摘要：当护岸前需开挖形成港池，开挖后水深明显加大，港池开挖边坡的存在改变了波浪的传播方向，会对护岸上水范围和越浪量等产生重要影响。本文以某码头工程为例，通过波浪物理模型试验，从护岸上水范围、加高措施和越浪量三个方面，研究了港池边坡开挖对护岸的影响，供设计人员在进行类似工程设计时参考。
关键词：港池开挖；波浪折射；波能集中；越浪量
波浪是护岸工程设计中的主要动力因素，当外海深水区的风浪和涌浪传播至海岸附近的浅水区时，受水深、地形等影响，波浪的传播速度、波长、波高、波面状况等将发生明显变化为了论证港池开挖对护岸工程的影响，研究港池开挖对护岸结构稳定的影响程度。
一、新型护岸工程技术研究
1.混凝土四面六边体透水框架。混凝土四面六边体透水框架是水利部西北水利科学研究所在20世纪90年代初研制的一种新型护岸工程技术，该项技术的基本原理为：利用混凝土四面六边体框架透水性、自身稳定性好和适应河床变形能力强的特点，来削弱水流能量，降低流速，促使泥沙迅速落淤，从而达到减速促淤的目的。该技术适用于构筑河道控导工程、护脚护坡、防止和治理窝崩等。混凝土四面六边体透水框架是一种预制的钢筋混凝土透水构件，由6根长度相等的框杆相互连接构成，呈正三棱锥体。框杆应具有一定强度。框架几何尺寸的设计应以当地河床滩槽高差为依据，其原则是框架高度应与期望淤积的滩面高度一致。为便于施工，也可采用小尺寸框架多次叠加、分层淤积堆高的方法。施工时既可以在干河床上进行，也可以利用驳船进行水中抛投。为了有效地减速促淤，宜将3~4个框架捆扎成一串进行抛投。
2.四面六边体透水框架。混凝土四面六边体透水框架具有自身稳定性好、适应河床变形能力强、不易下沉、便于工厂化大批量生产、施工简单、无需开挖基础以及成本低等优点，还可用于临时抢险护岸，解决传统抛石护岸根石不稳的问题。据有关资料分析，透水框架一次性施工费用与抛石固脚费用大致相当，但其长期使用费用明显低于抛石，且护岸效果优于抛石。与其他透水构件如木杩槎、混凝土网格坝相比，也具有明显的优越性：木杩槎耐久性和适应河床变形能力差，自身也不稳定，容易被水流冲走，使用时须压块石等重物；混凝土网格坝施工程序较复杂，且需要埋置一定深度，成本也高。
3.潜没式导流板。潜没式导流板是美国衣阿华水利研究所（IIHR）于20世纪80年代提出的一项保护弯道凹岸的新技术。经过实际应用，取得了良好效果。该项技术的基本原理是：利用沿凹岸河底布置的一系列淹没式导流板，消除或减弱由于离心力作用所形成的弯道横向环流的作用，以达到保护弯道凹岸的目的。该项技术也可用于防治窝崩。
4.混凝土连锁板。混凝土连锁板早在20世纪30年代就应用在美国密西西
比河上。数十年的运用实践表明其防冲效果较好。20世纪80年代初，我国开始引进这种护岸技术，并用于长江天兴洲河段护岸工程中。目前，该项技术已经在国内多处护岸工程中得到推广应用。混凝土连锁板是将预制的钢筋混凝土板块连接成较大的排体，连续铺设在堤脚及堤坡处，形成一种柔性面板护岸。混凝土板块由工厂预制，运抵现场后再装配成所需尺寸的排体。混凝土板块厚度应根据水深、流速等条件，通过防冲稳定计算确定，平面尺寸根据施工技术要求确定。板块之间连接方式有铰链、缆索、搭接等多种结构型式，因连接方式不同，故板块形状也各异。
5.土工模袋混凝土面板。土工模袋混凝土面板是由灌入模袋内的混凝土凝固后形成的一种刚性面板护岸，它可使堤岸免遭水流的直接淘刷。模袋是由上下两层土工织物缝制成的袋状体，上下两层之间按一定间距设有固定长度的绳索，用来控制成型后的模袋混凝土面板厚度。可根据工程设计要求，加工成不同厚度、不同规格的模袋。土工模袋具有透水不透浆的特点，可将充灌进模袋内的混凝土中的多余水分从模袋的孔隙中排走，使混凝土的水灰比显著降低，加快混凝土凝固速度，从而提高混凝土的强度和耐久性。土工模袋混凝土面板具有抗冲能力强、成本低、不需要模板、施工机械化程度高、工期短、能够在各种复杂的地形上铺筑和无需铺设反滤层等特点，可以在水上及水下同时施工，并能大面积一次铺筑成型。由于水下施工时不需要修筑围堰，因此可用于临时抢险。
