪率定点。

图2 5个主要断面物理模型示意

3.2 试验方法

先采用不规则波进行断面稳定性试验，试验前先用小波连续作用一段时间，然后再用率定的波要素进行试验。采用目测和录像的方法，观测扭王字块护面块体或者块石护面、护底块石、块石垫层等各部位的稳定性。每个水位条件下波浪持续作用时间不小于原型2 h，以便观察潜堤断面结构在波浪累积作用下的变化情况。采用不规则波进行透射波试验，使用浪高仪进行波浪透射系数计算，其测定历时控制在100～150个波，采集时间间隔为0.02 s，试验重复3次，透射波取3次平均值。本次综合考虑S和SW向设计波要素，考虑最不利条件H13%波高选取为4.28 m，谱峰周期Tp选取为9.89 s，给出以下试验工况的结果：① 极端高水位(2.883 m)+50 a一遇最不利波浪条件；② 设计高水位(1.742 m)+50 a一遇最不利波浪条件；③ 设计低水位(-0.72 m)+50 a一遇最不利波浪条件；④ 极端低水位(-1.725 m)+50 a一遇最不利波浪条件。根据试验结果提供优化试验：当提供的试验断面不稳定时，应修改断面，直至稳定为止；当提供的试验断面能够满足，应重新对断面进行优化，给出优化方案的试验成果。

3.3 波浪模拟

按照试验技术要求，不规则波的频谱采用JONSWAP谱进行模拟，其表达式为：

(1)

(2)

(3)

式中：

Hs——有效波高，m；

Tp——谱峰值周期，s；

fp——谱峰值频率，Hz；

γ——谱峰值参数，取3.3。

不规则波率定试验时一次采集波浪数据控制在200个波左右，试验中波浪数据采集3次，并取其平均值做试验结果的代表值，采集的时间间隔为0.02 s。断面模型安放前，先率定所需的波浪要素。经过统计分析，给出该波浪时间序列的各种波浪要素，并与给定的波浪要素或给定的理论谱形比较，若产生的波浪要素不满足要求，对上次的造波驱动信号进行修正，直至能够得到符合要求的波浪。不同设计水位下断面波浪谱型对比见图3。

a 极端高水位

b 设计高水位

c 设计低水位

4 工程设计方案及试验组次与优化

本次断面物理模型试验共包括潜堤断面6个，其中，扭王字块护面方案3个(堤顶高程0 m、-1 m、-2 m)，抛石护面方案1个(堤顶高程-1 m)，优化方案2个(堤顶高程-1 m优化方案1、堤顶高程-1 m优化方案2)。

4.1 扭王字块护面方案

1)堤顶高程

潜堤堤顶高程考虑0 m、-1 m、-2 m 3种情况，由于本工程区设计低水位(低潮累积频率 90%)为-0.72 m，为美观考虑，须使潜堤长期没于水下，故潜堤顶面高程设计以-1.0 m为推荐方案(见图4)。

图4 扭王字块护面潜堤典型断面示意(单位：高程m，长度cm)

2)堤身断面

防波堤的结构形式应根据当地自然条件、使用要求、材料来源和施工条件等因素，并结合当地的自然和人文特点，兼顾亲水、生态或景观要求等选定。结合地形、地质及水文条件，潜堤采用斜坡堤结构，利于波浪缓慢上爬，便于消浪。

潜堤结构为：堤心为10～100 kg块石，坡脚设有60～100 kg护底块石。内外侧坡度1∶1.5。外侧护面采用3.6 t扭王预制块体。内侧堤角采用180～360 kg块石垫层，堤身采用200～400 kg块石垫层。

3)堤顶宽度

堤顶宽度考虑堤身整体稳定性、防汛、管理和施工需求，且依据《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154—2018)，堤顶宽度至少能并列安放两排人工块体，本次设计潜堤堤顶宽度取4.53 m。

