平台式消浪结构试验研究及工程应用

夏运强，柳玉良

（海军研究院海防工程设计研究所，北京 100070)

引言

青岛燕儿岛护岸工程，毗邻奥帆基地，南向黄海，为青岛市前海区的黄金岸线，护岸主要功能是防护后方的住宅区免受潮水和海浪侵袭，且有沿海观景通行功能。该工程 1999年施工完成。2000年8月31日“派比安”台风期间，护岸局部特殊区域发生大量越浪过水情况，栏杆和镶面石被损坏，对后方住宅区和道路通行产生威胁。

针对上述问题，设计研究单位进行了试验研究[1]，提出了基于大平台消浪结构的修复方案，施工后，十多年来的使用情况表明，该修复方案达到了预期效果。本文对此进行总结，旨在对同类工程提供参考和借鉴。

1 设计方案

原设计护岸轴线基本按照自然岸线布置，发生过水区域护岸轴线向海呈凹角（图1），半径70 m，圆心角 47º，长度 125 m，水深相对较大（-1.5～-0.8 m），且外海无礁石掩护，外海波浪直接入射。此段断面主体采用带窄平台的浆砌块石直立结构（图2），护岸顶高程取7.8 m，平台高程定为5.0 m，宽度在5.0 m左右，主要满足游人亲水性要求，其次考虑一定的消浪作用。试验水位采用极端高水位5.36 m（大港零点），堤前采用极限波高5 m，波周期10 s、12 s，按浅水波长计算公式，该水位下-1.0 m水深处对应波长分别为76 m和92 m。

派比安台风期间护岸局部破坏的主要原因是前述护岸轴线向海侧呈凹角，外海东南向涌浪长驱直入，在此发生波能集中，造成海水壅高和越浪过水现象。现行行业规范[2]明确规定：“防波堤（护岸）轴线的线形，宜采用直线、向海方向的平顺凸曲线或折线。必须布置成向海方向的凹曲线或折线时，应作必要论证，并宜减小转折角度。”对此，修复方案在平面布置上对拟建消浪平台外边线进行了处理，采取向外凸角形式（图1），有利于消浪。在断面设计上，修复方案拟采用前方设置消浪平台和后方围挡两项措施（图 2），前方通过调整护岸平台宽度B和高程C，使波浪提前破碎消耗能量，达到减少堤顶越浪的目的；后方做挡墙，根据后方使用要求顶高程定为9.15 m，且通过调整挡墙距离道路边缘线距离A再一次消耗波能，减少过水量。经查新，护岸或海堤迎浪面采用平台或台阶[3-6]进行消浪是一种比较有效的方式，但多数研究针对斜坡式堤。现行规范[7]未对带消浪平台的直立堤设计参数做出规定，但对带肩台的斜坡堤设计规定如下：“对减少波浪爬高而设置肩台的斜坡堤，肩台的位置宜设在设计高水位上、下0.5倍设计波高范围以内，宽度宜为0.5～2.0倍设计波高。”这里的肩台即为消浪平台，斜坡堤和直立堤对波浪反射程度不同，造成的爬高或越浪会有差异。直立堤消浪平台的设置可以参考斜坡堤对肩台的有关规定进行初步设计，通过物理模型试验进行验证和优化。

图1 护岸平面布置（局部越浪破坏段）

图2 护岸断面（含修复方案）

2 模型试验验证优化

2.1 试验目的和方案

拟通过模型试验对修复方案初始断面进行验证和优化，重点对消浪平台宽度、高程和后方挡墙距离进行论证比较，以保证 9.15 m挡墙不越浪为原则确定合理设计参数。

修复方案初始断面中，A取0 m和7 m两种情况，B取0 m、10 m、15 m和20 m四种情况，C取4.0 m和5.0 m两种情况，三者进行部分组合共6个断面，其中A=0、B=0组合为原设计方案。

2.2 试验准备

试验研究采用波浪断面物理模型试验手段，按照《波浪模型试验规程》[8]要求进行试验。采用的试验水槽长50.0 m、宽1.2 m、深1.2 m，一端安装低惯性直流式电机不规则造波机，另一端设置为消能设施，其波浪反射率小于 10 %。波浪参数测试采用成熟可靠的DS-30波浪测量系统。模型比尺定为 1:30，按重力相似准则模型设计和参数换算。

试验工况见表1，为便于比较方案的优劣程度，试验增加了H1%=4.0 m工况。试验采用单向不规则波，谱型模拟采用JONSWAP谱，考虑涌浪作用，谱峰升高因子γ=7，试验中不规则波连续作用的有效波数不少于100个。

表1 试验工况

2.3 试验结果和讨论

对包括原设计方案在内共6个断面方案分别进行不同波浪工况的测试，主要观察护岸顶部越浪和后方挡墙过水情况。原设计方案在最小波浪工况下，外海的波浪传到堤前，与护岸反射波浪相互叠加，在靠近堤前处几乎达到了极限波高，处于临界破碎状态。由于波浪为近破波，对护岸上部结构打击大，并且造成堤顶越浪严重，后方挡墙过水量也很大。其他方案各工况现象和结果见表2。

表2 各断面方案试验现象及结果

由上述试验结果可见，消浪平台总宽度取20～25 m（含原设计方案5 m）时，后方挡墙基本不过水。此时，平台总宽度与波长比值1/3.8～1/4.6，平均在1/4左右，即平台宽度约为波长1/4。另外，消浪平台高程接近设计水位时，消浪效果较好。

需要说明，对本文研究的问题，适宜采用局部整体物理模型试验手段进行试验研究，主要考虑成本等原因，采用了断面物理模型试验手段，这与实际情况有些差异。在最终设计方案确定时，适当考虑了这一差异，保证修复方案的可靠性。

3 工程实施方案及实际使用效果

综合考虑试验结果和工程实际情况，最终确定修复方案见图1，断面参数采用A=7 m，B=20 m（随轴线变化），C=5.0 m，加宽部分总长为97 m，其中AB段为7 m，BC段为80 m，CD段为10 m。为保证护岸越过的水体能回流顺畅，原设计护岸顶部40 cm高胸墙采用下部开孔方式，另外道路两侧设置排水沟等辅助措施。该处地基为岩基，原设计中采用的结构形式实践证明稳定性良好，适合该处地形情况，因此消浪平台设计继续采用这样的结构，基础为麻袋混凝土，整平后现浇毛石混凝土，在此基础上设置顶宽 2 m的浆砌墙，后方回填碎石。为了美观和整体效果，顶面和侧面均采用浆砌块石镶面。修复后现场情况见图3。修复后该护岸经历过“麦莎”（2005年）、“米雷”和“梅花”（2011年）等台风考验，均能正常发挥功用，状态良好。

图3 施工后护岸照片

4 结语

通过解决燕儿岛护岸越浪破坏问题，提出了消浪平台等修复措施，并开展了试验研究，最终修复方案付诸实施，效果理想。试验研究结论如下：

1）原护岸轴线向海呈凹角布置，且弧度过小，外海无掩护，造成台风期高水位大波浪波能集中，是本区段护岸越浪破坏的主要原因；规划部门岸线布置应遵循水工工程设计的基本原则，避免类似问题发生。

2）采用消浪平台是比较理想的解决问题方案，对消浪平台的具体参数进行了试验确定；试验表明，消浪平台高程在高水位附近，宽度取 1/4波长时，会达到比较理想的消浪效果。

现行行业规范未对带消浪平台的直立式护岸有关设计参数作出规定，本研究对此进行了初探，成果可以为类似工程提供参考和借鉴。