波浪爬高对灌砌块石护面稳定性影响

谢 龙，吴 炎

(温州市瓯飞经济开发投资有限公司，浙江 温州 325025)

0 引 言

瓯飞一期围垦工程位于温州市瓯江、飞云江河口间平直岸滩，东临大海，西连瑞安丁山、龙湾永兴、天城、海滨等沿海围垦区，南顺飞云江北岸至长拔山，北顺瓯江口南岸，经批准的规划用海面积为0.885 3×104hm2，堤线总长36.6 km，总工期9.5年，概算投资272.9亿元[1]，工程分两阶段实施，主体工程北区于2013年7月份开工。

瓯飞围垦一期工程是全国单体最大的围垦工程，海堤迎潮面永久护面结构与施工期安全度汛结构的设计与施工是围垦工程建设过程中的重点与难点。由于瓯飞一期围垦料场石料料源较差，镇压层无法满足设计护面单块重量不小于800 kg要求。因此，结合工程专供料场的实际情况，经过护面结构优化研究，设计采用灌砌块石护面结构的方案，即采用满灌方式，将灌砌块石分成尺寸为5.0 m×5.0 m单元，在护面块石单元间角缝灌注混凝土，灌注厚度为块石护面厚度一半。在单元与单元之间留有30 cm缝隙，增强护面透水性。斜坡堤迎浪面是承受波浪作用的主要部位，其护面结构的整体稳定性对堤坝的安全至关重要。不同的护面结构在波浪作用下受力机制不同，稳定性的表现也有很大不同。因此，有必要对灌砌块石护面结构波浪爬高进行试验分析，对护面结构稳定性进行研究，以确保所优选的方案既能解决护面结构对石料的要求与料源实际情况的矛盾，又能满足实际工程的稳定性要求。

1 波浪爬高的研究现状

对于波浪爬高的研究，有侧重于理论研究的，也有侧重于物理模型试验的。但是，由于斜坡上波浪爬高影响因素的复杂性，目前为止实际工程中主要还是采用试验研究成果。波浪爬高的计算方法很多，一般可根据波浪类型分为规则波爬高计算和不规则波爬高计算[2]两种方法。

从上世纪30年代开始研究波浪爬高问题以来，国内外学者对爬高的试验研究非常多，已经获得不少成果，相应的计算爬高公式不下数十种。目前，常用的爬高公式大致有美国《海岸防护手册》《海港水文规范》(JTS 145-2-2013)、《浙江省海塘工程技术规定》《堤防工程技术规范》(GB 50286-1998)以及荷兰学者J.W. Van der Meer(2002，2016)提出的方法。

在海堤设计中，欧洲许多国家推荐使用荷兰学者J.W. Van der Meer(2016)[3]的爬高计算公式。从1992-2016年，J.W. Van der Meer对影响波浪爬高的各种因素包括前坡平均坡度、堤前地形及水深变化、平台宽度及高澄、波浪斜向入射、前坡糙率系数等都作了详细的分析研究。2016年，J.W. Van der Meer给出波浪爬高的计算公式：

1) 波陡Hs/Lm-1,0>0.01时。

①斜坡比较缓，坡度cotα>2：

Ru2%/Hm0=1.75γbγfγβξm-1,0

ξm-1,0≤1.8

(1)

ξm-1,0>1.8

(2)

②斜坡比较陡时，坡度cotα<2或ξm-1,0>2：

Ru2%/Hm0=0.86cotα+1.71

(3)

2) 波陡Hs/Lm-1,0<0.01且波浪在浅滩破碎。公式如下：

式中：γb为平台影响系数。

γb=1-γβ(1-γdb) 0.6≤γb≤1.0

(5)

当平台在静水位之上：

当平台在静水位之下：

当平台在静水位之上大于等于Ru2%或平台在静水位之下大于等于2Hm0：

γdb=1

(9)

2 试验研究

2.1 试验设备与方法

试验在波浪水槽中进行。水槽长80 m、宽0.8 m、高1.2 m，水槽壁为玻璃质，底为混凝土质。波浪水槽一端安装有南京水利科学研究院研制的平板式不规则波造波机，在计算机控制下可产生试验所需要的不规则波，相同周期的波浪其波高可通过调节增益来实现；水槽另一端设有消浪设施，以减少波浪的反射。试验过程中，水槽端部或建筑物模型反射波传至造波机，与造波机产生的波浪叠加会发生二次反射，这将改变试验设定的入射波要素。为减小波浪二次反射对试验数据的影响，在水槽中纵向增设一道玻璃隔板，将水槽分为宽度0.3和0.5 m的两个部分，本试验断面置于宽度为0.5 m的区段。见图1。

