復式斜坡堤螺母塊體護面波壓力計算方法

劉曉暉，陳海英

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

0 引言

螺母塊體是海岸工程中護面塊體的一種，早期澳大利亞提出并進行了相應的試驗研究，20世紀80年代以來，河海大學、天津水運科學研究所也對螺母塊體開展了專題研究，提出了螺母塊體厚度計算方法[1]。由于螺母塊體的經(jīng)濟效益較好，在上海地區(qū)工程施工中得到了大量的推廣應用，為了提高施工速率，在橫沙五期工程中對螺母塊體進行了改進，將4個螺母塊體連成整體，形成四聯(lián)體螺母塊體[2]。四聯(lián)體螺母塊體單個面積較大，需要考慮波浪對螺母塊體產(chǎn)生的壓強，核算塊體強度。

關于作用在斜坡堤上的波浪沖擊力的計算，前人已在光板和柵欄板方面做了較多研究，目前國內(nèi)應用最為廣泛的是蘇聯(lián)規(guī)范采用的波壓力公式[3]，該公式在20世紀70—80年代利用大型波浪水槽試驗加以完善，我國的海堤規(guī)范等也都采用該計算方法。王鑒義等[4]采用不規(guī)則波進行斜坡堤不透水板護面壓強試驗，認為上述公式與不規(guī)則波試驗結(jié)果基本符合。Neelamanil S等[5]和仲南艷[6]分別采用規(guī)則波和不規(guī)則波進行斜坡堤不透水板護面壓強試驗，試驗結(jié)果相近。馮衛(wèi)兵等[7-8]分析了莆田實驗站實測資料，并采用不規(guī)則波進行斜坡堤不透水板護面壓強試驗，提出護面壓力經(jīng)驗公式。在我國規(guī)范中，柵欄板最大波壓力計算公式為pm=0.85ρgH[9-10]。

本文將在以往研究資料的基礎上，通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式[11-13]，研究不同參數(shù)對螺母塊體護面壓力的影響，提出波壓力強度計算建議公式。

1 現(xiàn)場原型試驗

現(xiàn)場原型試驗在橫沙東灘東端斜坡堤上開展，該位置平均潮位約4 m，平均低潮位約2 m，斜坡堤為復式堤型，堤身高度7 m，平臺高程3.2~3.3 m，上下坡坡比均為1頤2.5，護坡為灌砌塊石上壓螺母塊體，螺母塊體厚度40 cm。波壓力觀測儀器共布設8個，下坡3個，平臺1個，上坡3個，防浪墻壁1個，儀器具體布置位置見圖1。為獲得現(xiàn)場實時潮位、波浪和風速等，在斜坡堤坡腳外側(cè)布置了潮位和波浪觀測計，在斜坡堤上方布置了風速觀測儀。現(xiàn)場觀測于2013年5月開始，共獲得7 d的波壓力觀測數(shù)據(jù)。

圖1 原型觀測斷面圖Fig.1 Section view of prototype observation

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗設備及量測儀器

室內(nèi)斷面物模試驗在斷面水槽中進行，該水槽可同時產(chǎn)生波浪、水流和風。水槽長64 m、寬1.8 m、深1.8 m。水槽的工作段分割成0.8 m和1.0 m兩部分，其中一部分用來安放模型斷面和進行模型試驗，另一部分用于擴散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機，由計算機自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。

2.2 模型設計

斷面試驗模型比尺取為1頤14。試驗斷面與原型保持幾何和重力相似。波浪按重力相似準則模擬，試驗采用不規(guī)則波進行，波譜為JONSWAP譜，試驗中波高測點位置與現(xiàn)場實際測量位置相同。波浪壓強傳感器布置在斜坡堤上，測點布置與現(xiàn)場布置相同。試驗中壓強傳感器采樣頻率分別為100 Hz、50 Hz、10 Hz和2 Hz，數(shù)據(jù)由計算機自動采集，測量結(jié)果采用計算機程序分析處理。每次試驗重復3次，取3次平均值作為試驗結(jié)果。當3次重復試驗的試驗結(jié)果差別較大時，則增加重復次數(shù)。

