中長(zhǎng)周期波作用下斜坡堤穩(wěn)定性與堤后次生波試驗(yàn)研究

黃 河，高 峰，江 義，樊 栩，彭 程，徐亞男

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑物技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300392；4.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

在我國(guó)“一帶一路”倡議下，隨著海上絲綢之路[1-2]沿線港口工程的不斷發(fā)展與延伸，港口工程海外市場(chǎng)逐年擴(kuò)大，項(xiàng)目所在地的海域條件各不相同，其面臨的水動(dòng)力環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜。在多個(gè)碼頭工程的防波堤建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常遇到周期長(zhǎng)、波能大的惡劣建港條件[3]，尤其是面對(duì)北印度洋、孟加拉灣等具有季節(jié)性風(fēng)浪特征的中長(zhǎng)周期波海況條件時(shí)[4-7]，碼頭與防波堤前的波浪影響作用更加顯著，而防波堤的穩(wěn)定性直接影響其后方掩護(hù)區(qū)內(nèi)碼頭、人員及設(shè)備的安全和船舶的泊穩(wěn)條件。因此，依托工程實(shí)例開展中長(zhǎng)周期波浪作用下防波堤設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化研究對(duì)于推進(jìn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工與安全運(yùn)營(yíng)，乃至工程建成后的經(jīng)濟(jì)效益均具有重要的實(shí)際意義。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)沿海港口所在海域一般為波周期小于10 s的短波環(huán)境，更多的海外工程所面臨中長(zhǎng)周期波浪的挑戰(zhàn)，其中波周期大于 10 s 且小于 30 s 時(shí)界定為中長(zhǎng)周期波，周期大于 30 s 則為長(zhǎng)周期波[1]。中長(zhǎng)周期波具有波高小、波長(zhǎng)及波速大的典型特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的穿透力，在這種海況下施工是困難的，有效施工窗口期較短[8-10]。在港口防波堤工程中，中長(zhǎng)周期波作用下堤身穩(wěn)定不僅影響到結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)也關(guān)系到工程的風(fēng)險(xiǎn)控制。由于中長(zhǎng)周期波具有較強(qiáng)的透浪特性，因此其堤后次生波對(duì)于掩護(hù)水域的碼頭布置影響顯著，直接關(guān)系到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和投資規(guī)模。以位于孟加拉灣的緬甸沿海為例，其外海海浪受到北印度洋涌浪影響顯著，波型為以涌浪為主的混合浪，8 s以上的周期所占頻率57.4%，10 s以上平均周期所占頻率為42%，12 s以上周期所占頻率為15%，波況較為復(fù)雜。本文即依托緬甸某電廠碼頭工程，在前期波浪分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)波浪物理模型試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其在中長(zhǎng)周期波作用下防波堤的穩(wěn)定性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化研究。

1 工程概況

擬建工程碼頭位于緬甸伊洛瓦底三角洲的西北部，孟加拉灣東北海岸。該工程設(shè)LNG泊位1個(gè)，配套建設(shè)防波堤、引橋和引堤等。由于工程所在海岸直接面臨孟加拉灣，海域開闊有利于波浪的成長(zhǎng)和傳播，孟加拉灣常年受季風(fēng)及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響顯著，每年4月～11月期間又是臺(tái)風(fēng)活躍期。雖然臺(tái)風(fēng)直接登陸工程附近海域的次數(shù)較少，但熱帶風(fēng)暴及雷暴天氣對(duì)工程海域波浪影響顯著。受季風(fēng)及臺(tái)風(fēng)的聯(lián)合影響該海域風(fēng)浪及涌浪共存，且高密度分區(qū)域位于涌浪區(qū)，經(jīng)過(guò)分析該海域風(fēng)浪占比32.4%，涌浪占比67.4%，呈現(xiàn)出以涌浪為主的混合浪特征。前期數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明，工程外海重現(xiàn)期100 a波浪對(duì)應(yīng)最大有效周期接近18 s。針對(duì)該海域波浪周期長(zhǎng)、波能大的特點(diǎn)，通過(guò)波浪斷面物理模型試驗(yàn)，測(cè)定波浪對(duì)防波堤設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)布置的影響、驗(yàn)證防波堤結(jié)構(gòu)各部位(護(hù)面塊體和塊石、護(hù)底等)的穩(wěn)定性是十分必要的，同時(shí)考慮堤后次生波傳播特性也將對(duì)堤防結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)與堤后港內(nèi)水域的泊穩(wěn)條件提供依據(jù)。

