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【摘要】虎滩湾环境治理改造项目护岸工程处于虎滩湾口，工程区水深浪大，且地形条件比较复杂。因此，设计单位依据规范进行了设计、计算后，还通过波浪整体物理模型及三维稳定性试验，测定西护岸设计波浪要素，确定并优化护面块体的稳定重量。本文对试验结果进行了归纳、总结，并针对试验结果进行了分析。
【关 键 词】护岸；复杂地形；物模试验；块体稳定重量；结果分析
中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况：
大连老虎滩海洋公园是隶属于大连市城建局的国有事业单位，于2006年入选为国家首批5A级景区，成为中国旅游知名品牌，是辽宁省仅有的二个国家5A级景区之一，同时也是东北地区重要的旅游资源。但是，随着旅游行业的高速发展和国内外游客旅游需求的不断提升，公园在景区规模、旅游设施的档次功能等诸多方面已渐显落后，不适应城市旅游业整体发展的需求。为此，2010年年初，市政府即决定将虎滩湾环境改造工程列入大连市政府2010年城市建设重点项目。
2010年11月，大连老虎滩旅游开发有限公司委托我院开展《大连虎滩湾环境治理改造项目水工工程》工程可行性研究报告的编制工作。本工程岸线总长3371.62m，其中外海东侧护岸长1231.61m；外海西侧护岸长945.48m。护岸工程主要技术指标表如下。
护岸工程主要技术指标表表1
二、设计计算
在进行斜坡护岸护面块体设计时，我院依据了《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）：
在波浪正向作用下，且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在计算水位上、下一倍设计波高之间的护面块体中，单个块体的稳定重量计算公式：
式中W——单个块体的稳定重量（t）；
——块体材料的重度（KN/m3）；
H——设计波高（m）；
KD——块体稳定系数；
——水的重度（KN/m3）；
——斜坡与水平面的夹角（°）。
护面层厚度可按下式计算：
式中h——护面层厚度（m）；
n'——护面块体层数；
c——块体形状系数。
斜坡护岸护面块体的稳定重量和护面厚度计算结果见表2。
斜坡护岸护面计算表 表2
在报告的编制过程中，为优化总平面布置方案、论证水工结构的安全性，建设单位特委托交通运输部天津水运工程科学研究院进行了波浪整体物理模型及三维稳定性试验。
根据试验要求，结合试验场地及设备能力综合考虑，选取模型几何比尺为56，亦即波高比尺为56，周期比尺为7.483。模型实際占地 规模45m（长）×40m（宽）。模型布置及水深地形图见图1。
图1 模型布置及水深地形图（长 45m，宽 40m）
模型地形采用桩点法复制，平面尺寸及高程按几何相似原则制作。场地平面尺寸用全站仪放样确定，按1.0m×1.0m布设桩点，平面尺寸偏差控制在0.5cm以内；地形桩点高程用水准仪精确控制，偏差在±1mm以内。模型填沙后用水泥沙浆抹平压光。直立式方沉箱采用塑料板模拟，圆沉箱结构采用PVC管材模拟，高程用水准仪控制，偏差在±1mm以内。模型中设置了消波和导波设施，以消除不利于试验的波浪反射和扩散现象。
斜坡堤护面块体采用腻子灰与铁粉配制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程要求。模型中各种重量块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。由于模型试验采用的是淡水，而实际工程为海水，在计算模型块体重量时考虑了这种影响。东西护岸采用架设断面 板的方法进行摆放，不同重量的块体和块石分不同颜色分区摆放，以便于试验观测。
试验采用单向不规则波进行。单向不规则波的模拟采用频谱模拟。试验首先考虑采用《海港水文规范》（JTJ213-98）中推荐的波谱。在规范谱中有两个参数来决定其适用条件即H*和P。其中H*决定采用深水谱公式还是有限水深公式；P值决定每个公式的适用范围。当0.5≥H*>0.1为有限深度水域，此时P要满足1.27≤P<6.77， 当H*≤0.1为深水水域，此时P 要满足1.54≤P<6.77。对不符合上述 条件的，采用与规范谱相近的JONSWAP谱。
