阶梯式海堤波浪爬高试验研究

陈 刚，李 君，胡金春

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

采用预制块、干砌块石等护面的斜坡式海堤已得到广泛应用，这种结构海堤的波浪作用已有大量的研究与分析，但其需要消耗较多的工程材料，在城市防洪工程中还会影响城市景观。亲水型阶梯式斜坡海堤结构简单美观，平时可作为旅游者休闲活动场所，台风期可抵御风浪。然而这种结构的消浪效果与传统海堤相比有何差异，不同台阶尺寸的消浪效果如果，目前研究不多。

选择阶梯式海堤，通过不同波高、周期的组合试验，对比分析阶梯式和干砌块石护面的波浪爬高，对阶梯式海堤的波浪爬高进行初步探索，并提出阶梯式海堤的糙渗系数，试验结果可为今后的类似设计提供参考。

2 断面形式及水文条件

2.1 断面基本方案

根据海堤工程安全、景观、亲水等多功能要求，试验采用单斜坡坡比1∶2.5。阶梯式海堤设2个方案，方案1:台阶高16cm，宽40cm;方案2:台阶高22cm，宽55cm，方案3:对比分析干砌块石护面形式 (即台阶高度为0的光滑斜坡)，试验断面结构示意见图1。

图1 试验断面结构示意图

2.2 水文要素

设计堤前水文要素见表1，考虑到阶梯式海堤景观配套及安全因素，且主要应用于波浪较小且周期不长的河口及内河地区，因此设计波高介于2.0～3.4m，周期7～11s。

表1 试验断面堤前水文要素表

2.3 试验设计

考虑堤身高度、波浪要素、水深及水槽尺寸等因素，采用模型比尺M=15，即长度比尺λL=λH=15，时间比尺λT=3.87，该比尺符合JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》［1］的要求。

试验内容为3个断面方案和表1所示的水文组合，采用规则波试验。试验在浙江省水利河口研究院波浪实验室不规则波水槽中进行，水槽长70.0m，宽1.2m，高1.7m，首端采用液压造波机系统，可生成规则波和不规则波。为消除波浪反射，在水槽末端设置1∶7的消波滩，滩上装有格栅及浮动泡沫板，借以吸收波浪能量，消波设施性能良好，基本上能消除反射波。水槽试验段分割成0.5m和0.7m两部分，0.5m宽的部分用来安放模型断面和进行模型试验，另一部分用于扩散造波板的二次反射波试验。

3 试验结果及分析

3.1 波浪爬高试验结果

不同方案的波浪爬高试验值列于表2，并绘于图2以便对比分析。

波浪爬高R:

(1)方案1＜方案2＜方案3(干砌块石护面)，主要是阶梯式的糙率较大，波浪沿斜坡前进破碎后，破波水流向上行进时，阻力较大，造成阶梯式波浪爬高明显小于干砌块石护面;

表2 各方案海堤波浪爬高试验值表 m

(2)同为阶梯式海堤，方案2波浪爬高较大，波浪破碎后，水流在向上行进时，方案1水平方向上流程较短，导致斜坡方向上破波水流需要流经更多台阶，波浪动能因此消耗更多，进而造成波浪爬高反而略小;

(3)大波高 (3.4m)小周期 (7s)的波浪爬高较大，而小波高 (2.0～2.7m)大周期 (10～11s)的波浪爬高较小。

图2 各方案波浪爬高试验值图

3.2 阶梯式海堤与干砌块石海堤的消浪效果对比

3.3 阶梯式海堤的糙渗系数

规则波在单坡上的波浪爬高可由SL 435—2008《海堤工程设计规范》［2］计算得出，比较试验值与规范计算值，两者较为吻合 (见图4)，以此来反推阶梯式海堤的糙渗系数KΔ。根据试验结果分析可得出，阶梯式海堤的糙渗系数KΔ=0.50～0.55，且方案1要小于方案2，阶梯式海堤的糙渗系数与抛填2层块石 (透水基础)护面结构的糙渗系数基本接近。

图3 阶梯式海堤的消浪效果图

图4 干砌块石护面波浪爬高试验值与规范计算值对比图

4 结语

本文以阶梯式海堤作为研究对象，分析其在不同尺寸和水文要素组合下的波浪爬高，对比传统的干砌块石护面，可初步得到以下几点认识:

(2)大波高 (2.7～3.4m)和小周期 (7～10s)的水文要素组合上，阶梯式海堤的消浪效果要好于干砌块石护面海堤，最小折减系数在0.7左右，小波高 (2.0m)、大周期(10～11s)水文要素组合，阶梯式海堤消浪效果不明显。

(3)依据规范公式的干砌块石护面波浪爬高计算，反推阶梯式的渗透系数，可得阶梯式海堤的渗透系数KΔ=0.50～0.55。

考虑到城市景观、人性化、亲水性的实际需求，阶梯式海堤的适用范围主要在河口或内河等周期不长、波高较小的水域。

［1］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，2001.

［2］水利部水利水电规划设计总院.SL 435—2008海堤工程设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2008.