温州浅滩南围堤工程波浪模拟研究

吴小曼

(温州市瓯江口新区开发建设管理委员会,浙江 温州 325000)

1 工程位置及规模

温州浅滩南围堤工程布置于灵昆岛下游,由北围堤、南围堤、东围堤和1座排水涵闸组成(见图1)。为了确定经济、安全、合理的海堤断面,对温州浅滩南围堤工程进行波浪模型试验,为工程设计提供依据。

2 试验条件

2.2 试验断面

选取南围堤断面三 (见图2)、南围堤断面十 (见图3)、东围堤延伸段断面四(见图4)作为试验断面。

图1 工程位置图

图2 南围堤断面三图

图3 南围堤断面十图

图4 东围堤延伸段断面四图

2.3 潮位及波浪要素

50 a一遇潮位、50 a一遇设计波浪要素见表1,50 a一遇设计高潮位取5.07 m。

表1 50 a一遇潮位、50 a一遇设计波浪要素表

2.4 试验工况

南围堤断面十设计工况(50 a一遇潮位5.07m+50 a一遇波浪),试验波浪要素HS=2.97 m、=10.5 s;校核工况(50 a一遇潮位5.07 m+100 a一遇波浪),试验波浪要素HS=3.50 m、=10.5 s。

南围堤断面三设计工况(50 a一遇潮位5.07m+50 a一遇波浪),试验波浪要素HS=2.22 m、=9.6 s。

东围堤延伸段断面四设计工况(50 a一遇潮位5.07 m+50 a一遇波浪),试验波浪要素HS=2.73 m、=9.5 s。

3 试验内容

根据围堤代表断面形式和基本尺寸,对断面的波浪爬高、越浪情况和结构稳定进行试验验证和优化。验证3个断面迎水坡护面结构的稳定性,包括四脚空心块体、灌砌块石、埋石混凝土、护面块石和挡浪墙等的稳定性;测定越浪量,并检验内坡冲刷情况。设计工况控制越浪量为0.050 0 m3/(m·s)、校核工况控制越浪量为0.070 0 m3/(m·s)。

4 试验方法

试验按照JTJ 221—87《港口工程技术规范》 及JTJ-T 234—2001《波浪模型试验规程》进行,采用不规则波,模型按正态重力相似准则设计。模型长度比尺λ=22;时间比尺 λt=λ1/2=4.69;越浪量比尺 λq=λ3/2=103.19。

不规则波波谱取JONSWAP谱:

式中:α为无因次常数;γ为谱峰升高因子,取3.3

式中:ωP为谱峰频率。

将特征波要素输入计算机,按模型比尺计算产生造波讯号,控制造波机产生相应的不规则波序列。不规则波波数大于120个,每组试验重复3次,取其均值作为试验值,结构稳定试验时,波浪连续作用相当于原体1个风暴潮过程 (约 3 h)。

试验在河海大学波浪水槽中进行,水槽长80.00 m,宽1.00 m,高1.50m,水槽一端安装不规则造波机,另一端设置消波系统,水槽纵向分为宽为0.50 m的2部分,一部分铺设试验断面,另一部分用以消除波浪的二次反射。波高及波浪爬高采用电容式波高仪量测,越浪量采用集水称重法量测。

为了满足设计要求,试验中将根据设计断面的结构型式及抗浪要求,适当增加试验波要素的组合,扩大试验成果的应用范围。试验波要素率定值见表2,图5为目标谱和实测谱的对比图。由表2、图5可以看出,试验值与要求值的误差很小,谱密度分布的偏差小于±15%,波谱总能量的偏差小于±10%,有效波高、有效波周期的偏差小于±5%,符合交通部JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》的要求。

图5 目标谱和实测谱的对比图

表2 模型试验波浪要素表

5 试验成果分析

本次试验共有3个断面,为了验证设计断面的抗浪标准,对设计断面分别进行了3种不同潮位、波浪要素的组合试验。分别观察了外海坡护面结构、内海坡护面结构、挡浪墙、镇压层块石的稳定性,测量了越浪量并对护面结构进行优化。