工程后各方向重现期 50 年波高 H13%分布见表3。 东西护岸斜坡段控制浪向均为 SE 向，东护岸最大波高为 6.34m； 西护岸为 7.58m。
工程后各方向重现期 50 年波高 H13%表3
护岸稳定性试验内容包括 SE、S 和 SW 三个方向不同水位下重 现期 50 年波浪作用下，护岸护底块石和斜坡段护面块体的稳定性。 根据《波浪试验规程》的规定，每个工况的波浪作用时间不少于2小时（原体值）。试验结果表明，除西护岸接岸段外，东西护岸斜坡段大部分岸线原设计护面块体在设计波浪作用下可以保持稳定。
西护岸接岸段（长约 150m）设计方案为 15t 护面块体。试验发现，SE 向浪作用下，接岸段护面块体严重失稳（见图2）。该段水下地形坡度较陡，-12m 至-5m 区间内存在一坡度约为 1:5 的陡坡， 并且岸线与东南向浪有约 60°的夹角。通过增加护底重量和加大块体至 21t 后，稳定性仍不能满足要求，破坏型态类似。
图2西护岸接岸段 15t 护面块体失稳
考虑到接岸段的特殊地形及复杂波浪形态，设计将护面块体重量改为20t，在断面底部设置2 排20t 扭王字块作支撑的基础上，再增加3排 35t扭王字块。试验发现，-12m 至-5m 陡坡区域的 3 排支撑35t块体，最外 1 排失稳，其他部分保持稳定。为安全起见，在该陡坡区域再增加4排35t块体作支撑，即局部设置7排 35t块体作支撑，长度约60m。试验结果表明，接岸段断面保持稳定（见图3）。
图3护面块体改为20t，底部支撑增加35t扭王字块
四、试验结果分析
断面失稳的原因主要有三个： 一是护岸与天然岸线交界处有波能集中现象，二是水下陡坡对波浪有一定的反射作用。低水位时，波浪在陡坡附近破碎，形成强烈的破碎流，在波谷的倒吸作用下，底部块体首先失稳，然后扩大到上层块体。 三是接岸段东南 30-50m处有凸出地形，扰乱了破碎流，形成明显的旋涡。
参考文献：
[1]《大连虎滩湾环境治理改造项目水工工程工程可行性研究报告》（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，2011.7）
[2] 《大连虎滩湾环境治理改造项目护岸工程波浪整体物理模型及三维稳定性试验研究报告》（交通运输部天津水运工程科学研究院，2011.6）
[3] 《防波堤设计与施工规范》JTS 154-1-2011
[4] 《波浪模型试验规程》JTS/T234-2001
[5] 《海港水文规范》 JTJ213-98
【关 键 词】护岸；复杂地形；物模试验；块体稳定重量；结果分析
中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：
一、工程概况：
大连老虎滩海洋公园是隶属于大连市城建局的国有事业单位，于2006年入选为国家首批5A级景区，成为中国旅游知名品牌，是辽宁省仅有的二个国家5A级景区之一，同时也是东北地区重要的旅游资源。但是，随着旅游行业的高速发展和国内外游客旅游需求的不断提升，公园在景区规模、旅游设施的档次功能等诸多方面已渐显落后，不适应城市旅游业整体发展的需求。为此，2010年年初，市政府即决定将虎滩湾环境改造工程列入大连市政府2010年城市建设重点项目。
2010年11月，大连老虎滩旅游开发有限公司委托我院开展《大连虎滩湾环境治理改造项目水工工程》工程可行性研究报告的编制工作。本工程岸线总长3371.62m，其中外海东侧护岸长1231.61m；外海西侧护岸长945.48m。护岸工程主要技术指标表如下。
护岸工程主要技术指标表表1
二、设计计算
在进行斜坡护岸护面块体设计时，我院依据了《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）：
在波浪正向作用下，且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在计算水位上、下一倍设计波高之间的护面块体中，单个块体的稳定重量计算公式：
式中W——单个块体的稳定重量（t）；
——块体材料的重度（KN/m3）；
H——设计波高（m）；
KD——块体稳定系数；
——水的重度（KN/m3）；
——斜坡与水平面的夹角（°）。
护面层厚度可按下式计算：
式中h——护面层厚度（m）；
n'——护面块体层数；
c——块体形状系数。
斜坡护岸护面块体的稳定重量和护面厚度计算结果见表2。
斜坡护岸护面计算表 表2
