堤顶越浪是护岸工程考虑的重要因素之一, 在一定程度上, 堤顶越浪量直接决定护岸安全与规模。目前对常规海岸护岸工程堤顶越浪研究成果较多。夏运强等^[1]通过综述国内外现行规范、标准和研究成果及工程试验案例, 对越浪量标准制定原则和量值进行研讨, 提出港口工程水工建筑物允许越浪量建议值。许荔等^[2]利用多个护岸结构断面物理模型试验结果进行分析, 讨论影响斜坡式和直立式护岸平均越浪量的因素及其变化规律。刘堃等^[3]对比分析斜坡式护岸断面模型试验、局部整体模型试验越浪量试验值及规范公式越浪量计算值。俞聿修^[4]基于三维波浪模型试验, 对斜坡堤上平均越浪量多种计算方法进行对比分析, 针对不同情况提出相关建议。李晓亮等^[5,6]对斜坡堤上斜向和多向不规则波在非破碎条件下的平均越浪量进行研究, 并提出估算公式。王键等^[7]借助计算流体力学软件FLUENT, 数值模拟带胸墙斜坡堤越浪, 并将数值计算的平均越浪量与已有物理模型试验值进行对比。

综合分析以上文献研究成果可知, 目前对常规海岸护岸越浪已提出不同形式的护岸堤顶越浪计算公式及允许越浪标准, 数值方法也可实现对斜坡堤越浪的模拟。岛礁地形是一种特殊的海岸形式, 虽对岛礁地形上波浪传播变形存在一定研究, 但对于岛礁地形上护岸工程研究较少, 尤其对于护岸堤顶越浪研究更为少见。

本次护岸工程是马尔代夫机场改扩建工程的重要组成部分。护岸前沿礁坪宽度仅为20m左右, 高水位护岸前沿水深约2～3m。由于护岸前沿礁坪宽度较窄, 加之机场对跑道水量严格限制, 因此堤顶越浪量是本次护岸工程考虑的关键因素之一。以马尔代夫机场岛护岸工程为例, 通过二维物理模型试验对岛礁地形护岸工程越浪进行研究。

本工程斜坡式护岸位于机场西北侧, 设计使用寿命为50年, 由南、北2段组成, 南段长约565m、北段长295m。斜坡式护岸断面如图1所示。防浪墙顶高程为2.200m, 迎浪面采用2层重1 000～3 000kg块石护面。平均水位以上外坡护面块石坡比为1∶1.5;平均水位附近设置1.5m宽平台;平台以下护面块石放至现状海床面高程-1.600m附近, 垫层采用2层重10～40kg块石, 下方铺土工织物, 起反滤作用, 垫层和土工织物均埋置于海床面以下。

西北侧段面向北马累环礁海域, 直接受海域风浪作用, 水文环境相对恶劣。根据《马尔代夫易卜拉欣·纳西尔国际机场改扩建工程设计波浪要素推算报告》^[8]推算结果, 工程区设计高水位时50年一遇波浪要素有效波高H_s可达2.10m, 各工况下详细波浪要素如表1所示。

为研究本护岸工程堤顶越浪情况, 开展试验研究。本试验在波浪水槽中进行, 水槽长60m、宽1.8m。水槽一端配有推板式造波机叙, 并安装二次反射波浪吸收装置。此外, 在水槽两端均配有消浪缓坡及消浪设施, 以减少波浪反射。

试验采用正态模型, 按Froude数相似律设计, 模型比尺取1∶10、几何长度比尺L_r=1∶10、时间比尺T_r=L_r^1/2、质量比尺W_r=L_r³、越浪量比尺q_r=L_r^1.5。

由于工程前沿地形变化较大, 且为影响斜坡式护岸护面块石稳定性的关键因素之一, 故试验地形模拟较为关键。本试验中地形模拟采用等高线法进行圈围, 偏差控制在±1mm以内。模型中护岸试验断面包括堤顶、防浪墙、外坡护面等, 与原型保持几何相似。护面块石、垫层块石均严格挑选, 保证质量相似。

斜坡式护岸长约860m, 根据实测工程区域高程, 不同位置处工程前沿岸坡宽度存在一定变化。考虑护岸前沿岸坡宽度对堤顶越浪量的影响, 选取3组不同代表宽度进行试验, 如图2所示。为表述方便, 将3种岸坡宽度对应的断面分别称为试验断面1, 2, 3。

经试验测量, 各断面不同工况下堤顶越浪量如表2所示。由表2可知, 对于同一断面, 护岸前沿水位变化是影响堤顶越浪量的主要因素之一。随着水位升高, 护岸前沿水深增加, 堤顶越浪逐渐增大。为便于应用, 对护岸前沿水深无因次化h_e/H_s (h_e为礁缘处水深, 本研究中礁缘高程为-2.000m;H_s为有效波高, H_s≈H_13%) , 越浪量随护岸前沿相对水深 (h_e/H_s) 的变化如图3所示。

由图3可知, 对于本试验的3个断面, 堤顶越浪量均随h_e/H_s的增加而增加, 且相对水深越大, 堤顶越浪增加幅度越明显, 二者存在一种非线性关系。因此施工过程中应重点关注水位变化, 水位超过一定限值时应引起足够重视。

由表2、图3还可发现, 不同试验断面间越浪量也存在着一定差异。在同一水位和波浪条件下, 试验断面1越浪量大于试验断面2, 同时试验断面2越浪量大于试验断面3。由此可知, 护岸前沿岸坡宽度也是影响堤顶越浪量的主要因素之一。

对于波浪在岛礁地形上的传播变形, 浅水波长 (为平均周期, g为重力加速度) 是重要参数之一^[9]。为研究护岸前沿礁坪宽度对堤顶越浪量的影响, 定义护岸坡脚与礁缘间的距离为护岸前沿礁坪宽度S (见图3) 。同样, 为便于应用, 对护岸前沿礁坪宽度无因次化, 堤顶单宽越浪量随护岸前沿相对礁坪宽度的变化如图4所示。

由图4可知, 在本试验3种工况下, 护岸堤顶单宽越浪量随护岸前沿相对礁坪宽度的增加均呈现出减小的趋势。不同工况间, 单宽越浪量随相对礁坪宽度减少幅度存在一定变化, 即堤前水深对二者间的关系存在一定影响。总体上看, 高水位时越浪量随相对礁坪宽度减小幅度略大于低水位时, 即高水位时越浪量对礁坪宽度的变化更为敏感。

岛礁地形是一种特殊的海岸形式, 现有关于岛礁地形护岸工程越浪的研究较少。通过水槽模型试验对岛礁地形斜坡式护岸堤顶越浪进行研究, 研究结果表明, 护岸前沿相对水深 (h_e/H_s) 和护岸前沿相对礁坪宽度是影响护岸堤顶越浪的关键因素, 堤顶越浪量随护岸前沿相对水深的增加而增加;堤顶单宽越浪量随护岸前沿相对礁坪宽度的增加而减小。本文研究成果可为岛礁地形抛石护岸设计、施工及维护提供参考。