某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证.pdf

某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证刘志远1，佟德胜2，3（1.中信缅甸（香港）控股有限公司，北京100004；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津300222）摘要：为保证某跨海大桥在更恶劣极端气象条件下的安全性和可靠度，配合主体工程人工岛防洪排涝设施的设计工作，实施开展了两项波浪物理模型试验来对人工岛排水设施设计方案进行验证及优化。根据试验技术要求，在不同波浪要素、不同挡浪墙顶高程和戗台宽度条件下，测定人工岛南、北两侧护岸顶部的越浪量、最大上水高度和人工岛漫滩情况，并对越浪排水设施的排水能力进行复核。研究中先后验证了南、北侧两护岸原设计方案在初始设计工况和更极端的补充复核工况波浪作用下能否满足越浪排洪的要求，并优化设计方案以满足更极端条件下的排水要求，为本项国家重点工程的设计提供了科学的试验研究依据。研究成果成功应用到了工程实践，在近几年数次超强台风侵袭下，工程未发生任何破坏，避免了人员伤亡和经济损失。关键词：跨海大桥；人工岛；越浪；防洪排涝；物理模型试验；台风中图分类号：U652.72文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）01-0061-07doi：10.7640/zggwjs202401011Capability verification of overtopping and flood control and drainagefor artificial island of a cross-sea bridgeLIU Zhi-yuan1,TONG De-sheng2,3（1.CITIC Myanmar(Hong Kong)Holdings Limited,Beijing 100004，China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;3.Key Lab of Coastal EngineeringHydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222,China）Abstract：In order to ensure the safety and reliability of a sea-crossing bridge project under more severe extreme weatherconditions,and coordinate the design of the artificial island flood control and drainage facilities for the main project,two wavephysical model tests were carried out to verify and optimize the design scheme of drainage facilities on artificial island.According to the technical requirements of the test,under the condition of different wave,different top elevations of retainingwall and different width of peak platform,the test is accepted to determine the wave overtopping rate at the top of the north andsouth revetment in artificial island,the maximum height of upstream,the flood plain situation in artificial island,and check thedrainage capacity of the overtopping drainage facilities.Under the initial design conditions and