防波堤表面植被对越浪的影响

耿宝磊，高峰，孙精石，崔雷

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，港口水工建筑技术国家工程实验室，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.国家海洋环境监测中心，国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室，辽宁 大连 116023）

在海洋波浪场中，防波堤不但受到波浪的冲击，在大浪作用下还会出现严重的越浪，往往造成巨大的经济损失，因此防波堤的越浪量不但是防波堤结构和断面设计的关键因素之一，也是衡量防波堤防浪效果以及评价堤后安全的重要参数。对越浪量的控制一方面需要在工程前防波堤设计中进行充分的论证，另外在工程后也可以采取一定的防护措施降低越浪量，而利用护岸植被消波即是有效手段之一。

以往对护岸植被消波作用的应用和研究主要针对河道岸堤、堤围及近岸的滩涂[1-3]，且这些研究多注重波高的衰减[4-5]、波浪的爬高以及护岸波压力的变化[6-7]等，而鲜见针对护岸植被对越浪量影响的研究。本研究以天津中心渔港休闲作业区为依托工程，目前其东导堤栅栏板护面孔腔中长有成熟的大体植株。本文采用物理模型试验方法，针对天津中心渔港东导堤已有的植被情况进行断面试验，探讨防波堤表面植被对越浪量的影响，从而为防波堤越浪问题的相关研究提供借鉴。

1 试验条件

1.1 试验断面

选取天津中心渔港休闲作业区东导堤泥面高程+1.0 m处初步设计断面为参考断面，断面形式见图1。该断面泥面高程+1.0 m，肩台高程为+3.0 m，堤顶高程为+6.0 m，胸墙顶高程为+7.5 m。断面海侧肩台至堤顶铺设栅栏板，且肩台与堤顶之间的坡度为1∶2；肩台以下铺设200~300 kg块石，坡度为1∶3。由于本研究主要考察植被的消波作用，试验中暂未考虑胸墙结构，因此模型设计时断面的堤顶高程为+6.0 m。

图1 东导堤+1.0 m泥面高程初步设计断面Fig.1 Preliminary design section of east-breakwater at+1.0 m mud surface elevation

1.2 试验水位

设计高水位：+4.30 m。

1.3 波浪条件

根据已有研究成果，ENE向为该海域常浪向和强浪向，因此选取ENE向为波浪作用方向。对于护坡植被的消波效果而言，其对较小波浪的消减较为明显，因此选取重现期2 a波浪作为参考，设计高水位重现期2 a的0~+3 m等深线ENE向波浪的H13%在1.26~0.78 m之间，根据该波高范围，试验断面入射波要素选取有效波高分别为1.25 m，1.0 m，0.8 m和0.6 m，平均周期均取5.6 s，试验波要素组次见表1。

表1 试验波要素Table1 Wave factors in experiment

2 模型设计与制作

2.1 相似准则与模型比尺

模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸按几何相似准则设计，采用正态模型。根据试验要求，结合植株尺寸和断面结构尺度，并考虑试验场地及设备能力，取模型几何比尺为10，亦即波高比尺为10，周期比尺为3.16，越浪量比尺为31.62。

2.2 断面制作

试验中严格按照JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[8]的要求进行模型制作。断面模型中各种块石和块体按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。由于模型试验采用的是淡水，而实际工程中为海水，受淡水与海水的密度差影响，试验中考虑ρ海水=1.025ρ淡水，在计算模型重量时考虑了这种影响。

2.3 模型植被

1）植株的尺寸。护岸植被为具有一定高度的植株，根据现场实地调研得到其主要尺寸见表2。

表2 护岸植株的外形几何数据Table 2 Shape size of the vegetation on breakwater

根据依托工程的结构断面形式和水文条件，试验中为满足断面水位的要求，以表2的植株外形数据为依据稍作调整，即：树高取130 cm，胸径5 cm，冠幅100 cm，冠高70 cm。对于植株的胸径，这里指树干的平均直径。以模型树为例，植株各部分示意图见图2。试验中，护岸植株（树）的模型选择需要综合考虑几何外形相似和力学性能相似。由于原体护岸植株高度取130 cm，按照1∶10的几何比尺，设定模型树露出地表的高度为13 cm，其中冠高7 cm。对于原体的树木而言，其枝叶柔性较大，而树干部分有一定的韧性，试验中根据树干部分在外力F作用下的几何变形dl相似（如图3）条件，选取合适的材料代替模型树。

图3 树干在外力作用下的几何变形示意图Fig.3 Deformation sketch for tree by force

对于植物的株距，由于在现实中，树林的密度有一个不致太疏也不致太密的普遍经验值，即株距和行距确定为使树之间树冠外沿刚好接触而不刺入对方，因此株距和行距均取植株冠幅的一半，即50 cm，模型中取株距和行距均为5 cm。