1.1 試驗(yàn)波浪要素

工程海域附近岸線整體呈現(xiàn)NNE-SSW方向走向，海底坡度較陡，近海海底水深變化較快，至工程附近岬灣岸線逐漸呈現(xiàn)出N-S方向走向，海底地形變化對(duì)近岸波浪傳播影響較大。根據(jù)海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，外海各影響波向中以WSW向最強(qiáng)，且深水 WSW 向浪傳播至工程附近時(shí)，波向也受地形影響轉(zhuǎn)為近似 W 向，與防波堤軸線走向呈垂直入射。由數(shù)學(xué)模型提取本次試驗(yàn)波浪要素，其波周期均在10 s以上(表1)。

表1 模型試驗(yàn)波浪要素表 Tab.1 Model test wave elements

1.2 堤身結(jié)構(gòu)方案

堤身結(jié)構(gòu)包含設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化對(duì)比方案，剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-a 設(shè)計(jì)方案

1-b 優(yōu)化方案圖1 堤身方案斷面圖(單位：mm，高程：m)Fig.1 Breakwater section

(1)設(shè)計(jì)方案：底高程-20.5 m，頂高程+8 m，堤心為1～500 kg塊石，斜坡坡度為1:1.75。迎浪側(cè)：-16.5～+8 m范圍內(nèi)均為30 t扭王字塊，護(hù)面墊層為厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。背浪側(cè)：-2～+8 m范圍內(nèi)均為30 t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面墊層為厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。-19.5～ -2 m范圍內(nèi)為厚度2 600 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。

(2)優(yōu)化對(duì)比方案：為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)富余度，在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上將斜坡坡度改為1:1.5，迎浪側(cè)-16.5～ +8 m范圍內(nèi)扭王字塊增至36 t，護(hù)面墊層為厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。背浪側(cè)：-4～+8 m范圍內(nèi)均為36 t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面墊層為厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。-19～-4 m范圍內(nèi)為厚度3 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型簡(jiǎn)介

圖2 風(fēng)浪流試驗(yàn)水槽與防波堤模型實(shí)景Fig.2 Wind wave flow test flume and model real scene

遵循試驗(yàn)規(guī)程，并根據(jù)試驗(yàn)室已有人工塊體模型，選定幾何比尺為1:39，即水深比尺、波高比尺、波長(zhǎng)比尺均為39，周期比尺為6.25。模型中各種塊石和人工塊體按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。斷面中所涉及到的人工塊體均根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154-2018)中常用護(hù)面塊體形狀尺寸制作，人工塊體采用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求。

對(duì)于不規(guī)則波，采用JONSWAP頻譜模擬，其解析式為

(1)

斜坡式防波堤護(hù)面的破壞程度主要根據(jù)發(fā)生位移的塊石數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，1984年的護(hù)岸手冊(cè)中規(guī)定了防波堤損壞程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)是波浪作用區(qū)域的移動(dòng)塊石數(shù)量占這個(gè)區(qū)域的百分比，也稱作失穩(wěn)率nd，其波浪作用區(qū)域是指靜水面上下一個(gè)波高的范圍，表達(dá)式如下

nd(%)= (發(fā)生位移塊體數(shù)量/作用區(qū)域塊體總數(shù))×100%

(2)

這個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立在目測(cè)觀察法上，需要記錄塊石移動(dòng)的數(shù)量，波浪作用區(qū)域塊石數(shù)量和結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)有關(guān)。 如今，可以借助信息化圖形掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視覺測(cè)量輪廓的方法來(lái)自動(dòng)化識(shí)別失穩(wěn)情況，但由于在水、氣交界面上很難進(jìn)行處理解析，依然存在限制應(yīng)用的條件，例如需要在水槽全干或者充滿水的情況下使用。反而，一些純機(jī)械方法測(cè)量能夠比較容易地在水面上下進(jìn)行測(cè)量，但是得到的結(jié)果少且精度低。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)

(1)穩(wěn)定性。

對(duì)于后期二銨的價(jià)格走勢(shì)，鄭冰表示，二銨后市的價(jià)格還是要看成本是否會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。目前來(lái)看，經(jīng)銷商普遍都比較擔(dān)心高價(jià)買入后，到了后期又出現(xiàn)大幅度跌落現(xiàn)象。后期二銨價(jià)格或?qū)⑷杂幸欢ǖ纳仙臻g，但是目前價(jià)格已經(jīng)漲到一個(gè)相對(duì)尷尬的高點(diǎn)，未來(lái)價(jià)格的不確定性還很多，如果說(shuō)漲價(jià)帶來(lái)了機(jī)遇，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也還是很大。但相比較而言，如果前期有提前備肥的經(jīng)銷商，可操作的利潤(rùn)空間還是相對(duì)可觀的。