4.2 抛石护面方案

抛石护面潜堤堤顶宽4 m，堤顶面高程为-1 m，堤心为100～150 kg块石，坡脚设有200～300 kg护底块石，内侧坡度1∶1.5，外坡1∶2，内、外侧均采用600～800 kg块石护面，具体布置见图5。

图5 抛石护面潜堤典型断面示意(单位：高程m，长度cm)

4.3 优化方案

在扭王字块护面推荐方案(堤顶高程-1 m)试验成果的基础上，对断面结构进行优化，共提出了2种优化方案。

1)优化方案1

在堤顶扭王字块和背水面块石垫层(200～400 kg)之间的孔隙抛填与块石垫层同类型的块石，以稳定堤顶扭王字块、降低其失稳概率(见图6红色方框区域)。

2)优化方案2

增加抛石堤身宽度，并在背水坡近堤顶区域抛填扭王字块，进而加大堤顶扭王字块的稳定性，提出了优化方案2(见图7)。

图7 优化方案2示意(单位：高程m，长度cm)

5 试验结果分析

本次试验潜堤断面共6个，包括扭王字块护面方案3个(堤顶高程0 m、-1 m、-2 m)，抛石护面方案1个(堤顶高程-1 m)，优化方案2个(堤顶高程-1 m优化方案1、堤顶高程-1 m优化方案2)。下面根据试验结果分别分析护面块体或者护面块石、块石垫层、护底块石等的稳定性，对于不稳定情况提出优化建议。针对断面稳定方案，测量堤后透射波浪，并给出透射系数。

5.1 潜堤结构稳定性

首先对本次实验中的潜堤结构稳定性进行分析，潜堤断面模型堤心为10～100 kg块石，坡脚设有60～100 kg护底块石。外侧护面采用3.6 t扭王预制块体，内侧堤角采用180～360 kg块石垫层，堤身采用200～400 kg块石垫层。潜堤断面在极端高水位+50 a一遇不规则波作用下(波浪作用时间为原型3 h)。对于扭王字块方案(堤顶高程0 m)和扭王字块方案(堤顶高程-1 m)各部位稳定性结果为：3.6 t扭王字块护面块体稳定性波浪作用相当于原型3 h后，堤顶附近的扭王字块产生位移，并向背浪侧滑落，按照《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234—2001)规定：单层随机抛放的护面块体，其位移后产生的缝隙宽度超过块体最大几何尺度一半时即失稳。所以本方案中扭王字块不稳定。对于块石垫层的稳定性，块石垫层未出现晃动，部分大浪作用时出现个别滚动，表层小部分变形，整体未发生明显变形。最后护底块石(60～100 kg)表层有小部分晃动，晃动幅度较小，未出现明显滚动变形。而对于扭王字块方案(堤顶高程-2 m)，堤顶和堤身扭王字块未出现位移和滑落情况，所以该工况下扭王字块稳定。具体试验结果如图8所示。

图8 潜堤结构稳定性试验结果示意

5.2 抛石防护稳定性(堤顶高程-1 m)

抛石护面潜堤堤顶宽4 m，堤顶面高程为-1 m，堤心为100～150 kg块石，坡脚设有200～300 kg护底块石，内侧坡度1∶1.5，外坡1∶2，内、外侧均采用600～800 kg块石护面，潜堤断面在极端高水位+50 a一遇不规则波作用下(波浪作用时间为原型3 h)，各部位稳定性结果如下：抛石护面块体稳定性波浪作用相当于原型3 h后，堤顶附近的抛石块体出现较大滚动、位移，并出现显著滑落，所以本方案中抛石护面块体不稳定。对于护底块石稳定性，护底块石(200～300 kg)未出现较大晃动，整体未发生明显变形。试验结果见图9。

