埋入式直立防波堤堤前波浪作用影响分析

高凌霄，马志强

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300461）

1 工程概况

某沉管结构海底隧道工程下穿现有防波堤结构，隧道施工前拆除部分防波堤，安装沉管后依次铺设块石垫层兼基础、隧顶段结构恢复。平面上隧道与防波堤轴线投影斜交，交角约40°，平面位置关系见图1。防波堤采用宽体沉箱结构形式，沉箱箱体宽21.5 m，底宽25.5 m（含前后趾各2 m），为尽量减少混凝土重量、做高沉箱结构，最终以沉箱顶板兼作胸墙结构，顶高程3.64 m，沉箱底高程-12.0 m。

图1 防波堤与隧道平面关系图Fig.1 Plane relationship between breakwater and tunnel

本段隧道基础软土层较厚，为防止隧顶受到沿防波堤法线方向下传的不均匀应力产生节段间不平衡受力而相对扭转，在沉箱两侧增设回填压载块石以平衡重量，压载的重量与无波浪作用的防波堤自重相当，压载外沿与隧道轴线垂直，压载块石自管顶回填覆盖至-7.0 m，回填轴线投影宽度不小于10.0 m，防波堤结构见图2。

图2 埋入式防波堤剖面图Fig.2 Section of buried breakwater

防波堤埋入压载块石深度达5 m，作用于防波堤上的波浪力与常规直接作用在直立式防波堤上的波浪力[1]存在一定差异，本文通过对相同波浪要素条件下防波堤埋入式、非埋入式2种工况物理模型试验测定数值与现行海港水文规范中波浪水平力和浮托力计算值进行对比[2]，并对对比结果进行分析，可为类似工程的设计计算提供参考和借鉴。

本工程为恢复结构，顶高程为固定值不可变，根据水文波高等要素越浪现象在50 a一遇高水位和设计高水位时均存在，堤前波浪力计算值参照规范要求，按d/L对应立波减去越顶部分波浪力进行计算。

2 试验概况

试验在实验室海洋环境波浪水槽中进行，水槽长50.0 m、宽3.0 m，试验断面模型按照Froude相似准则设计制作，模型几何比尺为1∶25。试验采用不规则波，频谱采用合田改进的JONSWAP谱，堤前波压强分布测量采用YL2000型多点压力仪系统（相对误差小于0.5%），总力测量采用应变式三维总力传感器（量程为100 N，相对误差小于0.5%），水槽尾部安装消能网，以避免波浪的反射。试验采用的潮位波浪组合及设计波浪要素依据工程专题波浪数模试验报告内容，见表1。

表1 防波堤断面波浪要素Table 1 Wave elements in breakwater section

为分析防波堤前回填块石对堤前波浪力的影响，试验分别对防波堤埋入式、非埋入式2种工况进行了波浪力的测定，试验断面见图3，点压力测点分布见图4，最大波压力时刻各测点数值见表2、表3，最大值合成结果见表4。

表3 直立防波堤底部浮托力Table 3 Uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表4 每延米水平力和浮托力对比表Table 4 Comparison of horizontal wave force and uplift wave force per linear meter kN/m

图3 防波堤试验断面Fig.3 Picture of experimental breakwater section

图4 点压力测点分布Fig.4 Distribution of measuring pressure points

表2 直立防波堤波峰迎浪面波压力Table 2 Wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

根据试验测定，埋入式防波堤迎浪面所受的波压力[3]略高于常规非埋入式防波堤，50 a一遇高水位组合50 a一遇波浪时，总力差距在5%～6%左右，埋入式防波堤的浮托力也略高于非埋入式，差距在3%～5%左右。

3 波浪力理论算法计算

直立式防波堤对波浪运动的影响由2部分组成，一是波浪遇到直墙产生的规则反射[4]，二是基床使堤前水深减小，促使波浪在基床上破碎[5]，堤前回填相当于在断面型式上抬高了防波堤基床，一定程度上影响了波态分布。JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中对低、中、高3种基床及堤前波浪形态进行了定义，文中对应防波堤断面在极端高水位和设计高水位工况下，无堤前回填影响时为暗基床立波，堤前回填后为中基床立波，因此回填后堤前仍有足够水深对波浪接近于形成完全反射[6]。

现行的JTS 145—2015《港口与航道水文规范》在计算立波时当d/L=0.139～0.2，且H/L≥1/30时选用森弗罗简化法计算；当d/L=0.05～0.139，d≥1.8H时选用大连理工大学发展的椭余立波法；当H/L≥1/30，且相对水深0.2＜d/L＜0.5时，选用有限振幅波浪理论一次近似解。本计算模型根据波浪要素判断，防波堤工况组合适宜采用森弗罗简化法[7]一次近似解计算波浪力。