在报告的编制过程中，为优化总平面布置方案、论证水工结构的安全性，建设单位特委托交通运输部天津水运工程科学研究院进行了波浪整体物理模型及三维稳定性试验。
根据试验要求，结合试验场地及设备能力综合考虑，选取模型几何比尺为56，亦即波高比尺为56，周期比尺为7.483。模型实際占地 规模45m（长）×40m（宽）。模型布置及水深地形图见图1。
图1 模型布置及水深地形图（长 45m，宽 40m）
模型地形采用桩点法复制，平面尺寸及高程按几何相似原则制作。场地平面尺寸用全站仪放样确定，按1.0m×1.0m布设桩点，平面尺寸偏差控制在0.5cm以内；地形桩点高程用水准仪精确控制，偏差在±1mm以内。模型填沙后用水泥沙浆抹平压光。直立式方沉箱采用塑料板模拟，圆沉箱结构采用PVC管材模拟，高程用水准仪控制，偏差在±1mm以内。模型中设置了消波和导波设施，以消除不利于试验的波浪反射和扩散现象。
斜坡堤护面块体采用腻子灰与铁粉配制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程要求。模型中各种重量块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。由于模型试验采用的是淡水，而实际工程为海水，在计算模型块体重量时考虑了这种影响。东西护岸采用架设断面 板的方法进行摆放，不同重量的块体和块石分不同颜色分区摆放，以便于试验观测。
试验采用单向不规则波进行。单向不规则波的模拟采用频谱模拟。试验首先考虑采用《海港水文规范》（JTJ213-98）中推荐的波谱。在规范谱中有两个参数来决定其适用条件即H*和P。其中H*决定采用深水谱公式还是有限水深公式；P值决定每个公式的适用范围。当0.5≥H*>0.1为有限深度水域，此时P要满足1.27≤P<6.77， 当H*≤0.1为深水水域，此时P 要满足1.54≤P<6.77。对不符合上述 条件的，采用与规范谱相近的JONSWAP谱。
工程后各方向重现期 50 年波高 H13%分布见表3。 东西护岸斜坡段控制浪向均为 SE 向，东护岸最大波高为 6.34m； 西护岸为 7.58m。
工程后各方向重现期 50 年波高 H13%表3
护岸稳定性试验内容包括 SE、S 和 SW 三个方向不同水位下重 现期 50 年波浪作用下，护岸护底块石和斜坡段护面块体的稳定性。 根据《波浪试验规程》的规定，每个工况的波浪作用时间不少于2小时（原体值）。试验结果表明，除西护岸接岸段外，东西护岸斜坡段大部分岸线原设计护面块体在设计波浪作用下可以保持稳定。
西护岸接岸段（长约 150m）设计方案为 15t 护面块体。试验发现，SE 向浪作用下，接岸段护面块体严重失稳（见图2）。该段水下地形坡度较陡，-12m 至-5m 区间内存在一坡度约为 1:5 的陡坡， 并且岸线与东南向浪有约 60°的夹角。通过增加护底重量和加大块体至 21t 后，稳定性仍不能满足要求，破坏型态类似。
图2西护岸接岸段 15t 护面块体失稳
考虑到接岸段的特殊地形及复杂波浪形态，设计将护面块体重量改为20t，在断面底部设置2 排20t 扭王字块作支撑的基础上，再增加3排 35t扭王字块。试验发现，-12m 至-5m 陡坡区域的 3 排支撑35t块体，最外 1 排失稳，其他部分保持稳定。为安全起见，在该陡坡区域再增加4排35t块体作支撑，即局部设置7排 35t块体作支撑，长度约60m。试验结果表明，接岸段断面保持稳定（见图3）。
图3护面块体改为20t，底部支撑增加35t扭王字块
四、试验结果分析
断面失稳的原因主要有三个： 一是护岸与天然岸线交界处有波能集中现象，二是水下陡坡对波浪有一定的反射作用。低水位时，波浪在陡坡附近破碎，形成强烈的破碎流，在波谷的倒吸作用下，底部块体首先失稳，然后扩大到上层块体。 三是接岸段东南 30-50m处有凸出地形，扰乱了破碎流，形成明显的旋涡。
参考文献：
[1]《大连虎滩湾环境治理改造项目水工工程工程可行性研究报告》（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，2011.7）
[2] 《大连虎滩湾环境治理改造项目护岸工程波浪整体物理模型及三维稳定性试验研究报告》（交通运输部天津水运工程科学研究院，2011.6）
[3] 《防波堤设计与施工规范》JTS 154-1-2011
[4] 《波浪模型试验规程》JTS/T234-2001
[5] 《海港水文规范》 JTJ213-98