5.1 南围堤断面十

南围堤断面十断面设置2级平台,上平台面高程为+4.50m,采用80 cm厚灌砌块石护面,下平台面高程为+1.00m,采用60 cm厚埋石混凝土护面,上、下平台间及下平台、镇压层间设置2个斜坡,斜坡均采用3.5 t四角空心方块护面,镇压层较长,并且采用单重大于200 kg的大块石护面,镇压层高程为-1.00 m,镇压层前为单重大于200 kg大块石抛石棱体,抛石棱体顶高程为-3.00 m,挡浪墙采用带挑檐结构,墙顶高程+8.60 m。为了验证南围堤断面十的抗浪安全,试验中增加了50 a一遇潮位+5.07 m,HS=3.20 m,10.5 s的波浪,增加了0.00 m潮位及相应波浪要素,用以验证镇压层的稳定。海堤各部位的稳定情况见表3。

表3 南围堤断面十稳定情况表

5.1.1 镇压层

镇压层和护脚采用大于200 kg块石,由于镇压层顶标高较低,设计潮位相对较高,波浪底部流速较小,因此,在50 a一遇设计潮位+5.07 m,Hs=2.97 m、=10.5 s波浪组合及Hs=3.50 m,=10.5 s波浪组合作用下镇压层块石处于稳定状态。通常潮位在镇压层面高程附近时,波浪对镇压层块石的作用较大,因此,试验中增加了潮位为+0.00m,在Hs=1.80m,T=9.5 s,波浪作用下,镇压层坡肩处块石部分流动,面层和坡脚处没有发生变形,连续作用相当于原型时间3 h,镇压层坡肩局部露出堤心石,其他部位没有发生变形,建议适当加大坡肩处块石重量或大块石理抛2层。

5.1.2 内坡护面

在50 a一遇设计潮位和50 a一遇设计波浪要素及50 a一遇设计潮位和100 a一遇设计波浪要素作用下,由于越浪量很小,内海侧堤顶护面结构和护坡结构均稳定。

5.1.3 混凝土护面及混凝土格梁

设计断面共设置2个平台,上平台高程+4.50 m,采用80 cm灌砌块石护面,下层为20 cm厚的碎石垫层;下平台高程为+1.00 m,采用60 cm埋石混凝土护面,下层为20 cm厚的碎石垫层。考虑到海堤建设的施工难度、堤体不均匀沉降等因素的影响,混凝土护面及路面结构可能产生裂缝等情况,影响其稳定性,因此在模型中混凝土护面沿宽度方向分割成4.00 m宽的预制混凝土板,模拟灌砌块石护面和埋石混凝土护面。在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪组合和50 a一遇的设计潮位、Hs=2.97 m、T=10.5 s作用下,高程+1.00 m平台埋石混凝土护面保持稳定;50 a一遇的设计潮位、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪组合作用下,高程+4.50 m平台灌砌块石护面稳定,在50 a一遇的设计潮位、Hs=3.50 m、T=10.5 s的波浪作用下,灌砌块石上下轻微浮动,浮动幅度相当于原型的2～4 cm,处于临界稳定状态。

设计断面共设有4个格梁,分别位于上、下坡坡脚和坡肩。仅上坡坡肩灌砌块石格梁在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪组合和50 a一遇的设计潮位、Hs=3.50 m、T=10.5 s作用下轻微震动,其余部位格梁均不动。

5.1.4 挡浪墙

设计断面中挡浪墙是直立带挑檐挡浪墙头,挡浪墙下为灌砌块石,高程均为+8.60 m,试验制模时将挡浪墙和灌砌块石浇在一起。

+8.60 m直立带挑檐挡浪墙,在50 a一遇的设计潮位+5.07 m,Hs=3.50 m、T=10.5 s波浪作用下,在个别大波浪作用下轻微震动,在其余波浪组合作用下均保持稳定,但应注意挡浪墙下的灌砌块石和挡浪墙的连接质量,挡浪墙具有较好的挑浪效果,波动水体均被挑回,只有少量浪花飞溅,无越浪发生。堤顶和后坡均稳定。