2.3 試驗組次

1）驗證試驗組次，采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，對室內(nèi)試驗進行驗證，波壓力儀器位置與現(xiàn)場一致。螺母塊體護面壓強實測數(shù)據(jù)共有7 d的101組資料，選取其中14組進行護面壓強二維斷面驗證試驗，試驗組次如表1所示。

2）研究試驗組次，研究試驗模型斷面選用上海地區(qū)常用的復式斜坡堤，試驗平臺寬度分別為5 m、7 m，平臺高程為5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m，海堤斜坡坡度為1頤2.5、1頤3。水位為上海橫沙站100 a一遇高潮位5.75 m和10 a一遇高潮位5.16 m，有效波高為2.6 m，周期為5 s、6 s、7 s、8 s、9 s。波壓力儀器共布置16個，其中上坡6個，平臺3個，下坡6個。儀器布置如圖2（以平臺高程5.5 m為例）。

表1 現(xiàn)場原型實測和室內(nèi)水槽斷面試驗結(jié)果Table 1 Results of field prototype test and indoor flume section test

圖2 模型試驗斷面波壓力儀器布置圖Fig.2 Layout of wave pressure instrument in model test section

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 原型試驗及室內(nèi)試驗驗證結(jié)果

經(jīng)過整理，得到現(xiàn)場原型實測最大波壓力和室內(nèi)水槽斷面試驗波壓力結(jié)果如表1。由試驗結(jié)果可見：

1）總體上看，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的相對最大護面壓強（pm/ρgH1%）在0.42~0.93，大多在0.6左右；斷面驗證試驗相對最大護面壓強（pm/ρgH1%）在0.43~0.87，大多在0.6左右，差別不大。并且最大波壓力發(fā)生位置也基本一致，發(fā)生在平臺附近。

2）對于不同采樣頻率，100 Hz頻率下的值明顯大于10 Hz和2 Hz時的值，特別是對于較大波浪條件下的最大值。10 Hz和2 Hz頻率下的試驗值與實測值較為接近。

產(chǎn)生這一原因是由于現(xiàn)場條件非常復雜，并且采樣頻率采用2 Hz較小，可能漏測壓強最大值，相對比較接近的波浪、潮位條件下，護面最大波壓力有時也有較大差別。為了盡量采集到最大波壓強，室內(nèi)模型研究試驗頻率取100 Hz。

3.2 室內(nèi)研究試驗結(jié)果分析

海堤結(jié)構(gòu)形態(tài)主要研究不同斜坡坡比、不同平臺寬度以及不同平臺高程3種情況。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)整理，以圖形方式表示最大相對壓強p1%*=p1%/（ρgH1%）、p1/3*=p1/3/（ρgHs）和堤前平均破波參數(shù)ξ1%=tanα/（H1%/L）1/2，ξ13%=tanα/（Hs/L）1/2，以及波坦L/H的變化關系，式中：α為斜坡坡度；L為堤前波浪平均波長。

3.2.1 平臺高程+5.5 m，平臺寬度5 m

不同斜坡坡比的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同坡度相對壓強p1%*隨波坦L/H1%變化（水位5.75 m）Fig.3 Variation of relative pressure p1%*with wave evenness L/H1%at differentslopes（water level 5.75 m）

由試驗結(jié)果可見：

1）兩個水位下相對壓強隨破波參數(shù)的變化明顯不同。水位在平臺以上，相對壓強較小，隨ξ的增大而增大；水位在平臺以下，相對壓強較大，隨ξ的增大而緩慢減小。這主要是由于水位在平臺以上時，受平臺消浪影響，波浪對上坡作用減弱，而下坡又在水面以下，波壓力較小；水位在平臺以下時，波浪直接作用下坡，波壓力較大。

