较长周期波浪作用下护岸顶部胸墙受力研究

杨文斌，赵雁飞

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

胸墙是斜坡式护岸的重要组成部分，长期承受波浪作用，设计时需对沿胸墙底的抗滑、抗倾稳定性进行验算。随着当前工程建设越来越往外海化、开敞化方向发展，工程建设条件较以往愈加恶劣，护岸或防波堤等经常会面临较长周期、较大波高的波浪作用。本文以我国东南沿海某护岸受台风损毁修复工程为依托，在进行胸墙设计时，通过研究规范、设计手册中的计算方法并进行物理模型试验验证，确定合理的胸墙断面及尺寸，研究成果可为类似波浪条件下护岸工程胸墙的设计提供借鉴，同时也为关于胸墙所受波浪力的计算方法和计算公式的修改完善提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

依托项目位于深圳市盐田港区东作业区，正角咀南侧。

2018年9月遭受超强台风“山竹”的袭击后，盐田港区东作业区东大堤损毁严重、大堤护面块石被卷走，堤顶已被完全破坏，已严重威胁大堤安全稳定。受业主单位委托，对台风袭击后损毁的东大堤进行应急修复方案设计。

修复工程范围为盐田港区东作业区东大堤，总长约1.3km。东大堤原设计为临时结构，结构形式采用宽肩台式抛石斜波堤结构，设计顶高程5.5 m（当地理论最低潮面，下同），堤顶里侧设有高1.5 m的子堰，设计顶宽12.5～20 m。外坡采用300～900 kg大块石护面；内坡在堤心石外抛填开山石渣，作为吹填料的倒滤层。

1.2 断面设计方案

本工程所在位置处水深较大，50 年一遇设计波浪的要素的波高（H1%）达到6.8 m，波周期达到了13.1 s，波浪周期较长，波高值较大。修复方案尽可能利用现状堤身下部堆积的大块石，将位于波浪打击区范围现状堤身上部开挖后，利用现状堤身大块石作为垫层，其外侧安放一层13 t 扭王字块体护面作为大堤外坡防浪护面结构。对于现状堤身上部则在适当回填堤心石并理坡后铺设一层650～1 300 kg 块石垫层，垫层外安放一层13 t 扭王字块体护面。利用现状堤身下部堆积的大块石作为波浪打击范围以外的棱体块石。

堤身顶部设有混凝土胸墙，根据设计波浪条件，按规范及设计手册中的计算方法和计算公式，设计胸墙底高程位于极端高水位附近采用3.5 m，顶高程采用10.5 m，胸墙底宽采用5 m，通过进行断面模型试验验证，优化设计后胸墙底宽调整为6 m，顶高程调整为9.5 m，形成修复断面如图1 所示。

图1 护岸修复设计断面

2 波浪力计算

2.1 依据《港口与航道水文规范》

根据《港口与航道水文规范》（以下简称规范）10.2.11 条，胸墙前无掩护棱体的情况下，波峰作用时胸墙上的平均波浪压力强度可按下列公式计算。时，平均波浪压力强度达到最大值。

