某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证

刘志远，佟德胜

（1.中信缅甸（香港）控股有限公司，北京 100004；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

0 引言

随着近年来极端恶劣天气出现频率的增加，跨海大桥人工岛在设计使用期内很有可能遭遇比初始设计工况更为恶劣自然环境的考验，因此需要重视极端工况条件下的越浪量控制[1]。为保证国家重点工程某跨海大桥在更恶劣工况下的安全性和可靠度，配合跨海大桥人工岛防洪排涝设施的设计和施工，需开展系列波浪物理模型试验研究工作。

针对海上人工岛的越浪、防洪排涝设施的试验验证研究在国内尚属首次，国外亦无成熟案例可供借鉴，以往均为研究如何通过优化设计来提高海岸结构在极端气象条件下的抗灾能力[2-3]。本研究采用波浪整体试验与断面试验相结合的方法，分析测定人工岛南侧护岸堤顶越浪情况，并对整体试验和断面试验的结果进行了对比分析，使得试验结果更有说服力。同时，考虑到本人工岛为桥隧转换人工岛，人工岛防浪排洪设施的设置及隧道防水施工水平对防止隧道在运营期遭遇更极端气象条件时不被淹没起着至关重要的作用[4]，根据设计给定的假定更恶劣工况研究了人工岛挡浪墙上水厚度、越浪量、漫滩情况，复核排水设施的排水能力，并验证设计提出的各种应对措施的效能，优化设计方案以满足更极端条件下的排水要求，为工程设计提供科学的试验依据。

1 研究背景

1.1 研究目的

通过波浪整体和断面物理模型试验，研究初始设计工况以及假定更恶劣工况下人工岛挡浪墙上水厚度、越浪量及漫滩情况，对排水设施的排水能力进行复核，并验证设计提出的各种应对措施的效能，为人工岛工程越浪、防洪排涝工程设计提供科学依据，为工程安全实施保驾护航。

1.2 研究内容

针对人工岛越浪、防洪排涝能力研究拟开展波浪整体及断面物理模型试验。

波浪整体物理模型试验研究内容包括：

1） 研究人工岛南、北侧护岸在初始设计工况和复核工况下的上水情况、越浪量以及漫滩情况；

2） 复核越浪排水设施（含排水沟、重力流排水口及越浪泵房等）排水能力，对人工岛环岛排水明沟的平面位置、断面尺寸以及局部越过排水明沟海水阻挡设施的设置情况给出合理化建议，并对排水管和越浪泵房设置位置、排水能力提出合理化建议。

波浪断面物理模型试验研究内容包括：

1） 在相关试验水位和波浪的组合作用下，验证护岸断面的挡浪墙、护面块体及护底块石的稳定性；

2） 测定护岸堤顶越浪水舌厚度及越浪量，研究高程3.0 m 处不同戗台宽度对堤顶越浪量的影响，着重进行越浪的对比分析。

2 研究方法及过程

2.1 研究方法

采用波浪整体和断面物理模型试验相结合的方法，通过初始设计工况和假定更恶劣工况下的波浪物理模型试验，研究人工岛越浪及漫滩情况，以便验证设计方案中防浪排洪设施的设置是否满足招标文件的要求，并验证设计提出的各种应对措施的效能。

波浪整体试验中将海工模型和水工模型相结合，在选取试验比尺时，综合进行考虑。试验模拟时同时满足交通运输部JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[5]以及水利部SL 155—2012《水工（常规）模型试验规程》[6]的相关规定要求。试验采用正态模型，按重力相似准则进行模型设计。综合考虑试验室的具体条件和建筑物结构的尺度、模型应包括的范围、波浪要素与试验仪器测量精度以及糙率等因素，确定本次波浪整体物理模型试验采用的几何比尺为λ=40，本次波浪断面物理模型试验采用的几何比尺为λ=30。相应的物理量比尺为：