5.1.5 四脚空心方块护面

试验中,上下2个斜坡均采用2.8 t四脚空心方块护面,块体下有30 cm干砌块石,防止堤心石被淘刷,在50 a一遇的设计潮位+5.07m、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪作用下,上坡靠近+4.50 m平台第1排块体轻微跳动,处于稳定状态;在50 a一遇的设计潮位+5.07 m、Hs=3.50 m、T=10.5 s作用下,第1排块体跳动剧烈,跳动幅度约0.5倍块体厚,但未滚落,处于失稳状态;其余部位的四脚空心方块护面也处于稳定状态。

5.1.6 越浪量

由于镇压层较长,并且设置2个平台,四脚空心方块护坡消浪效果较好,并且挡浪墙顶高程较高,试验中越浪较小,在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪组合和50 a一遇的设计潮位、Hs=3.50m、T=10.5 s作用下,越浪分别仅为 0.001 0 m3/(m·s)和 0.007 2 m3/(m·s),远小于0.050 0 m3/(m·s),满足GB 50286—98《堤防工程设计规范》的要求。

5.2 南围堤断面三

南围堤断面三采用一级平台,平台上采用45 cm厚灌砌块石护面,设置1个斜坡,斜坡上采用1.3 t混凝土四角空心方块护面,坡肩和坡脚均设有埋石保护,镇压层前为大块石抛石棱体,镇压层较长,采用单重大于80 kg块石理抛护面,护面厚度为40 cm,挡浪墙采用挑檐结构,墙顶高程+7.80 m。为了验证南围堤的抗浪安全,试验中增加了50 a一遇潮位+5.07m 、HS=2.50 m、=9.6 s的波浪,试验中还增加了+3.00 m潮位及相应波浪要素,用以验证镇压层块石和抛石的稳定。海堤各部位的稳定情况见表4。

表4 南围堤断面三稳定情况表

5.2.1 镇压层

镇压层和抛石棱体采用大于80 kg块石,由于镇压层顶高程较高,达+3.00 m,设计潮位相对较低,波浪底部流速较大,因此,在50 a一遇设计潮位和设计波浪要素作用下,镇压层在静水位1倍波高范围内,波浪的作用力较大,镇压层块石成片流动,部分块石被波浪带至高程+4.50 m平台和斜坡上,连续作用3 h,镇压层1∶4斜坡坡肩处露出堤心石,失稳率大于5%,通常潮位在镇压层高程附近时,波浪对镇压层块石的作用力较大,因此,试验中增加了潮位为+3.00m、Hs=1.50 m、=9.0 s的波浪作用下,镇压层块石部分滚动,面层和坡底处发生变形,连续作用相当于原型3 h镇压层斜坡坡肩处露出堤心石失稳率大于5%,镇压层块石不能满足稳定要求。

将镇压层块石和抛石棱体块石由单重80 kg换成200 kg,在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.22 m、=9.6 s的波浪组合作用下,镇压层块石大量成片滚动,抛石棱体块石少量滚动,连续作用相当于原型3 h镇压层1∶4斜坡坡肩处露出堤心石,其余部分未见堤心石露出,建议镇压层块石单重不宜小于200 kg,在坡肩处采取增大块石重量或者局部加厚面层块石理抛厚度等措施。

5.2.2 内坡护面

50 a一遇设计波浪要素及50 a一遇设计潮位和100 a一遇设计波浪要素作用下,由于越浪量远小于 0.050 0 m3/(m·s),内海侧堤顶护面结构和护坡结构均稳定。

5.2.3 平台灌砌块石护面及混凝土格梁

设计断面的+4.50 m平台护面采用面层为45 cm厚的C20灌砌块石,下层为20 cm厚的碎石垫层;在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.22 m、T=9.6 s波浪组合及Hs=2.50m、T=9.6 s波浪组合及作用下,灌砌块石处于稳定状态。

设计断面共设有3处格梁,分别为位于平台两端的灌砌块石格梁及斜坡的坡脚混凝土格梁。在50 a一遇的设计潮位、Hs=2.22 m、T=9.6 s波浪组合及 Hs=2.50 m、T=9.6 s波浪组合作用下,各处格梁处于稳定状态。

5.2.4 挡浪墙

设计断面中挡浪墙是直立带挑檐挡浪墙,高程均为+7.80 m。在50 a一遇设计潮位+5.07 m、Hs=2.22 m、T=9.6 s的波浪组合及Hs=2.5 m、T=9.6 s的波浪组合作用下,处于稳定状态,但应注意挡浪墙下的干砌块石的施工质量,挡浪墙具有较好的挑浪效果,大部分波动水体均被挑回,只有少量浪花飞溅,越浪量很小。堤顶和后坡均稳定。

