水力插板与抛石斜坡复合堤稳定机理*

张翀岳，郑建国，刘文帅，张 君，许国辉

(1.中国海洋大学，海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100；2.中国海洋大学，山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛266100；3.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛266100)

在海岸侵蚀防护或者港口工程中，常在岸线附近或海岸带内修建防波堤。防波堤一般处于海域中，单侧或双侧邻水，直接承受波浪冲击，在波浪长期作用下或在极端波况时常发生防波堤破坏事件。东营中心渔港航道防护堤，其南部为抛石堤，在经历风浪作用和40 a一遇的海冰影响后，遭到严重破坏，部分坝体产生沉陷，部分栅栏板错位变形；而其北部为水力插板直立堤与水下抛石斜坡形成的复合堤，处于波浪动力更强的环境下，完好无损。采用水力插板桩技术建设的直立墙与墙前水下抛石斜坡的复合堤，在工程实践中表现出更好的安全稳定性，但其稳定性机理尚不明确，有必要进行深入研究。

关于直立堤和抛石堤稳定性的研究，国内外开展了大量工作。Yoshimi Goda[1]推导了直立墙在波浪冲击力作用下的运动公式；李玉成[2-5]开展了一系列破碎波对直立墙作用力的分析研究；蔡晓禹[6]分析了散体岸坡颗粒的受力和运动状态，得出波浪对散体岸坡的破坏机理和破坏过程；傅华[7]通过试验得出波浪正向入射散体斜坡内最大波压力衰减规律；李增志[8]运用二维刚性体离散单元法对抛石防波堤在波浪作用下的失稳过程和机理进行了研究；康海贵[9]利用粒子图像测速(PIV)技术研究了近破波对直立式建筑物冲击过程的流场变化特性；Ye Jianhong[10-11]进行斜坡海床上建设的抛石防波堤在海啸荷载作用下的数值研究；Mohammad[12]模拟了斜坡海床上复合式防波堤波浪破碎响应；Mohammad Amin Torabi[13]研究了波高、周期、护堤肩宽对不同尺寸护面层的复合式防波堤稳定性的影响。已有成果均未涉及基础深入海床的直立墙与墙前水下抛石斜坡组合的复合堤模式，该复合堤在波浪作用下的稳定性有待研究。

采用水力插板桩技术[14-16]修筑直立墙，板桩入地深度超过地上部分，解决了基础不稳定的问题，并在墙体两侧铺设抛石护坡，解决了坝体抗弯强度不够的问题，并有效防止基础被冲刷掏空，护坡均在水面以下可保持长期稳定。本文通过波浪水槽试验，对比这种复合堤与直立堤、抛石堤在不同波况下，直立墙上和抛石护坡中的波压力以及抛石护坡的侵蚀情况，探究复合堤的稳定性优于直立堤和抛石堤的机理。

1 试验方法

1.1 材料与设备

在波浪水槽中开展模拟防护堤对波浪作用响应的试验。试验波浪水槽长14.0 m、宽0.5 m、高1.5 m(图1)。一端配有造波系统，可形成规则波，另一端配有消波系统。试验使用DEWE Soft数据采集系统、WG-55型波高仪、CYY2型压力传感器等仪器。

图1 试验波浪水槽(单位：m)

抛石材料与波况的选取以抛石可发生位移为准。抛石材料选择角砾(图2)，平均密度2.56 t/m3,平均质量11.1 g，中值粒径2.6 cm，砾石自然堆积形成的抛石护坡孔隙度约为46.2%。直立墙采用高135 cm、宽50 cm、厚1 cm的铁板，可在波浪作用下保持稳定，不影响波压力数据采集。试验用基床沙取自青岛海滩，筛分获得粒径< 0.25 mm的粉细沙，中值粒径0.17 mm。

图2 试验使用的角砾

1.2 试验方案

试验设计3种形式的防护堤(图3)，分别为直立堤、抛石堤、直立墙与墙前水下抛石斜坡组合的复合堤，抛石护坡形状设计为三角形，高35 cm，坡率为1:3。为模拟较为极端的水深状况，试验水深设置为35 cm，保证静水面恰好没过抛石堤顶。

图3 防波堤形式与测线布置

试验测线设置如下：在直立墙面设置垂向测线，等间距布设6个压力传感器，由下至上标记为Z1～Z6；在抛石护坡中设置水平测线，位于距底床面21 cm处，等间距布设6个压力传感器，由右至左标记为A1～A6；在抛石护坡表面至直立墙脚设置斜向测线，等间距布设7个压力传感器，由上至下标记为B1～B7，所有传感器均正对来波方向。首先分层铺设沙质基床并加水饱和，将直立墙插入底床面以下30 cm，铺设砾石并放置传感器，加水至设计水深，静置24 h之后开始造波试验。3种防波堤均施加6种波况，试验工况见表1。