2）树木模型的选取。对材料的选取进行理论分析，将图3的模型假定为悬臂梁，则在集中荷载F的作用下，悬臂梁的挠度dl可用下式计算：

式中：l为悬臂梁长度；E为悬臂梁的弹性模量；I为悬臂梁截面惯性矩，当截面为圆形时，可用下式计算：

式中：d为圆截面的直径。

当原型和模型的几何变形相似时，即dl原型/dl模型=λ，将式（1）代替 dl，并考虑 F原型/F模型=λ3，当λ=10时，可得：

即原型材料弹性模量与模型材料弹性模量之比等于几何比尺。

木材的弹性模量约为 0.098×105~0.12×105MPa，塑料（低压聚乙烯）材料的弹性模量约为0.004 8×105~0.007 8×105MPa，两者的比值范围在12.56~25之间，因此可寻找一种塑料材料并适当提高其弹性模量即可满足比尺要求。

试验前利用砝码率定不同种类的树干材料在外力作用下的变形曲线（见图4），最终找到塑料材质的模型树力学性能与原体树木的变形曲线较为吻合（见图5），原型树木的理论挠度曲线计算时取树干长度为1.3 m，树干截面直径为0.05 m，弹性模量为0.098×105MPa。

图5 模型材料变形曲线（挠度）与理论曲线的比较Fig.5 Comparison of deflection curve for model material and theory value

该种材料的模型树枝叶部分为塑料材质，其树干部分外部为塑料，中间为一根较细的铁丝，模型树见图2。另外，在模型制作中，通过在模型树的下部捆绑一段铁丝，然后铁丝部分完全插入到栅栏板的空隙中。

3 试验设备与方法

1）波浪模拟。试验在交通运输部天津水运工程科学研究院水工试验厅风浪水槽中进行，水槽长68 m，宽1.0 m，高1.5 m。试验波浪采用频谱不规则波，频谱采用JONSWAP谱（简称J谱）模拟。

2）单宽越浪量的测量。试验时，在断面堤顶距离堤顶前沿1 m（原型值）位置处用接水装置接取越浪水体，通过测量体积得到模型的单宽越浪量。

3）越浪量消减系数的定义。设无植被方案时的越浪量为c1，有植被方案时的越浪量为c2，则定义越浪量的消减系数m为：

4）试验组次。试验中采用栅栏板和六角型多孔块体2种护面块体，并分别在无植被试验的基础上，进行了不同植被种植位置对越浪影响的比较，具体的试验组次见表3。

表3 试验组次Table3 Cases for experiment

4 试验结果与分析

4.1 栅栏板方案不同种树位置越浪量的比较

为了考察不同位置的植被对波浪消减的影响，试验中将树木种植在肩台、护岸斜坡和堤顶3个位置，且在3种方案中均采用矩形布置3排植被，模型中树木的行距和株距均为5 cm。对于肩台种树方案，中间排植株位于肩台的中央；对于斜坡种树方案，将最下排树木种植在斜坡的中间部位，由于斜坡铺设两块栅栏板，即最下排树木种植在第一块栅栏板的下沿，其距斜坡顶部的距离约为36 cm；对于堤顶种树方案，第一排树木紧靠堤顶的前沿。

图6给出了不同种树位置时单宽越浪量的比较；图7给出了相应的越浪量消减系数的比较。从图6可以看出，3种方案越浪量随入射波高的增大而增大，与种树位置在肩台时相比，种树位置在斜坡和堤顶时越浪量明显减少，且斜坡方案的越浪量略小于堤顶方案。在入射波高为0.6 m时，堤顶和斜坡2种方案的单宽越浪量为0，肩台方案的单宽越浪量为6.41×10-4m3/（m·s）。从图7可以看出，3种方案m值随入射波高的增大而减小，且斜坡方案的m值略大于堤顶方案。在入射波高为0.6 m时，堤顶和斜坡2种方案的m值为1，肩台方案的m值为0.337。

图6 栅栏板护面不同种树位置时越浪量的比较Fig.6 Comparison of overtopping water for different plant locations on fence panels

图7 栅栏板护面不同种树位置时m值的比较Fig.7 Comparison of m for different plant locationson fence panels

树木种植在斜坡和堤顶时消波能力较好的原因在于，该2种方案时波浪的冲击和破碎可直接作用于植被上，减弱了护面块体（栅栏板）与波浪的作用。另外，堤顶方案比斜坡方案略差的原因在于斜坡方案时主要靠树木的枝叶进行消波，而堤顶方案时主要靠树木的树干部分进行消波，从而表明树木的枝叶消波能力要好于树干。图8是不同种树位置时植被的消波状态，从图中可以看出，肩台方案时部分波浪可越过植被；斜坡方案时波浪直接作用于植被上，枝叶的消波能力较强；堤顶方案时，波浪作用于植被的下部树干部分。