图9 抛石防护稳定性示意

5.3 两种优化方案结果

优化方案1(堤顶高程-1 m)潜堤断面在极端高水位+50 a一遇不规则波作用下(波浪作用时间为原型3 h)，各部位稳定性结果如下：3.6 t扭王字块护面块体稳定性波浪作用相当于原型3 h后，堤顶附近的扭王字块产生位移，并向背浪侧滑落，所以本优化方案中扭王字块仍不稳定，而对于优化方案2(堤顶高程-1 m)，波浪作用相当于原型3 h后，扭王字块未产生明显位移，所以本工况下扭王字块稳定，但护底块石(60～100 kg)表层有小部分晃动，大浪作用时块石有明显晃动，整体出现滚动和较大变形，建议增加护底块石的稳定重量。优化方案结果见图10。

图10 两种优化方案结果示意

6 波浪透射试验结果

对于潜堤工程，除了考虑结构稳定性外，还需考虑其对波浪的削减效果。透射波大小会影响到堤后方沙滩修复的效果，因此试验中采用浪高仪对入射波和透射波进行了测量。

6.1 不同顶高程方案

顶高程不同对波浪透射有直接影响，图11～图13分别给出了极端高水位情况下，-2 m、-1 m、0 m堤顶高程方案的波高变化情况。从图中可以看出，不同堤顶高程方案下波面变化有所差异，较堤前波高均有所减小。对试验成果进行统计，极端高水位情况下，-2 m、-1 m、0 m堤顶高程方案的堤后有效波波高(Ht)分别为0.158 m、0.154 m、0.149 m，可见随着堤顶高程的增加透射波高呈减小趋势。

图11 潜堤前后波面变化示意(极端高水位+堤顶高程-2 m)

图12 潜堤前后波面变化示意(极端高水位+堤顶高程-1 m)

图13 潜堤前后波面变化示意(极端高水位+堤顶高程0 m)

按照试验技术要求，潜堤影响下的波浪透射率(Tt)采用下式计算：

Tt=Ht/H

(4)

式中：

H——入射波高；

Ht——堤后有效波波高。

因此，潜堤建成后，极端高水位情况下，-2 m、-1 m、0 m堤顶高程方案的波浪透射率分别为0.884、0.864、0.838。

6.2 优化方案

根据潜堤结构稳定性试验，已基本确定优化方案2为推荐方案，故本节主要展示该方案下的波浪传播结果。

不同工况下潜堤前后波面变化结果见图14～图17，从图中可以看出，由于潜堤的影响，堤后波谷明显抬高，波高有所减小。对试验成果进行统计，极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端低水位工况下，堤后有效波波高(Ht)分别为0.153 m、0.144 m、0.123 m、0.10 m。

图14 潜堤前后波面变化示意(极端高水位+50 a一遇不规则波)

图15 潜堤前后波面变化示意(设计高水位+50 a一遇不规则波)

图16 潜堤前后波面变化示意(设计低水位+50 a一遇不规则波)

图17 潜堤前后波面变化示意(极端低水位+50 a一遇不规则波)

潜堤建成后，极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端低水位工况下的波浪透射率分别为0.860、0.805、0.689、0.561。对比初始方案(-1 m堤顶高程)和推荐方案2，由于推荐方案2结构宽度略大于初始方案，因此波浪透射率略有减小。

7 结语

通过对大万山岛锦塘湾防波堤(潜堤)工程波浪断面物理模型进行试验研究，验证了潜堤扭王字块护面块体、护面块石、护底块石等的稳定性，同时测量堤后透射波高。试验结果表明，3个扭王字块护面方案均出现失稳，失稳位置主要出现在堤顶位置；抛石护面方案失稳，迎浪面、背浪面以及堤顶3个位置均出现失稳。此外，在扭王字块方案的基础上，两种优化方案。第1种方案在堤顶扭王字块和背水面块石垫层之间抛填与垫层块石同类型的块石，但仍失稳。进一步提出增加抛石堤身宽度，并在背水坡近堤顶区域抛填扭王字块。结果表明不同波况下堤顶扭王字块稳定良好，但个别工况背水面扭王字块仍有失稳现象，同样在背水坡扭王字块和块石垫层之间抛填块石，不同极端波况下优化方案2稳定性良好。此外，设计低水位和极端低水位时，护底块石存在晃动、滚动情况，建议增加护底块石重量。