表1 试验工况

2 试验结果

在各工况的波浪持续作用过程中，3种防波堤前的底床泥沙出现少量悬浮，底床表面形成细小沙纹，堤脚处未出现明显侵蚀，堤前波浪形态和砾石运动规律差异较大，数据采集系统获取的时程曲线均呈现与波浪运动一致的波动性(图4)。

图4 压力时程曲线(工况1)

1)直立堤：直立堤前形成立波，波浪运动至直立墙面时不发生破碎，见图5a)。

2)抛石堤：波浪在距抛石堤顶水平距离15～35 cm处开始破碎，越过堤顶并携带砾石向堤后运动并堆积，在堤顶后完成破碎过程，见图5b)。

3)复合堤：波浪在复合堤的抛石护坡上开始破碎，但破碎过程未完全完成，变形的波浪直接拍击在直立墙上，此过程溅起的水位高度达到了15～35 cm。波浪作用初期，坡面砾石被回落水流携带至堤前水深较深的位置，坡面坡度不断减小至稳定后，坡面砾石仍随波浪沿坡面运动，但净运移量为0，见图5c)。

图5 3种防波堤的堤前波浪形态

3 试验数据分析

工程上一般比较关注波峰压力对水中建筑物的作用。当波谷运动至堤前时，堤后水深高于堤前水深，必须考虑波谷压力可能引发直立墙向海侧倾覆。本文为证明复合式防波堤的优越性，将通过不同位置受到的波峰波谷压力以及抛石护坡表面侵蚀情况进行3种防波堤的对比。将各堤型、各工况条件下的时程曲线中，同周期内的峰值压力和谷值压力减去静水压分别绘制成图(图6～9)。

3.1 直立堤与复合堤对比

在6种工况的波浪作用下，直立堤沿墙面位置的波峰压力均大于复合堤(图6)。直立堤没有任何削弱波浪能量的能力，波浪在遇到直立堤后未发生破碎。反射波与入射波叠加后形成立波，堤前最大波高已变为入射波的1.44～2.34倍，波能与波高的平方成正比，因此直立堤沿墙面位置的波峰压力提高了很多。复合堤前的抛石护坡首先降低了堤前水深，迫使波浪在堤前发生破碎，消耗了一部分波能；其次，抛石护坡抵御了来浪的直接冲击，水流在抛石护坡的孔隙中流动再次消耗了一部分波能。波能的消耗避免了波浪反射在堤前形成过大波高，复合堤前的最大波高仅为入射波的1.16～1.78倍，小于直立堤，与波峰压力数据反映的规律一致。

图6 垂向测线波峰压力

在6种工况的波浪作用下，直立堤沿墙面的波峰压力均随水深变化不大，而复合堤沿墙面的波峰压力随水深增加呈现较为明显的减小趋势。这是由于抛石护坡设计为三角形，水流渗透路径随水深增加而增加，波能消耗也随之增加。对比工况1～3，周期不变，随着入射波高的增大，复合堤沿墙面的波峰压力曲线逐渐向直立堤的波峰压力曲线靠近。直立堤与复合堤静水位处的波峰压力比从1.3:1减小至接近1:1，直立墙脚处的波峰压力比维持在1.5:1左右。说明随着波高增大，抛石护坡顶部区域发挥的作用将降低。大波高的波浪在堤前变形之后来不及在护坡上完成破碎消能过程便冲击于直立墙上。而在水深较深的位置，抛石护坡依然能发挥很好的消能作用。

由于抛石堤中不存在直立墙倾覆的情况，故下文只关注直立堤与复合堤的波谷压力，对抛石堤不作讨论。在计算波谷压力时认为堤后水位始终为静水位，因此静水位位置的波谷压力均为0。6种工况的数据均表现为直立堤沿墙面波谷压力比复合堤的大很多(图7)，水面下5个测量点的平均波谷压力比为3.07:1，在工况4中甚至达到4.73:1。这同样是由于波浪遇到直立堤后反射，反射波与入射波叠加既会使波峰上升，也会使波谷下降，最低的波谷已经达到静水位线下14 cm。波谷越低，墙体受到的波谷压力越大。复合堤前的抛石护坡减小了反射，使堤前不再出现过低的波谷，最低的波谷未达到静水位线下7 cm。同时，波谷运动至堤前时，抛石护坡内的水从孔隙中排出需要时间，堤前水位下降较慢；而直立堤前水位瞬间降低使墙体突然受到过大倾覆力矩可能会引起防波堤倾倒或损坏。