more extreme supplementaryreview wave conditions,by performing the experiment,the original design scheme of the north and south revetment was verifiedwhether to satisfy the requirement of overtopping flood discharge requirement,and the design scheme was optimized to meet thedrainage requirements under more extreme conditions,which provides a scientific basis for the engineering design.The researchfindings from this study have been successfully applied to the practical implementation of this project.Over the past few years,despite several super typhoon events,the bridge and artificial island has remained undamaged,preventing any casualties oreconomic losses.Key words：cross-sea bridge;artificial island;overtopping;flood control and drainage;physical model test;typhoon中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第1期2024年1月Vol.44No.1Jan.2024收稿日期：2023-09-15修回日期：2023-10-31作者简介：刘志远（1987），男，辽宁新民人，硕士，高级工程师，港口航道与海岸工程专业，现从事海外港口项目投资方项目管理工作。E-mail：中国港湾建设2024年第1期0引言随着近年来极端恶劣天气出现频率的增加，跨海大桥人工岛在设计使用期内很有可能遭遇比初始设计工况更为恶劣自然环境的考验，因此需要重视极端工况条件下的越浪量控制1。为保证国家重点工程某跨海大桥在更恶劣工况下的安全性和可靠度，配合跨海大桥人工岛防洪排涝设施的设计和施工，需开展系列波浪物理模型试验研究工作。针对海上人工岛的越浪、防洪排涝设施的试验验证研究在国内尚属首次，国外亦无成熟案例可供借鉴，以往均为研究如何通过优化设计来提高海岸结构在极端气象条件下的抗灾能力2-3。本研究采用波浪整体试验与断面试验相结合的方法，分析测定人工岛南侧护岸堤顶越浪情况，并对整体试验和断面试验的结果进行了对比分析，使得试验结果更有说服力。同时，考虑到本人工岛为桥隧转换人工岛，人工岛防浪排洪设施的设置及隧道防水施工水平对防止隧道在运营期遭遇更极端气象条件时不被淹没起着至关重要的作用4，根据设计给定的假定更恶劣工况研究了人工岛挡浪墙上水厚度、越浪量、漫滩情况，复核排水设施的排水能力，并验证设计提出的各种应对措施的效能，优化设计方案以满足更极端条件下的排水要求，为工程设计提供科学的试验依据。1研究背景1.1研究目的通过波浪整体和断面物理模型试验，研究初始设计工况以及假定更恶劣工况下人工岛挡浪墙上水厚度、越浪量及漫滩情况，对排水设施的排水能力进行复核，并验证设计提出的各种应对措施的效能，为人工岛工程越浪、防洪排涝工程设计提供科学依据，为工程安全实施保驾护航。1.2研究内容针对人工岛越浪、防洪排涝能力研究拟开展波浪整体及断面物理模型试验。波浪整体物理模型试验研究内容包括：1）研究人工岛南、北侧护岸在初始设计工况和复核工况下的上水情况、越浪量以及漫滩情况；2）复核越浪排水设施（含排水沟、重力流排水口及越浪泵房等）排水能力，对人工岛环岛排水明沟的平面位置、断面尺寸以及局部越过排水明沟海水阻挡设施的设置情况给出合理化建议，并对排水管和越浪泵房设置位置、排水能力提出合理化建议。波浪断面物理模型试验研究内容包括：1）在相关试验水位和波浪的组合作用下，验证护岸断面的挡浪墙、护面块体及护底块石的稳定性；2）测定护岸堤顶越浪水舌厚度及越浪量，研究高程3.0 m处不同戗台宽度对堤顶越浪量的影响，着重进行越浪的对比分析。