扭王字块护岸破坏修复方法波浪稳定性试验研究

杨会利，刘海成，陈汉宝

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

1 概述

我国海岸线较长且沿海港口大多位于台风频发区域，众所周知，台风一般历时长、风力强、频率高，所形成的巨浪和海潮往往会造成港口水工建筑物的严重破坏，由于防浪建筑物在海港各类水工建筑物中有其特殊的地位[1]，防浪建筑物的损坏是海岸工程界历来关注的课题[2]。

分析防浪建筑物损坏原因主要包括以下几个方面：设计波浪标准取值偏小；未考虑波向、波能集中影响因素；未充分考虑越浪、护底失稳等因素的影响[3]；施工期稳定性不足等[1]，设计波浪标准偏低和波浪水动力特性认识不足是防波堤损坏的主要原因[2]。

根据破坏受损主要原因选择不同的修复方法，如在经常遭受台风区域提高设计标准，在波能集中及堤头易破坏处加大块体重量等。目前防波堤修复加固中，对破坏的护面人工块体一般采用将原有块体分解，达到垫层的质量，但此种方式耗时耗力，施工困难。

本文通过物理模型试验进行了扭王字块护岸破坏修复加固后的断面稳定性试验研究，验证了原块体作为垫层块石的适应性，为此类型护面破坏后的修复方法提供科学依据。

2 防波堤修复方案

2.1 破坏原因分析

2011年8月“梅花”台风曾造成大连某化工护岸部分损坏，使得护面块体失稳，挡浪墙滑移等。“梅花”台风具有强度高、移动速度较慢、历时时间较长、海域形成的波浪周期较长等特点。根据大连损毁海岸工程附近海域老虎滩测站实测资料，已有文献推算E向浪50 a一遇重现期波浪T=7.5 s，H1/10=4.0 m[4]，SE或 ESE强浪向 50 a一遇重现期波浪T=9.0 s，H1/10=6.2 m 或 6.7 m[4-5]；“梅花”台风过程中，E向浪T=9.0 s，H1/10=3.03 m。波高虽然未达到50 a一遇，但平均周期却已超过50 a一遇[6]，较长周期波一般波高较小，波长较长，所以它具有极强的穿透性，且波速较大，在水平方向上水的流动性很大，具有相当大的能量，周期越长，在特定海岸附近折射聚能现象越强，进而在局部区域产生具有破坏力的波高[7]。虽然台风引起的护岸损坏可能有多种原因，但“梅花”台风过程引起的较长周期波浪是引起护岸损坏的重要原因之一。

2.2 修复加固方案

根据现场破坏情况，护面块体失稳比较严重，如何处置和利用已有的人工护面块体为本修复方案的关键，采用拆除办法不仅施工难度大且会造成很大的浪费，由于现场破坏的护面块体经大浪不断的冲击已密实，因此提出在现有护面块体基础上安放1层15 t扭王字块，使得原护面块体作为垫层，此种方法可以大大减少施工难度和节约施工成本。通常垫层石重量为护面块体的1/10～1/20，为验证原护面块体作为垫层的可行性，在重新推算护岸修复加固工程设计波浪基础上，通过波浪模型试验对加固方案进行研究，考虑到波向、波能集中对护岸稳定性的影响，本次研究除进行二维物理模型试验研究外还进行了三维整体物理模型试验研究。

图1为破坏的防波堤和护岸的平面布置图，包括逸盛大化石化有限公司已建防波堤及西护岸的加固工程，防波堤定位轴线方位为N92°～N272°，均为斜坡式护岸结构。防波堤兼码头段位于工程最西端，长260 m。西护岸西端与防波堤根部相接，东端接东护岸。西护岸长600 m，堤顶处设反“L”形防浪墙。图2为堤头处2号断面原设计（虚线）与加固断面图，图3为拐角处7号断面原设计（虚线）及加固断面图。从断面图可以看出原设计方案中堤头处护面块体为9 t扭王字块，拐角及堤身处护面块体为7 t扭王字块，扭王字块下面为300～400 kg块石垫层，护底为100～200 kg块石。在“梅花”台风期间，扭王字块护面发生护面块体下滑、块体破损、堤心石淘出等破坏，引发后方陆域塌方的巨大威胁。从图2和图3中可以看出加固修复方案为在破坏的防波堤上采用更大的扭王字块，堤头及堤身加固断面在+2.60 m以上区域直接在原7 t（9 t）护面块体上安放1层15 t扭王字块，在+2.60 m以下区域在原7 t（9 t）护面块体上依次铺设 50～100 kg、500～800 kg垫层块石，垫层块石的上方安放1层15 t扭王字块，戗台处安放3排15 t扭王字块，-13.0 m处为2排7 t扭王字块，护底为500～800 kg块石，随着护面高程的加高，胸墙高程由原来的+7.50 m加高至+10.0 m。

图1 防波堤及护岸平面布置图Fig.1 Breakwater and revetment layout

图2 堤头处2号断面原设计及加固修复断面结构图Fig.2 Structural drawing of original design and reinforced section 2 at breakwater head

