浅谈防浪墙在边坡防护工程中的应用

浅谈防浪墙在边坡防护工程中的应用

防浪墙是海防建筑物和涂料的重要组成部分。它主要承受波浪的力。在施工中，应计算波浪对反浪墙的力。因此在满足防浪要求条件下防浪墙的设计应当力求经济合理。防浪墙的研究前人已经做了很多,《海港水文规范》给出了有直立式防浪墙斜坡堤波浪力和越浪量的计算方法。Martin等从波浪爬高的角度来计算防浪墙的波浪力和作用高度,并且通过物理模型进行了验证。琚烈红通过模型试验,得到了波浪作用在墙体上点压强的分布情况,并把结果积分处理后得到总力,分析直立式和圆弧式防浪墙的所受波浪力差异。王登婷对圆弧形防浪墙和直立式防浪墙上的波浪压强进行了对比分析,认为作用在圆弧式墙上的最大点压强明显大于直立墙,而且最大压强发生在圆弧部分。刘子琪通过对几种曲线形防浪墙的越浪量和波浪力进行比较,得出只要防浪墙线形选择得当,就能达到不提高堤顶高程就能阻止越浪、减小波浪力的目的。程禹平对卷波式弧形台阶海岸防浪墙进行了研究,得到了作用在弧形防浪墙上的波浪力与浮托力分布的过程线。这些研究多数集中于直立墙的越浪量和波压力测量,而对于圆弧式防浪墙的一些试验多是在防浪墙断面布置测点,测得点压强积分得到波浪总力。本文试验利用三分力天平安置在墙上,直接测得防浪墙所受波浪力。已有设计中弧形防浪墙在工程中采用较多,而弧式防浪墙的迎浪面采用的曲线形式,对于防浪墙的稳定性和防浪效果都有很大影响,本文选用的弧式防浪墙反弧段弧底和斜坡堤相切,避免墙前过多雍水,圆弧顶端挑檐长度和以往的防浪墙略有不同,伸出到和弧底在纵向齐平,基本避免了向上的垂直力作用,有利于防浪墙稳定。本试验针对不同防浪墙底高程和墙高的组合,测得了波要素作用下防浪墙所受的波浪力。试验结果表明:与直立式防浪墙相比,采用弧式防浪墙能有效地减少越浪量从而降低堤顶高程,节省工程造价,但弧式防浪墙承受的波浪力较大,对整体稳定不利;对于本试验选取的弧形防浪墙,在墙顶高程给定的情况下,加大弧形半径和降低防浪墙底高程有利于减小越浪量,但对防浪墙整体稳定影响较大。1防波堤模型试验试验在上海交通大学海岸工程科学实验基地的波浪水槽中进行(图1),水槽长56m,宽0.8m,深1.2m,水槽的一端配有消浪装置,另一端为造波机,由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。波浪要素采用浪高仪,由计算机自动采集和处理,波浪力采用三分力天平直接测量,经由计算机和德国HBM公司的SPIDER8数据采集仪采集和处理。模型按佛劳德相似定律设计,模型比尺为1∶20和1∶15。防波堤模型采用水泥砂浆制作,用于测量波浪力的防浪墙模型由有机玻璃制作。防浪墙分割为三部分,中间部分依靠天平悬空安置,而天平由水槽上方悬置的板固定,防浪墙三部分保持在一个平面上。由于防浪墙悬空安置,波浪对防浪墙上的浮托力作用复杂,本试验不测量浮托力对防浪墙的影响,在斜坡堤和防浪墙相接的缝隙内涂抹硅胶,并待其干燥后用刀片划开,以防硅胶影响水平力和向下的垂直力测量结果。试验采用的防波堤和防浪墙断面形式见图2和表1,以堤底高程作为+0m。圆弧式防浪墙模型断面形状如图3,弧面底部与斜坡堤相切,纵向顶部和底部齐平。试验依据的波浪在防波堤模型设置前进行率定,以保证作用于防波堤的入射波为试验要求的波浪要素,每组试验均重复3次。用于测量波浪力的三分力天平为特制天平,水平力和垂直力的测量范围为+5kg,力矩为±5N·m,精度为0.1%。2倾覆稳定性验算如图3,Fx,Fy,M分别为沿水槽方向所受波向力,垂直方向波浪力,对墙底产生的倾覆力矩。γ为水的容重,d为水深,T为周期,H为波高,R为规范计算波浪爬高,d1为防浪墙前水深,当静水面低于防浪墙底时,d1为负值。