5.2.5 四脚空心方块护面

试验中,斜坡采用1.0 t四脚空心方块护面,块体下设有30 cm干砌块石,在50 a一遇的设计潮位+5.07m、Hs=2.22 m、T=9.6 s波浪作用下,靠近+4.50m平台第1排四脚空心方块块体在个别大波作用下轻微跳动,在50 a一遇的设计潮位+5.07m、Hs=2.50 m、T=9.6 s波浪组合作用下,靠近+4.50 m平台第1排块体跳动明显,试验过程中,其中2个块体跳出幅度大于0.5倍块体厚度,后被大浪打回原位置,之后未见大于0.5倍块体厚度的跳动,在该波浪组合作用下,块体处于临界稳定状态;故四脚空心方块重量不宜小于1.3 t。

5.2.6 越浪量

由于镇压层较长,四脚空心方块护坡及护面消浪效果较好,并且挡浪墙顶高程较高,试验中越浪量较小,在50 a一遇的设计潮位+5.07 m、Hs=2.22 m、T=9.6 s波浪组合和Hs=2.50 m、T=9.6 s作用下,越浪量分别仅为0.002 0m3/(m·s)和0.011 0 m3/(m·s),远小于0.050 0m3/(m·s),满足GB 50286—98《堤防工程设计规范》的要求。

5.3 东围堤延伸断面四

东围堤延伸断面四设置2级平台,上平台面高程为+4.50 m,采用80 cm厚灌砌块石护面,镇压层较长,并且采用单重大于200 kg大块石护面,镇压层高程为0.00 m,镇压层前为单重大于200 kg大块石抛石棱体,抛石棱体顶高程为-2.00 m,挡浪墙采用挑檐结构,墙顶高程+8.20 m。为了验证南围堤断面四的抗浪安全,试验中增加了50 a一遇的设计潮位+5.07m、Hs=2.97 m、T=10.5 s的波浪,增加了0.00m潮位及相应波浪要素,用以验证镇压层块石和抛石的稳定。海堤各部位的稳定情况见表5。

表5 东围堤延伸断面四稳定情况表

5.3.1 镇压层

镇压层和抛石棱体采用大于200 kg块石,由于镇压层顶标高较低,设计潮位相对较高,波浪底部流速较小,因此,在50一遇设计潮位+5.07 m、Hs=2.73 m、=9.5 s的波浪组合及 Hs=2.97m、=10.5 s波浪组合作用下,镇压层块石处于稳定状态。通常潮位在镇压层高程附近时,波浪对镇压层块石的作用力较大,因此,增加了潮位为+0.00 m、Hs=1.80 m、=9.5 s的波浪作用试验,镇压层坡肩处块石部分滚动,抛石棱体个别块石晃动,面层和坡脚处没有发生变形,连续作用相当于原型3 h,坡肩局部少量露出堤心石,建议对镇压层坡肩作局部处理。在其他试验潮位和波浪要素组合情况下,镇压层块石能满足稳定要求。

5.3.2 内坡护面

50 a一遇设计波浪要素及50 a一遇设计潮位和100 a一遇设计波浪要素作用下,由于越浪量远小于0.05 m3/(m·s),内海侧堤顶护面结构和护坡结构均稳定。

5.3.3 平台护面及混凝土格梁

设计断面共设置2个平台,上平台高程+4.50 m,采用80 cm灌砌块石护面,下层为20 cm厚的碎石垫层;下平台高程为+2.00 m,采用60 cm埋石混凝土护面,下层为20 cm厚的碎石垫层。考虑到海堤建设的施工难度、堤体不均匀沉降等因素的影响,混凝土护面及路面结构可能产生裂缝等情况,影响其稳定性,因此在模型中混凝土护面沿宽度方向分割成4.00 m宽的预制混凝土板,模拟灌砌块石护面和埋石混凝土护面。在50 a一遇的设计潮位+5.07 m、Hs=2.73 m、T=9.5 s波浪组合及Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪组合及作用下,+2.00 m平台埋石混凝土护面及+4.50m灌砌块石护面均保持稳定。