極端低水位不規(guī)則波波浪連續(xù)作用6 h后，堤身迎浪面底部30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，前護(hù)底塊石保持穩(wěn)定。堤頂發(fā)生少量越浪，波浪著浪點(diǎn)在防波堤內(nèi)坡戧臺(tái)附近，但無(wú)塊石位移。100 a重現(xiàn)期不規(guī)則波作用下，底部30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，但未發(fā)生位移，前護(hù)底塊石仍保持穩(wěn)定。越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)，導(dǎo)致1 550～3 100 kg塊石發(fā)生少量位移(失穩(wěn)率1.1%)，但護(hù)面形狀未發(fā)生變形，未喪失護(hù)面功能；縮減波周期后(T=10.00 s)，越浪著浪點(diǎn)沖擊的波內(nèi)坡戧臺(tái)附近無(wú)塊石發(fā)生位移，斷面整體保持穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)低水位50 a重現(xiàn)期不規(guī)則波作用時(shí)，堤身迎浪面底部個(gè)別30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，但未發(fā)生位移，前護(hù)底塊石保持穩(wěn)定。越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)，導(dǎo)致1 550～3 100 kg塊石發(fā)生少量位移(失穩(wěn)率2.07%)，但護(hù)面形狀未發(fā)生變形，且未喪失護(hù)面功能。100 a重現(xiàn)期不規(guī)則波時(shí)，迎浪面底部個(gè)別30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，但未發(fā)生位移，前護(hù)底塊石保持穩(wěn)定。越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)，導(dǎo)致1 550～3 100 kg塊石發(fā)生位移(失穩(wěn)率2.80%)，但護(hù)面形狀未發(fā)生變形，未喪失護(hù)面功能?？s減波周期后(T=10.00 s)內(nèi)坡戧臺(tái)附近無(wú)塊石位移，斷面整體穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)高水位50 a重現(xiàn)期不規(guī)則波作用時(shí)，堤身迎浪面戧臺(tái)附近個(gè)別30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，但未發(fā)生位移，越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)導(dǎo)致著浪點(diǎn)附近1 550～3 100 kg塊石發(fā)生位移(失穩(wěn)率1.59%)，但護(hù)面形狀仍未發(fā)生變形，且未喪失護(hù)面功能。100 a重現(xiàn)期不規(guī)則波時(shí)，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖3-a所示，戧臺(tái)附近30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，越堤水體導(dǎo)致內(nèi)坡的1 550～3 100 kg塊石發(fā)生位移(失穩(wěn)率1.95%)，但護(hù)面形狀未發(fā)生變形，且未喪失功能?？s減周期后(T=10.00 s)，斷面整體保持穩(wěn)定。

3-a 堤頂越浪現(xiàn)象3-b 堤后次生波傳播沿程衰減圖3 設(shè)計(jì)方案重現(xiàn)期100 a波峰作用場(chǎng)景與堤后次生波沿程變化趨勢(shì)Fig.3 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the design scheme

極端高水位50 a重現(xiàn)期不規(guī)則波時(shí)，堤身迎浪面戧臺(tái)附近30 t扭王字塊發(fā)生晃動(dòng)，但未發(fā)生位移，越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)導(dǎo)致1 550～3 100 kg塊石發(fā)生位移(失穩(wěn)率1.96%)，但護(hù)面形狀未發(fā)生變形，且未喪失功能。100 a重現(xiàn)期不規(guī)則波作用下，越堤水體沖擊內(nèi)坡戧臺(tái)導(dǎo)致1 550～3 100 kg塊石發(fā)生位移(失穩(wěn)率3.03%)，護(hù)面形狀未發(fā)生變形，且未喪失功能。縮減周期后(T=10.00 s)斷面整體保持穩(wěn)定。

(2) 堤后次生波。

當(dāng)波浪均越過(guò)堤頂至堤后發(fā)生破碎，破碎后形成新的波列繼續(xù)向后傳播，堤后次生波強(qiáng)度與入射波相比則明顯減小[11-13]。根據(jù)堤后布置波高傳感器測(cè)試結(jié)果，堤后次生波沿程衰減，以重現(xiàn)期100 a波浪為例，不同工況下堤后次生波波高沿程傳播變化趨勢(shì)如圖3-b所示，包含了兩種波周期(15.12 s和10 s)的對(duì)比。波浪周期對(duì)堤后次生波影響顯著，沿程各測(cè)點(diǎn)中波周期T=15.12 s所對(duì)應(yīng)次生波波高比T=10 s時(shí)更大，其平均增大約37%。同時(shí)，隨著試驗(yàn)水位的升高，堤后次生波逐步增強(qiáng)，而隨著越堤后傳播距離增加，沿程變化均呈現(xiàn)逐步遞減減弱的趨勢(shì)。