1）判断公式的适用性，应满足ξ≤ξb。当ξ=ξb

无因次参数ξ按下式计算：

无因次参数ξb按下式计算：

式中：

ξ、ξb—无因次参数；

d1—胸墙前水深（m），当静水面在墙底面以下时，d1为负值；

d—堤前水深（m）；

H—设计波高（m），采用H1%；

L—计算波长（m）。

2）波峰作用时，胸墙上的平均压力强度：

式中：

—平均压力强度（kPa）；

γ—水的重度，10.25 kN/m3；

H—设计波高（m），取H1%；

Kp—与无因次参数ξ和波坦L/H有关的平均压强系数，依据规范查图确定。

图2 胸墙波压力图（来源于规范）

3）胸墙上的波压力分布高度：

式中：

d1+Z—胸墙上的波压力分布高度（m）；

Z—静水面以上波压力分布高度（m）；

KZ—波压力作用高度系数，根据ξ和波坦L/H，依据规范查图确定。

d1—胸墙前水深（m），当静水面在墙底面以下时，d1为负值；

d—堤前水深（m）；

H—设计波高（m），采用H1%；

L—计算波长（m）。

4）波峰作用时单位长度胸墙上的总水平波浪力P（kN/m）：

5）波峰作用时单位长度胸墙底面上的总波浪浮托力：

式中：

Pu—单位长度胸墙底面上的总波浪浮托力（kN/m）；

b—胸墙底宽（m）；

—平均压力强度（kPa）；

μ—波浪浮托力的折减系数，取0.7。

2.2 依据《海港工程设计手册》

《海港工程设计手册》（以下简称手册）在胸墙波浪力章节中，除上述公式外，还提出以下内容。

对于胸墙前有人工块体掩护的情况，当掩护的宽度和高度满足2 排2 层时，可考虑作用于胸墙上波浪力的折减，其折减系数可采用0.6。

当胸墙结构型式为向海侧拐折的反L 型时，其作用在胸墙上的波浪力可参考图3 进行估算。

图3 反L 型胸墙波压力图（来源于手册）

对胸墙前采用块体和块石掩护且掩护宽度和高度满足全掩护的情况时，墙前波浪力可近似取折减系数为0.6～0.7。

3 物理模型试验成果

试验在交通运输部天津水运工程科学研究院波浪试验大厅水槽中进行。水槽长65 m，宽1 m，高1.3 m。造波机为电机伺服驱动推板吸收式造波机，可以产生规则波与不规则波。断面模型试验采用 JONSWAP 谱不规则波进行。水槽两端均设有消波装置，同时水槽侧面设有连通管，以使试验过程中模型两侧的水位保持不变。模型选用几何比尺λ=33.92，时间比尺λt=5.82，力比尺λF=39 027.21。

波压力的测定，依据《波浪模型试验规程》JTJ/T234-2001，在胸墙迎浪侧、底板和顶部布置波压强传感器。

波压力数据通过SG2008 型数据采集系统采集分析，试验中连续采集200 个波作用的波压力过程，模型采样的时间间隔均为0.005 s。试验时在静水条件下，对所有测点标零，在静水面以下的测点以此时的静水压强作为对应测点的零点，在静水面以上的测点以此时的大气压强作为零点。试验采集到的压强值为测点实际压强与标零时测点对应压强的差值，亦即所受到的波浪动水压强。

挡浪墙结构断面尺寸如图4 所示，在测力试验中，在胸墙上布置了12 个波压强传感器，其中：1#位于胸墙顶部；2#～4#位于胸墙迎浪侧；5#和6#位于胸墙前趾顶部；7#和8#位于胸墙前趾迎浪侧；9#～11#位于胸墙底板；12#位于胸墙后趾顶部，压强传感器布置见图5。

图4 挡浪墙结构断面尺寸

图5 胸墙压力传感器布置图

针对优化后胸墙进行了受力试验，波浪作用下胸墙稳定。表1 给出了极端高水位和设计高水位下50 年重现期波浪作用下，最大水平力值及该时刻各测点对应的波压强分布。

表1 胸墙压强测量结果

4 波压力对比分析

依据规范、手册分别计算极端高水位和设计高水位波浪作用于胸墙上的波压力强度，计算波高采用设计水位相对应的H1%，并绘制波压力图示，单位长度取与钢筋混凝土水上重度相近为25 kPa。

图6～8 分别显示了极端高水位情况下依据规范计算、依据手册计算以及依据断面物理模型试验得到的波压力分布。

图6 极端高水位胸墙波压力分布（依据规范）

图7 极端高水位胸墙波压力分布（依据手册）

图8 极端高水位胸墙波压力分布（依据模型试验）

从波压力分布图可以看出，极端高水位情况下，对于反L 型胸墙，依据手册计算的水平波压力小于依据规范的计算结果，且计入了波浪下砸力作用，对胸墙的抗滑抗倾稳定计算更为有利。模型试验中最大水平力值时刻，波压力分布图形与手册计算结果较相似，但水平波压力作用高度范围更大，作用于反L 型胸墙上部的波压强不仅没有折减，反而增大至下部波压强的2 倍左右。波浪下砸力与手册计算结果总力接近，梯形分布的上底下底的大小趋势相反，波浪浮托力分布与手册相比差别不大。