图8 栅栏板护面不同种树位置时消波效果的比较Fig.8 Comparison of absorbing effect for different plant locations on fence panels

4.2 六角型多孔块体方案不同种树位置越浪量的比较

六角型多孔块体是一种新型的护面块体，其研究和应用的时间不长。六角型多孔块体的典型应用即为我国连云港西大堤，在该工程4+725~4+755 m之间50 m长的堤段进行了六角型多孔块体的工程性试验。经过研究比较并结合工程实际，证实该块体确实具有施工方便，速度快，材料省，造价低等优点。

本试验选取六角型多孔块体进行试验，一方面考虑其工程实践中的诸多优点，另外还考虑其多孔结构的孔腔中适合种植树木的特点。试验中选用的六角型多孔块体的尺寸如下：六边形边长为5.5 cm、内部圆孔直径为2.2 cm，块体厚度为1.8 cm。按照1∶10的模型比尺，假定混凝土密度为2.3×103kg/m3，可计算得到该块体原型的单块重量为215 kg。六角型多孔块体具有以嵌固性和重量维持稳定的特点，根据孙精石等人的研究[9-11]，单个六角型多孔块体的最小重量为200 kg时可满足设计波高4 m的稳定要求（无竖向通缝排列方式），因此对于本试验波浪条件，所选择的块体尺寸是满足稳定性要求的。

试验中采用相同的断面形式，仅将六角型多孔块体代替栅栏板，模型的布置与采用栅栏板护面时的布置形式相同。图9是块体的摆放方式示意图和断面模型的照片。

图9 六角型多孔块体摆放方式示意图及断面模型照片Fig.9 Layout of hexagon multiholearmour block and the section model picture

图10 给出了六角型多孔块体护面不同种树位置时越浪量的变化；图11给出了对应工况越浪量消减系数的变化。从图10可以看出，3种方案越浪量随入射波高的增大而增大，与种树位置在肩台时相比，种树位置在斜坡和堤顶时越浪量较少，且斜坡方案的越浪量最小。在入射波高为0.6 m时，斜坡方案的越浪量为0，肩台方案的单宽越浪量为5.18×10-4m3/（m·s），堤顶方案的单宽越浪量为1.78×10-4m3/（m·s）。从图11可以看出，3种方案m值随入射波高的增大而减小，且斜坡方案的m值最大。在入射波高为0.6 m时，斜坡方案的m值为1，肩台方案的m值为0.809，堤顶方案的m值为0.935。

通过对越浪的分析表明斜坡种树的消波效果要优于其他两种方案，这与栅栏板护面时不同种树位置植被消浪效果的趋势是一致的。

图10 六角型多孔块体护面不同种树位置时越浪量比较Fig.10 Comparison of overtopping water for different plant locations on hexagon multihole armour block

图11 六角型多孔块体护面不同种树位置时m值比较Fig.11 Comparison of m for different plant locations on hexagon multihole armour block

4.3 2种护面块体肩台种树方案试验结果的比较

为了检验不同护面块体对植被消波效果的影响，对2种护面块体肩台种树方案的试验结果进行比较。图12给出了2种护面结构肩台种树3排时越浪量的比较，图13给出了对应越浪量消减系数的比较。

图12 不同护面块体时堤顶越浪量的比较Fig.12 Comparison of overtopping water for different armour blocks

图13 不同护面块体时m值的比较Fig.13 Comparison of m for different armour blocks

从图12可以看出，在无植被时，2种护面结构的越浪量随入射波高的增大而增大，且六角型多孔块体护面的越浪量大于栅栏板护面。在肩台种树后，2种工况的越浪量仍随入射波高的增大而增大，且2条曲线差异较小，在入射波高1.25 m时，单宽越浪量分别为7.250×10-3m3/（m·s）（六角型多孔块体）和7.418×10-3m3/（m·s）（栅栏板），两者仅相差2.26%。从图13可以看出，2种工况的m值均随入射波高的增大而减小，六角型多孔块体护面肩台种树后的m值明显大于栅栏板护面肩台种树情况。在入射波高1.25 m时，2种情况的m值分别为0.510（六角型多孔块体）和0.102（栅栏板）。

5 结语

本文通过物理模型试验，研究了防波堤表面植被对越浪的影响，得出以下主要结论：

1）护岸植被对波浪有一定的消减作用，可减小波浪对护面结构的直接冲击，并降低越浪量。

2）就消波效果而言，斜坡种树方案的消波效果要优于肩台和堤顶种树方案；堤顶种树方案的消波效果好于肩台方案。且通过对堤顶种树方案和斜坡种树方案消浪机理的分析还表明树木枝叶的消波能力要强于树干的消波能力。

3）对于栅栏板和六角型多孔块体两种护面结构肩台种树方案，通过对越浪量的分析表明植被对于改善消能较差的护面块体的消波效果更明显。

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