几何比尺：λL=λ

重量比尺：λw=λ3

时间比尺：λt=λ1/2

流量比尺：λq=λ5/2

越浪量比尺：λQ=λ3/2

糙率系数比尺：λn=λ1/6

波浪整体试验中，人工岛护岸模型的尺寸和高程均按设计图纸进行模拟制作；环岛排水明沟采用灰塑料板进行模拟，重力流排水管采用PVC塑料管进行模拟，排水明沟和重力流排水管属于水工模型，依据《水工（常规）模型试验规程》的相关规定，控制局部模型高程、宽度和内径的误差小于0.3 mm，长度误差小于5 mm。另外，糙率的模拟是本次试验中一项重要的模拟，试验中越浪水体产生的漫滩范围与环岛排水明沟以及人工岛陆域绿化带的糙率值关系很大，因此试验中应对排水明沟和人工岛陆域绿化带的糙率进行模拟。

为及时排出极端情况下越过人工岛护岸顶面的越浪水体，西人工岛共设置4 座越浪泵房，4座越浪泵房分别与排水明沟相连，排水明沟内的越浪水体会流入越浪泵房之中，泵房水池部分的顶高程5.0 m，底高程0.0 m。泵房内设置水位自动显示及控制（高、低水位），控制分别自动启停泵。试验中越浪泵房的内部按照其断面结构型式进行模拟，模拟出其内部尺寸。越浪泵房中泵的抽水流量值要按不同泵房水池内部水位相应的设计流量值进行模拟，模型试验中以截门控制抽水量，保证抽水量与设计提供的抽水流量原型值相似。

整体试验中最终成型后的人工岛南侧护岸模型见图1。

图1 人工岛南侧护岸模型（护岸初始顶高程8.0 m）Fig.1 Model of the south revetment of the artificial island(the initial elevation of the revetment is 8.0 m)

2.2 仪器设备

波浪整体试验在国内某大型水池中进行，水池中装备有从丹麦水工研究所（DHI）引进的平面不规则波造波机。可移动式造波机系统技术先进、性能可靠、运行稳定、移动方便，可按要求模拟规则波和各种谱型的不规则波。

断面试验在国内某大型不规则波试验水槽中进行，水槽中装备有日本三井造船株式会社制造的大型不规则波造波机。该系统由液压驱动装置、控制台及计算机构成，可根据试验要求产生规则波和不同谱型不规则波。自造波机推波板前36 m处开始，水槽沿纵向分为1 m、2 m、1 m 宽的3条窄水槽。造波机前设有滤波器，水槽尾部设有1∶15 的消波斜坡。

3 成果及分析

3.1 波浪整体物理模型

3.1.1依据的设计资料

人工岛南侧护岸原泥面标高为-8.0 m，护岸挡浪墙的初始设计顶高程为8.0 m，采用双层5 t扭工字块体护面，护面块体顶高为8.0 m，高程3.0 m 戗台初始设计宽度为12.0 m。人工岛北侧护岸原泥面标高为-8.0 m，护岸挡浪墙的初始设计顶高程为6.5 m，采用双层5 t 扭工字块体护面，护面块体顶高程为6.5 m，高程3.0 m 戗台宽度为8.0 m。

研究中所采用波浪要素由设计单位提供。表1 和表2 分别为南护岸与北护岸在初始设计工况下的波浪要素。考虑到应对极端恶劣水文条件的出现，为提高工程安全度，经设计确认提高设防标准并增加补充复核工况下的试验，补充复核工况条件下的波浪要素见表3 和表4。表中H1%、H13%分别为累计频率1%、13%的统计波高，T为波浪的平均周期。

表1 人工岛南侧护岸初始设计工况试验波浪要素Table 1 Wave elements at south revetment of the artificial island

表2 人工岛北侧护岸初始设计工况试验波浪要素Table 2 Wave elements at north revetment of the artificial island

表3 人工岛南侧护岸补充复核工况试验波浪要素Table 3 Supplementary check test wave elements at south revetment of the artificial island

表4 人工岛北侧护岸补充复核工况试验波浪要素Table 4 Supplementary check test wave elements at north revetment of the artificial island