图9、图10 显示了设计高水位情况下依据规范计算、依据手册计算以及依据断面物理模型试验得到的波压力分布。

图9 设计高水位胸墙波压力分布（依据规范/手册）

图10 设计高水位胸墙波压力分布（依据模型试验）

设计高水位情况下，由于依据手册和规范计算的波压力分布高度未达到下部直立段顶端，二者均按照作用于直立胸墙上的波浪力计算，水平波压力及浮托力结果均相同。而模型试验中最大水平力值时刻，水平波压力作用高度范围仍然很大，作用于反L 型胸墙上部的波压强没有折减，反而增大至下部波压强的3 倍左右。波浪下砸力仍然存在，其数值与极端高水位相比非常接近。下砸力分布仍是海侧小陆侧大，上下底的分布与手册计算结果趋势相反，浮托力明显小于规范计算结果。

表2 为极端高水位和设计高水位情况下依据规范、手册计算以及依据断面物理模型试验得到的总波浪力值。对于水平总力，模型试验结果远大于规范和手册计算结果；对于波浪浮托力，极端高水位情况下三者结果相近，设计高水位情况下，模型试验结果较小，约为规范结果的1/2；对于波浪下砸力，极端高水位情况下规范公式不计入，模型试验结果与手册计算结果接近，设计高水位情况下规范公式不计入，依据手册计算为不出现，而模型试验结果下砸力仍较大，比极端高水位下小7 %左右。

表2 波压力结果对比

5 结语

本工程胸墙前有块体和块石掩护，掩护宽度和高度虽不满足全掩护条件，但仍可能会对下部直立段产生部分掩护作用，使墙前被掩护部分波浪力发生一定折减。实际工程设计中，设计人员会先根据波浪条件按规范或手册方法设计胸墙断面，再进行模型试验验证；根据本文研究成果，当护岸前方波浪周期较长，波高值较大时，在试验前根据稳定性要求计算所得到的胸墙断面顶高程通常会远高于根据波浪爬高计算得到的堤顶高程，在模型试验中，由于胸墙实际受到的波浪力会比试验前根据规范或手册方法计算所得的波浪力增加较大，造成胸墙失稳，若提高胸墙顶高程增大胸墙重量，则在一定水位下波浪会在胸墙前方产生壅高现象，壅水后胸墙实际所受的波浪力会比根据规范或手册方法计算所得的波浪力大幅增加，造成胸墙更加不稳定。

当波浪周期较长，波高值较大时，根据规范和手册计算所得的波浪力也相应较大，但此时不能一味抬高胸墙底高程或一味加大胸墙断面尺度，否则会使结构断面尺度大幅增加，相应的工程投资也会大幅提高，造成巨大的资源和资金浪费。本文研究依托工程设计实践中，设计人员根据模型试验结果，考虑到壅水产生的巨大水平力增量，在优化胸墙断面时根据相关规范中的越浪量控制标准，利用部分越浪消减壅水和波浪水平力，在满足规范要求和保证胸墙稳定的前提下，有效减小了胸墙断面尺度，节约了投资。

在较长周期、较大波高值的波浪作用下，胸墙所受波浪力会比根据规范或手册方法计算所得的波浪力有较大幅度增加。在实际工程设计中，如不加甄别直接套用规范或手册对于胸墙设计偏于危险，建议设计者对此予以足够的重视，最好对胸墙稳定进行相应的物理模型试验验证。根据胸墙重量和其受力结果分析，尽管物理模型试验结果显示胸墙稳定，但在破碎波浪瞬时冲击下，受力会远大于胸墙稳定性要求，建议胸墙设计时采取适当措施，保障工程安全。