图1 试验室波浪水槽平、立面示意图

在试验模型堤脚处设置一台波高仪，用于量测波浪要素。波高采用电容式波高仪量测，最大量程150 cm，仪器的灵敏度及稳定性均满足要求。所有量测信号均通过计算机采集、记录和分析，采样时间间隔为0.05 s。系统所记录的数据是各个时刻的水体到达点，需要对数据进行处理得到爬高值。在编写程序中，先处理波列中单个波的爬高，然后对所有爬高值进行统计分析，得到一个波系列的爬高值。

2.2 试验概括

试验采用不规则波进行，波期望谱选用《海港水文规范》(JTS 145-2-2013)[4]的改进JONSWAP谱[5]，其表达式为：

其中：

式中：S(f)为谱密度，m2·s；γ为谱峰升高因子，取3.3；TP为谱峰周期；σ为峰形参数。

试验采用间隙式生波方式，以消除波浪的多次反射。每组试验分7次造波，每次造波约300 s，累积总时间模拟原型3 h风暴潮作用时间重复波浪作用，观察护面结构失稳情况。波浪压力的数据采集采用DJ800系统，数据采集时间间隔为0.01 s，在开始造波后自动延时30 s开始，采集约120个波后停止。每组造波完成后停机，待水面平静后继续进行下一组试验。

为了对各影响参数进行系统分析研究，本次模型试验断面结合度汛结构斜坡断面。遵照《波浪模型试验规程》(JTJ-T234-2001)[6]相关规定，试验采用正态模型，按照Froude数[7]相似率设计。模型长度比尺为λ=30。图2为试验海堤模型断面图，堤心采用平均单块质量约为10～100 kg的碎石，堤心上铺设灌砌块石护面板。块石密度为2.6 t/m3。灌砌块石护面板试验断面的结构形式为带镇压层斜坡断面及单一斜坡堤，灌砌方式有3种，分别为满灌、条灌及点灌，在护面开孔率分别为0、11.8%、12.1%和12.4%[8]情况下分别模拟实验。

图2 灌砌块石护面海堤模型试验断面图

3 灌砌块石护面板爬高试验结果与分析

3.1 波坦对不规则波爬高的影响

Miche[9]根据正向入射的单向不规则波反射试验，认为当波陡低于某一值时，波浪在斜坡上将发生完全反射而不破碎。假设斜坡坡角为α，则波浪只反射而不破碎的极限波陡δm=(H/L)max可由下式确定：

当深水波陡δ0>δm时，波浪发生破碎；当δ0≤δm时，不发生破碎。Miche还给出波浪不破碎时的爬高计算公式：

按照Miche理论可以认为，当m<1.25时，波浪不发生破碎。

试验中可以发现，当坡度m≥1.5时，随着波坦从小到大依次变化，堤前的波浪形态都经历了卷波-破碎立波的变化过程。

图3-图6为坡度较缓情况下实测数据点绘的R0-L/H1%关系曲线。

图3 灌砌块石护面板带镇压层爬高R2%/Hs随波坦L/H1%的变化水深d=0.271 m

图4 灌砌块石护面板带镇压层爬高R2%/Hs随波坦L/H1%的变化水深d=0.194 m

图5 灌砌块石护面板单斜坡爬高R2%/Hs随波坦L/H1%的变化水深d=0.271 m

图6 光滑水泥护面板爬高R2%/Hs随波坦L/H1%的变化水深d=0.271 m

由图3-图6可知，当坡度m大于1.5时，随着波坦由小到大变化，波坦较小时，R0随L/H1%增大较快；当波坦增大至某个值以后，R0随L/H1%缓慢增大。这是由于当波坦较小时，来波在斜坡上整体破碎，此时波浪为卷波波态；随着波坦的增大，破碎程度逐渐减弱，爬高开始加速增大。

随着波坦逐渐增加，波浪破碎范围逐渐缩小，部分波浪出现完全反射而不破碎的情况，来波波态为破碎立波，爬高开始缓慢增大。

从能量的角度来看，当波坦较小时，来波在斜坡上发生激烈破碎，波浪破碎消耗了大部分的波能。但是随着波坦的增加，破碎程度逐渐减弱，因此波浪的紊动损耗也就逐渐减少，转化为势能的波能逐渐增大，故爬高加速增大。

随着波坦逐渐增加，波浪破碎程度继续减弱，紊动损耗的能量也就继续减少。但是波列中部分波浪开始出现反射并逐渐增强，使得部分波能转化为反射波能，因此爬高增大的速度变缓。