3.1.2研究结果

1） 南侧护岸研究结果

在不同水位、波浪的组合工况下，分别测定各分段的挡浪墙顶面单宽平均越浪量、最大上水高度以及排水明沟后方的漫滩范围。

人工岛南侧护岸挡浪墙顶高程8.0 m、戗台宽度12.0 m 的原设计方案在初始设计工况（300 a 一遇高水位、300 a 一遇波浪和100 a 一遇高水位、100 a 一遇波浪）条件下满足越浪设防标准，宽度2.0 m 的排水明沟满足及时排水要求。

考虑应对项目所在地频频出现的超强台风，为提高工程安全度，经设计单位确认提高设防标准并分别对南护岸和北护岸增加补充复核工况一以及补充复核工况二条件下的验证试验，为更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施的设计提供参考依据。同时，在排水明沟宽度保持2.0 m的基础上为阻挡漫滩水体进入人工岛隧道U 槽内，于人工岛隧道U 槽前增设顶高程6.0 m 的挡坎，并在南侧护岸以及北侧护岸不同挡浪墙顶高程条件下，按照补充复核工况一和补充复核工况二进行历时2.5 h（原型）的试验，研究人工岛面的漫滩水体能否越过所设挡坎进入隧道U 槽，以及U 槽内的漫滩水体厚度。人工岛面设置挡坎位置见图2，图中黑色粗线为所设置挡坎位置。

图2 人工岛岛面设置挡坎位置（挡坎顶高程6.0 m）Fig.2 Setting of block position on artificial islands（the elevation of the block top is 6.0 m）

在更极端的补充复核工况条件下，人工岛南侧护岸挡浪墙顶高程8.0 m、戗台宽度12.0 m 的原设计方案不能满足越浪设防标准，宽度2.0 m的排水明沟不满足及时排水要求，继而需要在后续试验中采取优化措施即通过抬高挡浪墙顶高程、增加戗台宽度以及在人工岛顶面设置挡坎等方式来控制护岸顶部越浪以及人工岛漫滩情况，以满足越浪排洪的要求。

优化南侧护岸结构设计后，通过分析补充复核工况一条件下的波浪整体物理模型试验结果可见，在相同挡浪墙顶高程前提下，随着戗台宽度的增加，戗台消浪效果更理想，南侧护岸越浪量有所减小；在相同戗台宽度前提下，随着挡浪墙顶高程的抬高，南侧护岸越浪量有所减小。

补充复核工况一时（水位4.12 m，波浪要素H13%=4.82 m，=11.5 s），在人工岛南侧护岸不同挡浪墙顶高程和高程3.0 m 戗台宽度组合条件下，波浪整体物理模型试验以及波浪断面物理模型试验中的越浪结果见表3。波浪整体和波浪断面物理模型试验结果表明：南侧护岸挡浪墙顶高程8.5 m条件下，随着戗台宽度的增加，挡浪墙顶部越浪程度有所减弱，越浪量有所减小。归纳南侧护岸越浪试验结果见表5。

表5 南侧护岸越浪试验结果汇总表Table 5 Summary table of south revetment overtopping wave test results

总结以上不同结构形式以及工况条件（初始设计工况和补充复核工况）下南侧护岸越浪排水情况和漫滩范围测定试验的结果，归纳南侧护岸的排水和漫滩情况见表6。

表6 南侧护岸排水和漫滩情况汇总表Table 6 Summary of south revetment drainage and flood plain conditions

2） 北侧护岸试验结果

通过不同结构型式以及工况条件下的北侧护岸试验结果，归纳北侧护岸的越浪、排水及漫滩情况见表7。

表7 北侧护岸越浪、排水及漫滩情况汇总表Table 7 Summary of north revetment overtopping,drainage and floodplain conditions