图3 拐角处7号断面原设计及加固修复断面结构图Fig.3 Structural drawing of original design and reinforced section 7 at the corner

3 修复护岸波浪物理模型试验研究

3.1 试验简介

断面物理模型试验在波浪水槽中进行，三维物理模型在综合试验厅水池中进行。模型按照重力相似准则设计[8]，结构断面尺寸满足几何相似，且计算模型重量时已考虑淡水与海水的密度差影响。根据试验场地、现有块体重量及试验要求，断面模型选用几何比尺为λ=40，三维物理模型选用几何比尺λ=60。

3.2 试验水位

极端高水位：3.10 m（100 a）；

设计高水位：1.86 m；

设计低水位：-1.62 m。

3.3 试验波浪条件

试验波浪要素根据《逸盛大化石化有限公司对苯二酸项目防波堤、护岸加固工程波浪数模试验研究报告》[9]及《逸盛大化石化有限公司对苯二酸项目防波堤、护岸加固工程波浪数模试验研究补充报告》[10]选取。

3.3.1 二维断面物理模型试验波浪条件

二维波浪模型稳定性试验波要素选取各波向中最大的100 a一遇设计波要素条件，波浪选用不规则波。

断面位置处波浪要素见表1所示。

表1 断面位置处设计波浪要素Table 1 Design wave elements at each section position

3.3.2 三维整体物理模型试验波浪条件

三维整体波浪模型稳定性试验采用重现期100 a一遇SE、S、SW三个方向的不规则波进行试验。

模型与3个来浪方向相对位置如图4所示。波浪要素详见表2所示。

图4 来浪方向与模型相对位置Fig.4 Direction of incoming wave and the relative position of model

表2 三维物理模型设计波浪要素Table 2 Wave elements in 3D physical model design

3.4 模型试验结果及分析

3.4.1 二维断面物理模型试验结果

1）堤顶结构与越浪量

设计低水位与设计高水位波浪作用时由于水深及波高较小，堤顶无越浪发生，随着水深及波高的加大，在100 a一遇极端高水位波浪作用时，堤顶单宽平均越浪量为0.001 1 m3/（m·s），满足0.005 m3/（m·s）的设计要求，并未对堤顶结构稳定性产生影响。

2）护面结构稳定性

在100 a一遇波浪和设计低水位、设计高水位组合波浪作用下，对于500～800 kg护底块石，波浪作用时表面有个别块石晃动，块石表面整体未发生明显变形，因此判定稳定；15 t扭王字块护面，在每组工况波浪连续作用3 h后未发现块体有位移现象，因此判定稳定；断面其它各部分均保持稳定。

在100 a一遇极端高水位重现期100 a不规则波作用下，对于500～800 kg护底块石，在波浪连续作用3 h后，块石表面整体均未发生明显变形，因此判定稳定；对于15 t扭王字块护面，在波浪连续作用3 h后，未发现护面块体有位移和块体滚落，因此判定稳定，同样原设计方案中的7 t扭王字块作为垫层也表现出良好的稳定性；挡浪墙在波浪连续作用下也未出现倾覆、滑移现象，因此判定挡浪墙稳定，断面其它各部分均保持稳定。

3.4.2 三维整体物理模型试验结果

1）堤顶结构与越浪量

在3个浪向作用下，最大平均越浪出现在极端高水位（100 a）SE向重现期100 a一遇波浪作用下，越浪量为0.025 m3/（m·s）； SW向来浪先作用于防波堤堤头，因此在极端高水位（100 a）水位时堤头出现壅水现象。3个方向波浪作用下堤顶结构均稳定。

2）护面块体的稳定性

防波堤不同部位的破坏程度与其局部波高密切相关，波高的局部增大突出表现在凹角附近[1]。在3个浪向重现期100 a波浪作用下，防波堤与西护岸连接拐角段7号断面凹角处由于不同方向波浪反射相互叠加使得附近波高增大，见图5和图6所示。在波浪连续作用3 h后，护底块石、护面块体及胸墙均能保持稳定，堤头及其它部位均稳定。原设计方案中的7 t扭王字块作为垫层也表现出良好的稳定性，通过本项目试验研究证明将原有的块体作为垫层在技术上具有可行性。

图5 极端高水位（100 a）SW向浪作用时场景Fig.5 Phenomena of extreme high water level(100 a)SW directional wave action

图6 设计高水位（100 a）SE向浪作用时场景Fig.6 Phenomena of design high water level(100 a)SE directional wave action

4 主要结论

针对护岸工程受损原因，修复工程设计波浪标准需提高到能抵御台风期波浪，护岸工程护面需安放新护面结构，通常垫层石重量为护面块体的1/10～1/20，为减少工程费用，本修复加固断面采取原护面块体作为垫层，上部安放新护面结构，并采用波浪断面和整体物理模型对加固后的护岸进行稳定性试验研究，验证原块体作为垫层的适应性，试验结果表明原块体直接作为垫层具有较好的稳定性，在技术上是可行的，且在已经破坏的护岸上采用更大的扭王字块体进行防护是一种有效的加固方式。