规范在立波范畴内基床高低对波浪力的形态没有影响，本项目回填范围较广，设计宽度约在10～30 m之间，远超普通基床对波浪形态[8-9]的影响，堤前回填块石使波浪能量更多在回填块石以上集中，回填块石的透水性，波浪产生的动水压力又可传递至埋入式结构的防波堤前，因此根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》计算了回填块石作为回填底标高并线性向下传递波浪力（埋入式堤前回填无限远）工况（此时由于底标高抬高，波浪力计算方法采用大连理工大学椭余立波法），同时计算以沉箱底作为海床底标高工况计算的波浪力，得到两种极端情况的堤前波浪力数值，两种工况下，防波堤所受波浪水平力及浮托力计算结果见表5～表7。

表5 直立防波堤波峰迎浪面波压力计算值Table 5 Calculated value of wave pressure acting on front wall of vertical breakwater kPa

表6 直立防波堤底部浮托力计算值Table 6 Calculated value of uplift pressure acting on the bottom of vertical breakwater kPa

表7 每延米水平力及浮托力计算值对比表Table 7 Comparison of calculated values of horizontal wave force anduplift wave force per linear meter kN/m

规范计算结果与波浪物理模型试验结果规律存在一致性，埋入式在波要素不变的基础上抬高地形、减少堤前水深进行计算，结果显示埋入式防波堤前水平波浪力和浮托力也均高于非埋入式，波浪力分布形状也有所变化如图5、图6所示。根据规范算法，当采用相同的波要素进行波浪力计算时，当堤前水深变浅时静水面处波压力极值增大，整体波能受上部动水压力变化影响能量也有所增强。但因墙前回填范围实际小于计算模型所对应的无限远，例如本项目仅能到1/3～1/9倍波长，实际回填对波浪影响效果有限，理论应小于该计算值，但目前尚没有完备的理论计算方法可做参考。

图5 非埋入式波浪力分布图Fig.5 Distribution of wave pressure of unburied breakwater

图6 埋入式波浪力分布图（回填无限）Fig.6 Distribution of wave pressure of buried breakwater（backfilled infinity）

4 结果分析

防波堤结构外增加较宽的块石回填时，对堤前波浪形态造成一定程度的浅水变形，形成影响，当波高不变、波长变短、波陡增加时，造成波压力的增加。本文通过计算在波要素不变的前提下，假设回填无限远抬高地形、减小堤前水深的方式增加静水面位置附近的波压力极值来拟合这一现象。将物模试验与计算结果进行数值统计、绘制曲线图，可直接对比各高程点力分布情况、分析其中受力规律。各值总体规律呈现一致性，水平力计算值与试验值相差在10%以内，浮托力除埋入式极端高水位浮托力相差加大外也基本在10%以内。采用墙前无限回填方式进行核算增加了静水面附近波压力的峰值，且数值与试验所测不规则波的最大波峰压力数值分布接近，见图7、图8。由于试验值波浪水平力与浮托力最大值不在同一个相位发生，计算值将与两个极值相比较数值均接近，见图9、图10。以该方法计算的结构稳定性[10]是偏于安全的，综上所述，采用墙前回填代替原始地形进行埋入式防波堤的波浪力核算是可行的。

图7 50 a一遇高潮位波浪水平力对比图Fig.7 Comparison diagram of horizontal wave pressure on high tide of fifty-year return period

图8 设计高水位波浪水平力对比图Fig.8 Comparison diagram of horizontal wave pressure on design high water level

图9 50 a一遇高潮位波浪浮托力对比图Fig.9 Comparison diagram of uplift wave pressure on high tide of fifty-year return period

图10 设计高水位波浪浮托力对比图Fig.10 Comparison diagram of uplift wave pressure on design high water level

5 结语

通过回填形成的埋入式结构防波堤所受到的波浪水平力和浮托力，经波浪模型试验测定是高于原地形非埋入式防波堤的，在设计该种结构时应对改变防波堤前地形带来的影响加以重视，避免设计中预留安全富裕不足产生的结构风险。经论证，对该种情况下可通过将埋入后回填标高当做地形的方式并采用现行JTS 145—2015《港口与航道水文规范》相对应的波浪力算法进行计算，该种算法可作为进一步设计的参考，同时考虑其他因素带来的不确定性，建议类似工程同时采用波浪物理模型试验进行验证，并进一步完善研究。