图7 垂向测线波谷压力

3.2 抛石堤与复合堤对比

图6表明，在6种工况的波浪作用下，抛石堤沿直立墙面位置处的波峰压力都是最小的。虽然复合堤前抛石护坡形成的渗透路径与抛石堤相同，但直立墙的存在既阻隔了孔隙间的水继续向堤后流动，又阻止了波浪完全破碎。抛石堤为全透水堤，拥有最长的渗透路径，水流进入砾石间的孔隙后消耗了大量能量，且波峰可以越过抛石堤顶完成破碎过程。这使得抛石堤的反射系数变得很小，堤前最大波高仅为入射波的1～1.22倍。对比抛石堤和复合堤护坡内水平向波峰压力(图8)，可知工况2～4在远离直立墙位置的测量点A1～A3，工况5、6的测量点A1～A5，抛石堤与复合堤内的波峰压力值相差不大，说明入射波在与抛石护坡接触的前期，抛石堤与复合堤消耗波能的程度基本相同。在靠近直立墙的测量点，尤其是沿墙面位置的A6，2种防波堤的数据相差较大。这是由于波浪在抛石堤上破碎后，水流平缓越过堤顶，所以抛石堤的测量点A5～A6数据相差不大。复合堤中的直立墙使堤前波高增大，且波浪没有完全完成破碎过程，直接拍击在直立墙上，拍击瞬间作用力很大。因此，在波高较大时(工况3～6)，位于直立墙面的测量点A6数据突增。对比抛石护坡表面至直立墙脚的波峰压力(图9)，发现具有与上述相似的规律。在远离直立墙位置的测量点数据相差不大，在直立墙位置附近的测量点，复合堤波峰压力数据大于抛石堤。除此之外，A3～A4与B3～B4点波峰压力突增。2条测线上该区域与直立墙距离基本相同，入射波均在此区域上方附近开始产生变形破碎，波高增大，使得波峰压力增大。此外，斜向测线采集到的波峰压力均小于横向测线，再次说明在越深的位置，水流的渗透路径越长，越有利于波能的消耗。工况1的波浪作用于抛石堤与复合堤时，无论是水平测线还是斜向测线的数据都很接近，说明在入射波高较小的情况下，2种防波堤的消能效果相差不大。

图8 水平测线波峰压力

图9 斜向测线波峰压力

上述分析表明，抛石堤在消耗波能、减小波峰压力方面略优于复合堤。但是抛石堤在波浪长期作用下稳定性较差。在陶威等[17]的试验中，由于没有直立墙的存在，抛石堤顶的砾石受越浪作用运移到了堤后，最终导致整个防波堤的结构发生破坏。并且随着波高增大，砾石的运移量也会增加，加剧破坏进程。而复合堤中的直立墙阻止了砾石向堤后运移，同时使堤前波高增大，在波浪作用初期，墙前砾石既有侵蚀也有堆积，坡面在这个过程中逐渐变缓并稳定，达到适应波况的工作状态(图10)。在达到稳定后，坡面上的砾石依然在随波浪运动，处于动态平衡的状态，波况如果改变，墙前砾石可自行逐步调整至适应的形态。抛石堤在波浪长期作用下形成的是永久性破坏，如果不进行维护将逐渐丧失防波堤功能。抛石堤与直立堤的组合可以显著延长防波堤的使用寿命，节约维护成本，提高经济效益。

图10 抛石堤和复合堤坡面变化

4 结语

1)复合堤相比于直立堤，堤前抛石护坡消耗了波浪能量，抵御波浪的直接冲击，同时避免波浪强烈反射在堤前形成过大的波高，降低了波峰压力。此外，波谷运动至堤前时，水从抛石护坡孔隙中排出需要时间，使得堤前水深下降程度和下降速度均有减小，大幅降低了波谷压力。抛石护坡降低了直立墙向岸或向海倾覆的风险。

2)复合堤相比于抛石堤，在直立墙附近位置消耗波能的效果略差，仍有较大的波浪力作用于墙面。但直立墙阻止了抛石向堤后运移，堤前抛石护坡形态可随波况动态调整，显著延长了抛石护坡的使用寿命。

3)采用水力插板桩技术建设的复合堤拥有比直立堤和抛石堤更好的稳定性，在降低施工和维护成本的同时，还可延长使用寿命。