2）水位5.16 m在平臺以下時，兩種坡度下的相對壓強變化規(guī)律基本相同；水位5.75 m在平臺以上時，兩種坡度下的相對壓強變化趨勢相同，但明顯形成兩組系列，最大壓強與破波參數(shù)相關性不強。這主要是由于波浪在平臺上破碎，最大波壓力發(fā)生在上坡，破波參數(shù)的影響已弱化。

3）水位5.75 m在平臺以上時，兩種坡度的最大相對壓強隨波坦的變化規(guī)律基本相同，兩組數(shù)據(jù)融合較好。

3.2.2 平臺高程+5.5 m，坡比1頤3

不同平臺寬度的影響結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同平臺寬度最大p1/3*比較（水位5.75 m）Fig.4 Comparison of the maximum p1/3*at different platform widths（water level 5.75 m）

由試驗結(jié)果可見：兩種平臺寬度下的最大相對壓強變化規(guī)律基本相同，差別不大。

3.2.3 平臺寬度5 m，坡比1頤3

不同平臺高程的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同平臺高程相對壓強p1/3*隨波坦L/H13%變化（水位在平臺以上）Fig.5 Variation of relative pressure p1/3*with wave evenness L/H13%at different platform elevations（water levels above the platform）

由試驗結(jié)果可見：

1）相對壓強隨破波參數(shù)ξ的變化相同。試驗水位在平臺以下，表現(xiàn)為最大壓強隨ξ的增大而緩慢減小的低水位型。試驗水位在平臺以上，表現(xiàn)為最大壓強隨ξ的增大而增大的高水位型。

2）試驗水位在平臺以上，護面最大相對壓強隨波坦的變化規(guī)律基本相同，兩組數(shù)據(jù)融合較好。

3.3 護面最大波壓力計算公式

由上述分析得出最大波壓力的各影響因子：

1）相對最大護面壓強按水位與平臺高程相對關系，可分為相對高水位型（水位在平臺以上）和相對低水位型（水位在平臺以下）。

2）相對高水位型相對最大護面壓強受波坦影響，相對低水位型相對最大護面壓強受破波參數(shù)影響。

3）平臺寬度（5 m和7 m）對相對最大波壓力影響較小。

由此，根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)整理得到護面最大波壓力計算公式：

1）相對高水位型（水位在平臺以上）

2）相對低水位型（水位在平臺以下）

圖6為式（1）~式（4）公式擬合曲線與本次試驗值的比較。

圖6 護面最大波壓力擬合曲線與試驗值比較Fig.6 Comparison of the fitted maximum wave pressures with the tested values

圖7為公式計算最大波壓力與現(xiàn)場原型觀測最大波壓力、室內(nèi)試驗最大波壓力的比較，現(xiàn)場原型觀測采樣頻率采用2 Hz，可能漏測壓強最大值，室內(nèi)模型試驗采樣頻率為100 Hz。

圖7 公式計算最大波壓力與觀測值比較Fig.7 Comparison of the maximum wave pressure calculated by the formula with the observed values

從安全角度出發(fā)，圖6、圖7中的擬合曲線偏于試驗數(shù)據(jù)上方，對于本次典型斷面形式以及現(xiàn)場原型斷面，最大護面波壓力計算值與試驗值有較好的相關性。

4 結(jié)語

研究表明，對于復式斜坡堤護面最大波壓力分兩種形態(tài)，水位在平臺以上為相對高水位型，壓強較?。凰辉谄脚_以下為相對低水位型，壓強較大。兩種形態(tài)波壓力影響因子不盡相同，相對高水位型與波陡有關，隨波陡減小而增大；相對低水位型與破波參數(shù)有關，隨ξ的增大而緩慢減小。

由此提出上海地區(qū)典型復式斜坡堤螺母護面最大壓力計算公式，公式中考慮了波浪斜向入射、斜坡坡度、平臺尺度、護面類型、水位、波浪要素等因素的影響。

本次研究雖然給出了不同頻率的護面最大波壓力計算公式，但在實際使用中，建議采用1%值計算公式，與設計標準保持一致。