2研究方法及过程2.1研究方法采用波浪整体和断面物理模型试验相结合的方法，通过初始设计工况和假定更恶劣工况下的波浪物理模型试验，研究人工岛越浪及漫滩情况，以便验证设计方案中防浪排洪设施的设置是否满足招标文件的要求，并验证设计提出的各种应对措施的效能。波浪整体试验中将海工模型和水工模型相结合，在选取试验比尺时，综合进行考虑。试验模拟时同时满足交通运输部JTJ/T 2342001波浪模型试验规程5以及水利部SL 1552012水工（常规）模型试验规程6的相关规定要求。试验采用正态模型，按重力相似准则进行模型设计。综合考虑试验室的具体条件和建筑物结构的尺度、模型应包括的范围、波浪要素与试验仪器测量精度以及糙率等因素，确定本次波浪整体物理模型试验采用的几何比尺为姿=40，本次波浪断面物理模型试验采用的几何比尺为姿=30。相应的物理量比尺为：几何比尺：姿L=姿重量比尺：姿w=姿3时间比尺：姿t=姿1/2流量比尺：姿q=姿5/2越浪量比尺：姿Q=姿3/2糙率系数比尺：姿n=姿1/6波浪整体试验中，人工岛护岸模型的尺寸和高程均按设计图纸进行模拟制作；环岛排水明沟采用灰塑料板进行模拟，重力流排水管采用PVC塑料管进行模拟，排水明沟和重力流排水管属于水工模型，依据 水工（常规）模型试验规程 的相关规定，控制局部模型高程、宽度和内径的误差小于0.3 mm，长度误差小于5 mm。另外，糙率的模拟是本次试验中一项重要的模拟，试验中越浪水62窑窑2024年第1期体产生的漫滩范围与环岛排水明沟以及人工岛陆域绿化带的糙率值关系很大，因此试验中应对排水明沟和人工岛陆域绿化带的糙率进行模拟。为及时排出极端情况下越过人工岛护岸顶面的越浪水体，西人工岛共设置4座越浪泵房，4座越浪泵房分别与排水明沟相连，排水明沟内的越浪水体会流入越浪泵房之中，泵房水池部分的顶高程5.0 m，底高程0.0 m。泵房内设置水位自动显示及控制（高、低水位），控制分别自动启停泵。试验中越浪泵房的内部按照其断面结构型式进行模拟，模拟出其内部尺寸。越浪泵房中泵的抽水流量值要按不同泵房水池内部水位相应的设计流量值进行模拟，模型试验中以截门控制抽水量，保证抽水量与设计提供的抽水流量原型值相似。整体试验中最终成型后的人工岛南侧护岸模型见图1。2.2仪器设备波浪整体试验在国内某大型水池中进行，水池中装备有从丹麦水工研究所（DHI）引进的平面不规则波造波机。可移动式造波机系统技术先进、性能可靠、运行稳定、移动方便，可按要求模拟规则波和各种谱型的不规则波。断面试验在国内某大型不规则波试验水槽中进行，水槽中装备有日本三井造船株式会社制造的大型不规则波造波机。该系统由液压驱动装置、控制台及计算机构成，可根据试验要求产生规则波和不同谱型不规则波。自造波机推波板前36 m处开始，水槽沿纵向分为1 m、2 m、1 m宽的3条窄水槽。造波机前设有滤波器，水槽尾部设有1颐15的消波斜坡。3成果及分析3.1波浪整体物理模型3.1.1依据的设计资料人工岛南侧护岸原泥面标高为-8.0 m，护岸挡浪墙的初始设计顶高程为8.0 m，采用双层5 t扭工字块体护面，护面块体顶高为8.0 m，高程3.0 m戗台初始设计宽度为12.0 m。人工岛北侧护岸原泥面标高为-8.0 m，护岸挡浪墙的初始设计顶高程为6.5 m，采用双层5 t扭工字块体护面，护面块体顶高程为6.5 m，高程3.0 m戗台宽度为8.0 m。研究中所采用波浪要素由设计单位提供。表1和表2分别为南护岸与北护岸在初始设计工况下的波浪要素。考虑到应对极端恶劣水文条件的出现，为提高工程安全度，经设计确认提高设防标准并增加补充复核工况下的试验，补充复核工况条件下的波浪要素见表3和表4。表中H1%、H13%分别为累计频率1%、13%的统计波高，T为波浪的平均周期。