另外，由于波浪在越堤后經(jīng)歷一次破碎后形成新的波列，因此堤后次生波的波周期也發(fā)生相應(yīng)變化，但與入射波周期相比，整體變化幅度有限，堤后次生波周期有隨著越浪量增大而減小的趨勢(shì)，但總體變化幅度有限。

2.2.2 方案優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)情況，為進(jìn)一步提升安全性和驗(yàn)證設(shè)計(jì)富余度，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案堤身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比測(cè)試。主要優(yōu)化措施包含：將斜坡坡度改為1:1.5，護(hù)面塊體增至36 t，護(hù)面墊層的1 550～3 100 kg塊石增至1 800～3 600 kg以及塊石厚度增至3 000 mm，并將范圍調(diào)整為-19～-4 m，且戧臺(tái)高程由-2.0 m改為-4.0 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，各工況條件下斷面越浪現(xiàn)象依舊存在，但斷面各部位經(jīng)過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)后均可保持穩(wěn)定，護(hù)面塊體、護(hù)底塊石位移以及越浪后內(nèi)坡戧臺(tái)處塊石的晃動(dòng)或少量位移現(xiàn)象均有明顯改善，失穩(wěn)率可達(dá)到0%。

根據(jù)堤后布置波高傳感器測(cè)試結(jié)果，隨著試驗(yàn)水位的升高，堤后次生波逐步增強(qiáng)，且隨著越堤后傳播距離增加，沿程變化也均呈現(xiàn)逐步遞減減弱的趨勢(shì)。同時(shí)，波周期對(duì)堤后次生波影響顯著。以重現(xiàn)期100 a為例，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期100 a波峰作用場(chǎng)景與堤后次生波沿程變化趨勢(shì)如圖4所示。

4-a 堤頂越浪現(xiàn)象4-b 堤后次生波傳播沿程衰減圖4 優(yōu)化對(duì)比方案重現(xiàn)期100 a波峰作用場(chǎng)景與堤后次生波沿程變化趨勢(shì)Fig.4 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the optimized comparison scheme

此時(shí)，對(duì)應(yīng)波周期長(zhǎng)短影響堤后次生波大小，優(yōu)化對(duì)比方案中沿程各點(diǎn)T=15.12 s波周期所對(duì)應(yīng)波高約比T=10 s時(shí)仍然要大，只是平均增大幅值降至26%，但也同樣表現(xiàn)為高水位時(shí)差異略小，而在低水位時(shí)差異會(huì)顯著增大。整體而言，優(yōu)化對(duì)比方案堤后次生波有所增大，表明在堤頂高程不變的情況下，坡度增大后波浪更易爬高越浪，這在10 s波周期時(shí)表現(xiàn)得更為顯著。同時(shí)，越堤后衰減速率有明顯差異，設(shè)計(jì)方案的堤后次生波沿程衰減相對(duì)更快一些。上述結(jié)果反映出，中長(zhǎng)周期波對(duì)于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波傳播衰減速率也均有不同程度的影響。

3 結(jié)論

(1)兩個(gè)方案越浪的著浪點(diǎn)位置均在防波堤內(nèi)坡戧臺(tái)附近，設(shè)計(jì)方案時(shí)在設(shè)計(jì)低水位重現(xiàn)期100 a時(shí)越浪對(duì)內(nèi)坡戧臺(tái)沖擊最大，其附近塊石發(fā)生位移失穩(wěn)率最高。優(yōu)化方案中由于戧臺(tái)頂淹沒水深增加，越堤水體沖擊減弱從而得到改善。

(2)相對(duì)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化方案中堤頂越浪增大，越浪產(chǎn)生的堤后次生波最大值出現(xiàn)在極端高水位重現(xiàn)期100 a波浪作用下。相同工況下，縮短波周期(T=10 s)試驗(yàn)堤頂越浪量有所減小，堤后次生波隨之減小。

(3)隨著越堤后傳播距離的增加，次生波沿程變化呈現(xiàn)逐步遞減趨勢(shì)，沿程各測(cè)點(diǎn)中T=15.12 s波周期所對(duì)應(yīng)波高值均比T=10 s時(shí)更大，在低水位時(shí)這種現(xiàn)象更為明顯。同時(shí)，中長(zhǎng)周期波對(duì)于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波傳播衰減速率也均有不同程度的影響。

(4)需要注意的是，結(jié)合堤后次生波傳播趨勢(shì)，后方碼頭距離防波堤軸線的距離建議盡可能避免受到越堤水體的直接影響，此時(shí)更應(yīng)重視臺(tái)風(fēng)大浪期等極端波況后的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和碼頭附屬設(shè)施的防護(hù)。