设计断面共设有4处个格梁,分别为位于上、下坡坡脚和坡肩。在试验波浪组合作用下均保持稳定。

5.3.4 挡浪墙

设计断面中挡浪墙是直立带挑檐挡浪墙,挡浪墙下为干砌块石,高程均为+8.20 m。+8.20 m直立带挑檐挡浪墙在试验波浪组合作用下均保持稳定,但应注意挡浪墙下为干砌块石的施工质量,挡浪墙具有较好的挑浪效果,大部分波动均被挑回,越浪量很小。堤顶和后坡均稳定。

5.3.5 四脚空心方块护面

试验中,上下2个斜坡均采用2.0 t四脚空心方块护面,块体下设有30 cm干砌块石,防止堤心石被淘刷,在50 a一遇的设计潮位+5.07 m、Hs=2.73m、T=9.5 s波浪作用下,上坡靠近高程+4.5 m平台第1、2排块体剧烈跳动,跳动幅度近0.5倍块体厚度,经过相当于原型3 h波浪作用后,1个块体跳出失稳;重新铺设断面,经过相当于原型3 h波浪作用后,平台第1、2排块体仍剧烈跳动,但没有块体跳出,护面块体处于临界稳定状态国;在50 a一遇的设计潮位+5.07 m、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪作用下平台第1、2排块体剧烈跳动,跳动幅度超过0.5倍块体厚度,经过相当于原型1 h波浪作用后,1个块体跳出失稳;下坡2.2 t四脚空心方块均满足稳定要求。

将2.2 t四脚空心方块换成2.8 t四脚空心方块,在50 a一遇的设计潮位+5.07m、Hs=2.97 m、T=10.5 s波浪作用下,上斜坡靠近+4.50 m平台前2排块体明显跳动,处于临界稳定状态,建议四脚空心方块重量不宜小于3.0 t。

5.3.6 越浪量

由于镇压层较长,并且设置2个平台,四脚空心方块护坡消浪效果较好,挡浪墙顶高程较高,试验中越浪量较小,在50 a一遇的设计潮位Hs=2.73 m、T=9.5 s波浪组合和50 a一遇的设计潮位Hs=2.97 m、T=10.5 s作用下,越浪量分别仅为0.003 6 m3/(m·s)和0.045 0 m3/(m·s),远小于0.050 0 m3/(m·s),满足GB 50286—98《堤防工程设计规范》的要求。

6 结 语

(1)在50 a一遇设计潮位和相应波浪要素作用下,3个试验断面挡浪墙、堤后护坡、堤顶路面及格梁等结构均满足稳定要求,且越浪很小,均满足GB 50286—98《堤防工程设计规范》的要求,小于0.05 m3/(m·s)。但应注意控制挡浪墙下方的干砌块石和灌砌块石施工质量。

(2)南围堤断面三,在50 a一遇潮位和50 a一遇设计波浪作用下,断面三镇压层80 kg块石失稳,镇压层面层块石单重应大于200 kg;1.3 t四角空心方块轻微跳动,处于稳定状态,建议四脚空心方块重量不小于1.3 t。

(3)南围堤断面十,上斜坡四脚空心方块重量不宜小于3.5 t,下斜坡四脚空心方块重量可采用2.2 t,镇压层坡肩块石处于临界稳定,建议加大块石重量或局部理抛2层大块石。

(4)东围堤延伸断面四,上斜坡四脚空心方块重量不宜小于3.0 t,下斜坡四脚空心方块重量可采用2.2 t,镇压层坡肩块石处于临界稳定,建议加大块石重量或局部理抛2层大块石。

[1]李秉实.JTJ 221—87港口工程技术规范 [S].北京:人民交通出版社,1987.

[2]南京水利科学研究院.JTJ-T 234—2001波浪模型试验规程[S].北京:人民交通出版社,1988.

[3]陈国平.温州浅滩一期围涂工程南围堤 (调整)波浪模型试验[R].南京:河海大学,2006.

[4]中华人民共和国水利部.GB 50286—98堤防工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006.

[5]中华人民共和国交通运输部.JTJ 221—87防波堤设计与施工规范 [S].北京:人民交通出版社,2011.