3.1.2研究结果1）南侧护岸研究结果在不同水位、波浪的组合工况下，分别测定各分段的挡浪墙顶面单宽平均越浪量、最大上水图1人工岛南侧护岸模型（护岸初始顶高程8.0 m）Fig.1Model of the south revetment of the artificial island(the initial elevation of the revetment is 8.0 m)表4人工岛北侧护岸补充复核工况试验波浪要素Table 4Supplementary check test wave elements at northrevetment of the artificial island波浪组合H1%/m H13%/mT/s补充复核工况一（水位：4.12 m）5.403.926.5补充复核工况二（水位：4.32 m）5.844.277.0波浪组合H1%/m H13%/mT/s补充复核工况一（水位：4.12 m）6.494.8211.5补充复核工况二（水位：4.32 m）7.015.2612.0表3人工岛南侧护岸补充复核工况试验波浪要素Table 3Supplementary check test wave elements at southrevetment of the artificial island表2人工岛北侧护岸初始设计工况试验波浪要素Table 2Wave elements at north revetment of the artificialisland波浪组合H1%/m H13%/mT/s100 a一遇高水位3.47 m、100 a一遇波要素4.373.085.51300 a一遇高水位3.82 m、300 a一遇波要素5.013.565.86表1人工岛南侧护岸初始设计工况试验波浪要素Table 1Wave elements at south revetment of the artificialisland波浪组合H1%/m H13%/mT/s100 a一遇高水位3.47 m、100 a一遇波要素5.473.9210.2300 a一遇高水位3.82 m、300 a一遇波要素6.074.3810.5刘志远，等：某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证63中国港湾建设2024年第1期在更极端的补充复核工况条件下，人工岛南侧护岸挡浪墙顶高程8.0 m、戗台宽度12.0 m的原设计方案不能满足越浪设防标准，宽度2.0 m的排水明沟不满足及时排水要求，继而需要在后续试验中采取优化措施即通过抬高挡浪墙顶高程、增加戗台宽度以及在人工岛顶面设置挡坎等方式来控制护岸顶部越浪以及人工岛漫滩情况，以满足越浪排洪的要求。优化南侧护岸结构设计后，通过分析补充复核工况一条件下的波浪整体物理模型试验结果可见，在相同挡浪墙顶高程前提下，随着戗台宽度的增加，戗台消浪效果更理想，南侧护岸越浪量有所减小；在相同戗台宽度前提下，随着挡浪墙顶高程的抬高，南侧护岸越浪量有所减小。补充复核工况一时（水位4.12 m，波浪要素H13%=4.82 m，T=11.5 s），在人工岛南侧护岸不同挡浪墙顶高程和高程3.0 m戗台宽度组合条件下，波浪整体物理模型试验以及波浪断面物理模型试验中的越浪结果见表3。波浪整体和波浪断面物理模型试验结果表明：南侧护岸挡浪墙顶高程8.5m条件下，随着戗台宽度的增加，挡浪墙顶部越浪程度有所减弱，越浪量有所减小。归纳南侧护岸越浪试验结果见表5。总结以上不同结构形式以及工况条件（初始设计工况和补充复核工况）下南侧护岸越浪排水情况和漫滩范围测定试验的结果，归纳南侧护岸的排水和漫滩情况见表6。高度以及排水明沟后方的漫滩范围。人工岛南侧护岸挡浪墙顶高程8.0 m、戗台宽度12.0 m的原设计方案在初始设计工况（300 a一遇高水位、300 a一遇波浪和100 a一遇高水位、100 a一遇波浪）条件下满足越浪设防标准，宽度2.0 m的排水明沟满足及时排水要求。考虑应对项目所在地频频出现的超强台风，为提高工程安全度，经设计单位确认提高设防标准并分别对南护岸和北护岸增加补充复核工况一以及补充复核工况二条件下的验证试验，为更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施的设计提供参考依据。同时，在排水明沟宽度保持2.0 m的基础上为阻挡漫滩水体进入人工岛隧道U槽内，于人工岛隧道U槽前增设顶高程6.0 m的挡坎，并在南侧护岸以及北侧护岸不同挡浪墙顶高程条件下，按照补充复核工况一和补充复核工况二进行历时2.5 h（原型）的试验，研究人工岛面的漫滩水体能否越过所设挡坎进入隧道U槽，以及U槽内的漫滩水体厚度。人工岛面设置挡坎位置见图2，图中黑色粗线为所设置挡坎位置。