3.2 破波参数与爬高的关系

波浪爬高与波浪破碎和波浪反射密切相关。在较平坦的斜坡上，波浪将完全破碎而几乎没有反射；斜坡较陡时，波浪发生部分反射而破碎将有所减弱。斜面很陡和形成直墙时，波浪反射增强并出现完全反射而不破碎。一般情况下，波浪的破碎与反射是共存的，相互之间此消彼长。

波浪破碎是由于波浪在发展和传播过程中局部能量过大而使波浪运动难以继续维持而发生的运动不再连续的现象。Michel指出在深水中波陡H/L达到0.142即出现破波；而后Michel推得在浅水区波陡H/L为0.142时发生破波，此即极限波陡准则[12]。

当波陡或者斜坡坡度分别从小到大变化时，堤前将出现崩破波-卷破波-激破波的波浪运动形态[13]。

崩破波：当深水波陡较大，且底坡较平缓时将会出现这种形态的破碎。波峰开始出现白色浪花，逐渐向波浪的前沿扩大而崩破的波型，波的前后比较对称。

卷破波：当深水波陡中等，且海底坡度较陡时将会出现这种破碎波。在斜坡上，前一个来波所产生的上爬水流回落较慢，部分水体刚刚回流到静水面附近，后一个来波的前锋面变为陡直以至倒卷，水体倾倒打击斜坡面，破碎后部分水体又沿斜面爬升，这时为典型的卷波。波的前沿不断变陡，最后波峰向前大量覆盖，形成向前方飞溅破碎，并伴随着空气的卷入。

激破波：当深水波陡较小，且海底坡度较陡时将会出现这种破碎波。波的前沿逐渐变陡，在行进途中从下部开始破碎，波浪前面大部分呈非常杂乱的状态，并沿斜坡上爬，形同水跃。有些学者也称之为破碎立波[14]。

表1 3种破波的出现条件

由于波浪爬高的变化过程相应于堤前波浪从不破碎、局部破碎、直至激烈破碎时的运动形态变化，因此波浪的破碎形态直接影响波浪的爬高。

图7 相对爬高R2%/Hs随破波参数ξ1%的变化

从图7中可以看出，当ξ1%>1.25时，灌砌块石护面板带镇压层结构相对爬高随破波参数呈缓慢增大趋势。当ξ1%>1.25时，受波浪破碎与波浪反射的共同影响，波浪在斜坡上为破碎立波波态，也就是激破波波态，爬高与破波参数之间是一种非线性的缓慢变化关系。

3.3 平台对波浪爬高的影响

由图8可以看出，平台结构对波浪爬高有较大影响，带镇压层的结构波浪爬高明显小于单斜坡结构的波浪爬高。因为波浪的强作用区在静水位上下半倍波高范围，当平台刚好位于这个区域时，受平台影响，波浪破碎加剧，水体的剧烈紊动损耗大量能量，转化为势能的能量迅速减少，波浪爬高明显减小。当平台位于静水位附近时，平台宽度对波浪爬高的影响最明显，随着平台上相对水深的增大或减小，平台对波浪爬高的影响减小。

图8 单斜坡和带镇压层结构相对爬高R2%/Hs随破波参数ξ1%的变化

3.4 护面结构影响系数

不同的护面结构型对波浪爬高的影响很大，图9为灌砌块石护面与光滑平板护面波浪爬高之比。由图9可以看出，灌砌块石护面比光滑平板护面的爬高要小。这是因为护面糙率越大，渗透性越大，消浪效果越好。灌砌块石护面爬高与光滑平板护面波浪爬高比值在0.6～0.85之间，平均值为0.75，与砌石护面糙渗系数一致。

图9 灌砌块石护面与光滑平板护面爬高比值

3.5 波浪爬高的计算方法

对本文爬高试验结果，采用目前已有的Van der Meer公式对爬高进行计算验证，见式(1)-式(9)。计算结果见图10。

图10 爬高试验值与Van der Meer公式计算值的对比

由图10可以看出，Van der Meer公式确定的爬高值与物理模型试验结果都比较接近，有较好的相关性。

4 结 论

1)波浪爬高主要受波高、波长和坡度影响，当坡度m>1.5及ξ1%>1.25时，相对爬高随破波参数呈缓慢增大趋势。

2)平台可以加剧波浪破碎，有效消减波浪爬高。平台位于静水位上下半倍波高时，波浪在平台上破碎，水体紊动损耗动能，波浪爬高减小。

3)不同的护面结构型式对波浪爬高有影响。灌砌块石护面糙率越大，渗透性越大，消浪效果越好，波浪爬高小。

4)物理模型试验结果与Van der Meer公式确定的爬高计算值相互接近，有较好的相关性，模型试验结果可靠。