3.2 波浪断面物理模型试验

3.2.1试验依据的资料

试验共包括4 个断面，分别为人工岛南侧护岸断面、人工岛南侧护岸对比断面一、人工岛南侧护岸对比断面二和人工岛南侧护岸修改断面。人工岛南侧护岸断面的结构形式如图3 所示（挡浪墙顶高程8.5 m，高程3.0 m 戗台宽度为12.0 m）。人工岛南侧护岸修改断面的结构形式如图4 所示（挡浪墙顶高程9.5 m，高程3.0 m 戗台宽度为12.0 m）。

图3 人工岛南侧护岸断面Fig.3 Cross section of south revetment of the artificial island

图4 人工岛南侧护岸修改断面Fig.4 Modified cross section of south revetment of the artificial island

3.2.2主要试验结果

1） 在补充复核工况一的水位及波浪作用下，人工岛南侧护岸初始断面、对比断面以及修改断面各部位均处于稳定状态，通过堤顶越浪情况的观测和对比，确定最终方案选取修改断面的方案。

2） 补充复核工况一及相应波浪作用下，挡浪墙顶高程9.5 m、高程3.0 m 戗台宽度为12.0 m 的南侧护岸修改断面护岸顶部的单宽平均越浪量为7.05×10-3m3/（m·s），满足设计控制要求。

3.3 成果总结

人工岛南侧护岸原结构设计型式在初始设计工况条件下满足越浪设防标准，宽度2.0 m 的排水明沟满足及时排水要求。考虑到极端恶劣水文条件的出现，为提高工程安全度，设计单位提出提高设防标准并增加补充复核工况下的试验，为更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施的设计提供参考依据。研究结果表明，南护岸原设计方案在补充复核工况条件下的越浪和排水情况不满足设计要求，继而在试验中通过抬高挡浪墙顶高程、增加戗台宽度以及在人工岛顶面设置挡坎等方式来对原设计方案进行优化，以控制越浪和漫滩情况。北侧护岸挡浪墙顶高程6.5 m 的原结构设计形式满足初始设计工况和补充复核工况一条件下的排水及漫滩要求。

相关试验研究成果通过了交通运输部领导和全国知名港口方面专家审查。针对试验结果，设计单位优化了人工岛南、北侧护岸的结构设计，最终将人工岛南侧护岸断面挡浪墙顶标高调整至9.5 m，戗台宽度维持12.0 m 不变。

4 成果应用及效果

本跨海大桥及人工岛工程在建设期和建成通车运营后经历了多次强台风侵袭，包括台风“天鸽”、“帕卡”“山竹”、“百里嘉”、“卡努”、“苏拉”等。

2017 年8 月，风力16 级的超强台风“天鸽”和“帕卡”在3 d 内强势经过，为53 a 来最强台风，本工程人工岛几乎位于台风中心眼上，虽饱受风吹浪击，但在超强台风之下稳固屹立，主体结构、人工岛上建筑玻璃幕墙、大部分机械设备都经受住了超强台风的考验。2018 年9 月，台风“山竹”正面直击，大桥上实测最高风速超过55 m/s，然而在强台风过后，大桥主体结构、人工岛上房建及收费站结构、交通工程附属设施均未受损，人工岛上建筑玻璃幕墙没有破裂。另外，本工程于近期2023 年9 月初经受住了9 号台风“苏拉”的影响。

提高护岸标准对确保沿海基础设施在台风等极端气象条件下的抗灾安全性至关重要[7]。2017年以来的数次强台风考验下，本项国家重点工程的设施没有受到任何破坏，岛面四周的排水明沟使得越浪水体能够及时排出。本次研究成果为应对更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施提供参考依据，起到有效解决实际工程问题的作用。

5 结语

本次研究成果成功应用到了本工程实践，并产生了重大实际应用意义，在近几年数次大型台风侵袭下，本工程未发生任何破坏，避免了人员伤亡和经济损失。研究成果不仅解决工程实际问题，也为我国今后建设人工岛抵御更极端自然环境的考验、满足设计使用期内对于人工岛防洪排涝及排水构筑物排水能力的要求提供宝贵的科学试验数据和参考依据，保障人工岛的安全运营和有效管理。