图2人工岛岛面设置挡坎位置（挡坎顶高程6.0 m）Fig.2Setting of block position on artificial islands（the elevation of the block top is 6.0 m）加高线遭遇极端天气，此处采取临时封堵措施表5南侧护岸越浪试验结果汇总表Table 5Summary table of south revetment overtoppingwave test results高程3.0 m戗台宽度/m直线段护岸单宽平均越浪量/（m3（ms）-1）最大越浪水舌厚度/m12.00.0110.0121.615.57.31伊10-38.87伊10-31.512.02.56伊10-33.66伊10-31.3高程3.0 m戗台宽度/m单宽平均越浪量/（m3（ms）-1）最大越浪水舌厚度/m12.00.0152.015.50.0111.612.07.05伊10-31.5挡浪墙顶高程/m8.58.59.5挡浪墙顶高程/m8.58.59.5模型波浪断面物理模型试验结果模型波浪整体物理模型试验结果22131364窑窑2024年第1期图3人工岛南侧护岸断面Fig.3Cross section of south revetment of the artificial island3.2波浪断面物理模型试验3.2.1试验依据的资料试验共包括4个断面，分别为人工岛南侧护岸断面、人工岛南侧护岸对比断面一、人工岛南侧护岸对比断面二和人工岛南侧护岸修改断面。人工岛南侧护岸断面的结构形式如图3所示（挡浪墙顶高程8.5 m，高程3.0 m戗台宽度为12.0 m）。人工岛南侧护岸修改断面的结构形式如图4所示（挡浪墙顶高程9.5 m，高程3.0 m戗台宽度为12.0 m）。表7北侧护岸越浪、排水及漫滩情况汇总表Table 7Summary of north revetment overtopping,drainage and floodplain conditions挡浪墙顶高程/m工况直线段护岸单宽平均越浪量/（m3（ms）-1）排水情况人工岛漫滩情况6.5300 a一遇高水位、300 a一遇波浪溅浪及时无漫滩6.5100 a一遇高水位、100 a一遇波浪溅浪及时无漫滩6.5补充复核工况一2.90伊10-42.32伊10-3及时无漫滩6.5补充复核工况二0.0100.020不及时无漫滩7.0补充复核工况一溅浪及时无漫滩7.5补充复核工况一溅浪及时无漫滩7.5补充复核工况二9.70伊10-42.90伊10-3及时无漫滩2）北侧护岸试验结果通过不同结构型式以及工况条件下的北侧护岸试验结果，归纳北侧护岸的越浪、排水及漫滩情况见表7。表6南侧护岸排水和漫滩情况汇总表Table 6Summary of south revetment drainage and flood plain conditions挡浪墙顶高程/m高程3.0 m戗台宽度/m工况排水情况人工岛漫滩情况8.012.0300 a一遇高水位、300 a一遇波浪及时无漫滩8.012.0100 a一遇高水位、100 a一遇波浪及时无漫滩8.012.0补充复核工况一不及时设挡坎后，漫滩严重，迎浪侧环岛匝道内被漫滩水体灌满，漫滩水体漫延至岛中央主干道位置8.512.0补充复核工况一不及时未设挡坎时，岛面形成大面积的漫滩范围；设挡坎后，迎浪侧环岛匝道内漫滩水体深度约0.2 m，岛中央主干道位置无漫滩水体8.515.5补充复核工况一不及时设挡坎后，迎浪侧环岛匝道内无明显深度的漫滩水体，岛中央主干道位置无漫滩9.012.0补充复核工况一及时设挡坎后，迎浪侧环岛匝道内无明显深度的漫滩水体，岛中央主干道位置无漫滩9.512.0补充复核工况一及时设挡坎后，迎浪侧环岛匝道与岛中央主干道位置无漫滩刘志远，等：某跨海大桥人工岛越浪及防洪排涝能力验证300 a一遇高潮位+3.820300 a一遇低潮位-1.630护底块石100200 kg厚1 100-4.00022 000+3.5008.500混凝土挡浪墙3.0008.000-1.20010100 kg块石10100 kg块石-8.000袋装碎石钢圆筒，壁厚t=16 mm回填中粗砂 振冲密实南侧5 t扭工字块 厚3 100300500 kg块石 厚1 10015 0008 70013 00014 00012 00010 0005 730人工岛前沿线二片石 厚500回填碎石（580 mm）-14.500-14.000-16.000袋装砂沉降示意线65中国港湾建设2024年第1期图4人工岛南侧护岸修改断面Fig.4Modified cross section of south revetment of the artificial island3.2.2主要试验结果1）在补充复核工况一的水位及波浪作用下，人工岛南侧护岸初始断面、对比断面以及修改断面各部位均处于稳定状态，通过堤顶越浪情况的观测和对比，确定最终方案选取修改断面的方案。