在下面的数据分析中,为了比较方便,全为原型下的数据比较。2.1循环冲击下的冲击特性图4(d=6m,T=5.2s,H=1.76m)和图5(d=7m,T=5.2s,H=2.5m),为弧形防浪墙和直立式防浪墙在一个周期内波浪力的时间过程,分别以Fx/γH2、Fy/γH2、M/γH2L0表示。由图中可以看出一个周期中水平波浪力变化有2个阶段,存在2个极值:第一个极值为冲击力,波浪沿着斜坡爬高,遇到防浪墙受阻,波浪对防浪墙造成冲击,形成比较大的冲击压强。第二个极值是上挑水体砸落防浪墙和墙前波浪雍水共同产生的作用力,在此过程中,波浪消耗一部分能量,部分越过防浪墙水体的动能转化为势能,由于第一次的冲击和水体在上升卷破或者越浪过程中发生的能量损耗,再次冲击的能量相对第一次较小。当波高较小时,波浪基本没有破碎,2个水平力极值数值差距较小,随着波高增大,波浪在第一个阶段冲击堤坝和防浪墙时损失的能量增多,2个极值差值增大。由于波浪力和波高相关,随着波高和水深的增大,圆弧能够改变上涌水体运动方向,弧形面挑浪作用显著,减小越浪,由于挑流,波浪水体在此过程中速度方向发生改变,挑流后的水平方向速度和来波速度反向,此时圆弧式防浪墙所受水平波浪力要大于直立式。试验选取垂直向下的波浪力为正,由图4-a、4-b和5-a、5-b可以看出向下的垂直力峰值和水平力的第二个极值的时间基本一致,因此向下的垂直力峰值是由于水体翻卷回落作用所致。防浪墙倾覆力矩和水平力数据变化基本一致。由结果分析可知:本试验所设波要素范围内,弧形防浪墙水平波浪力峰值基本处于直立式防浪墙的1～1.6倍,倾覆力矩为直立式的1.2～2倍。2.2种组合组合在不同波要素下的波浪力试验结果图6是相同墙顶高程组合的示意图,No.2为墙底高程+7m,墙顶高程+9m;No.5为墙底高程+7.5m,墙顶高程+9m;No.4为墙底高程+8m,墙顶高程+9m;表2是这3种组合在不同波要素下的试验数据,我们可以看出:小水深小波高时随着周期的增大,水平力峰值数据变化不大;较大水深和波高时,随着周期的增大,水平波浪力峰值增大。水平波浪力随着圆弧半径(墙高)的减小而减小。由观测看出,No.2、No.5和No.4三种组合下的防浪墙,随着圆弧半径的减小,防浪效果变差。在波浪力方面,圆弧半径逐渐减小,墙底高程增大,作用到防浪墙上的力减小。因此通过合理的选择墙底高程和墙高可以实现在工程许可越浪量的前提下减小堤身土方量或圆弧防浪墙冲击载荷的目的。2.3浪墙部分组合的水平波浪力峰值数据为了保证防浪墙的稳定性,分析波浪力峰值是有必要的。防浪墙的破坏大多由水平滑移造成,因而水平方向的受力平衡更为重要。波浪爬高后作用到防浪墙上,水体动能大部分损失转化为势能,因此爬高超高与波浪力密切相关。图7-a列举了弧形防浪墙部分组合的水平力峰值数据。防浪墙波浪力图7-b为直立式防浪墙的水平波浪力峰值数据,这些数据包括了不同波高(H=1.3～2.5m)、周期(T=4.6s,5.2s,5.8s)和水深(d=6m,7m)的情况,图7中R为《海港水文规范》计算的波浪爬高(见规范P69);d1为防浪墙前水深,本试验中d1为零或负值,R+d1为波浪爬高超高;Fx/γ(R+d1)2为无量纲变量;H/d为变量因子。由图7可以看出,在本试验所设波要素范围内,无量纲化后的水平波浪力峰值基本不随相对波高的变化而改变,Fx与R+d1基本呈平方关系:Fx=kγ(R+d1)2弧形防浪墙水平波浪力系数k值范围基本在0.6～0.8,直立式防浪墙k值分布比弧形防浪墙分散,基本在0.5～0.9。3防浪墙顶高程与墙高的关系与直立式防浪墙相比,圆弧式防浪墙能减小其顶部越浪,提高了其临界越浪条件,虽然增加了水平波浪力和倾覆力矩,但同时基本避免了向上的垂向力。对于弧形防浪墙,在墙顶高程给定的情况下,加大弧形半径