二、工程背景
某码头工程位于港区主航道以南，沿已建围堰顺岸布置，码头前沿线距主航道中心线900 m，工程平面位置如图1所示。码头位置距口门较远，外海波浪传播至码头处主要表现为顺码头纵向传播。码头总长度为1 400 m，承台宽37 m，顶面高程为7.0 m，前沿底高程为-22.0 m。码头结构型式采用高桩梁板结构，前沿线距后方护岸轴线100 m。港池开挖至-19 m，护岸前原泥面高程约为-3 m，港池开挖边坡与护岸轴线交角约为30o。
三、试验概况
试验水位为5.61 m，波浪条件为50年一遇不规则波，H 1%=3.80 m，H 13%=2.78 m，T=8.7 s。已建护岸顶高程为6.4 m，上述波浪条件为现状条件下的波浪要素。试验包括断面模型和整体模型，分别在交通运输部天津水运工程科学研究所波浪水槽和港池中进行。断面模型比尺为20.4，整体模型比尺为70。模型设计和制作依据《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）要求进行。
四、试验结果分析
试验表明，港池边坡开挖，改变了局部区域波浪的传播方向，形成了波能集中现象，使部分护岸上水范围较大，需结合越浪量结果采取相应的加高措施。
1.港池开挖边坡对上水范围的影响。整体物理模型试验结果表明，主航道与码头之间的港池开挖边坡，改变了波浪的传播方向。波浪在港池边坡附近发生折射，方向发生改变，沿港池边坡向码头端部传播，与沿护岸的行进波发生叠加，形成波能集中现象，导致局部陆域有较大上水。码头实施前，上水影响范围自港池A点处向东约350 m，向西约400 m，总长度约750 m，约为10倍波长，以A点处附近上水最为严重，最大上水厚度约2.2 m。码头实施后，港池A点处上水仍较大。受码头掩护作用，后方区域护岸上水范围减少至A点以西约200 m，以护岸东端为里程号0+000，向西至0+400范围内，码头实施建设前后不同区段护岸上水厚度见表1。由表1可见，在港池A点处，由于港池边坡与护岸轴线有30°夹角，折射波浪为斜向作用于北护岸，因此，护岸东端难以受到前方码头的有效掩护，上水厚度没有明显变化。但在A点以西的码头后方掩护区域，受码头上部结构的阻挡，波浪在码头附近有所衰减，对后方护岸上水有一定的掩护效果。随着与A点距离的加大，码头的掩护效果愈加明显，上水也随着减小，上水影响范围由码头实施前的A点以西400 m缩短至实施后的200 m。
2.护岸挡浪墙加高措施。根据不同岸段的上水程度，对护岸挡浪墙进行了加高。挡浪墙局部加高后，上水范围明显减少，但由于A点处未受码头掩护，大浪时仍有上水，影响范围缩短至自A点处向西、向南约40 m。以码头端部以西里程号0+100为例，码头实施前，挡浪墙顶高程为6.4 m时，护岸上水厚度1.5 m，码头实施后上水厚度为1.0 m；挡浪墙顶高程加高至7.5 m后，护岸不上水，表明加高措施能够有效减小上水。
港池开挖会引起波浪底部流速变化，波谷作用时，堤脚下泄水体流速变大，对坡脚和护底块石的稳定有一定影响，对护岸上部结构影响很小，护底块石、护脚平铺扭王字块体滚落数量增多，但未引起护面结构的整体下滑；护岸结构破坏的主要原因是扭王字护面块体质量偏小，堤顶高程偏低，大量越浪水体冲击堤顶护面块石，产生巨大冲刷坑，从而引起护岸结构破坏。
参考文献：
[1]罗云第.航道对波浪传播的影响研究.2014
[2]郭军.航道开挖后波浪场变化规律的研究.2014
[3]昊艺.寒区河道护岸工程形式与施工方法的探讨.2014
论文作者:谢文武
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第14期
论文发表时间:2019/1/25
标签：护岸论文; 码头论文; 混凝土论文; 波浪论文; 透水论文; 高程论文; 框架论文; 《建筑细部》2018年第14期论文;