2）补充复核工况一及相应波浪作用下，挡浪墙顶高程9.5 m、高程3.0 m戗台宽度为12.0 m的南侧护岸修改断面护岸顶部的单宽平均越浪量为7.05伊10-3m3/（ms），满足设计控制要求。3.3成果总结人工岛南侧护岸原结构设计型式在初始设计工况条件下满足越浪设防标准，宽度2.0 m的排水明沟满足及时排水要求。考虑到极端恶劣水文条件的出现，为提高工程安全度，设计单位提出提高设防标准并增加补充复核工况下的试验，为更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施的设计提供参考依据。研究结果表明，南护岸原设计方案在补充复核工况条件下的越浪和排水情况不满足设计要求，继而在试验中通过抬高挡浪墙顶高程、增加戗台宽度以及在人工岛顶面设置挡坎等方式来对原设计方案进行优化，以控制越浪和漫滩情况。北侧护岸挡浪墙顶高程6.5 m的原结构设计形式满足初始设计工况和补充复核工况一条件下的排水及漫滩要求。相关试验研究成果通过了交通运输部领导和全国知名港口方面专家审查。针对试验结果，设计单位优化了人工岛南、北侧护岸的结构设计，最终将人工岛南侧护岸断面挡浪墙顶标高调整至9.5 m，戗台宽度维持12.0 m不变。4成果应用及效果本跨海大桥及人工岛工程在建设期和建成通车运营后经历了多次强台风侵袭，包括台风“天鸽”、“帕卡”“山竹”、“百里嘉”、“卡努”、“苏拉”等。2017年8月，风力16级的超强台风“天鸽”和“帕卡”在3 d内强势经过，为53 a来最强台风，本工程人工岛几乎位于台风中心眼上，虽饱受风吹浪击，但在超强台风之下稳固屹立，主体结构、人工岛上建筑玻璃幕墙、大部分机械设备都经受住了超强台风的考验。2018年9月，台风“山竹”正面直击，大桥上实测最高风速超过55 m/s，然而在强台风过后，大桥主体结构、人工岛上房建及收费站结构、交通工程附属设施均未受损，人工岛上建筑玻璃幕墙没有破裂。另外，本工程于近期2023年9月初经受住了9号台风“苏拉”的影响。提高护岸标准对确保沿海基础设施在台风等极端气象条件下的抗灾安全性至关重要7。2017年以来的数次强台风考验下，本项国家重点工程的设施没有受到任何破坏，岛面四周的排水明沟使得越浪水体能够及时排出。本次研究成果为应对更极端气象条件下人工岛防越浪及防洪措施提供参考依据，起到有效解决实际工程问题的作用。5结语本次研究成果成功应用到了本工程实践，并产生了重大实际应用意义，在近几年数次大型台风侵袭下，本工程未发生任何破坏，避免了人员伤亡和经济损失。研究成果不仅解决工程实际问题，也为我国今后建设人工岛抵御更极端自然环境的考验、满足设计使用期内对于人工岛防洪排涝及排水构筑物排水能力的要求提供宝贵的科学试验数据和参考依据，保障人工岛的安全运营和有效管理。参考文献：1陈波，谢乔木，孙大洋.港珠澳大桥珠澳口岸人工岛填海工程海堤越浪量的优化设计J.水运工程，2013（2）：213-218.CHEN Bo,XIE Qiao-mu,SUN Da-yang.Optimized design of wave300 a一遇高潮位+3.820300 a一遇低潮位-1.630护底块石100200 kg厚1 100-4.00022 000+3.500+9.500混凝土挡浪墙3.0008.000回填碎石（580 mm）-1.20010100 kg块石10100 kg块石-8.000袋装碎石钢圆筒，壁厚t=16 mm回填中粗砂 振冲密实南侧5 t扭工字块 厚3 100300500 kg块石 厚1 10015 0008 70013 00014 00012 00010 0005 730人工岛前沿线66窑窑2024年第1期(10):101-106.14蔡光华，刘松玉，曹菁菁.初始含水率对MgO碳化粉土强度和电阻率的影响J.中国公路学报，2017，30（11）：18-26.CAI Guang-hua,LIU Song-yu,CAO Jing-jing.Influence of initialwater content on strength and electrical resistivity of MgO-carbon原ated 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