中外斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)比

宋建東，王 剛，趙 凱

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

港口作為“一帶一路”的重要節(jié)點(diǎn)，近幾年在海外基建工程中發(fā)展迅速，而斜坡式防波堤作為常見(jiàn)的擋浪結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種港口工程中。斜坡式防波堤通常應(yīng)用于水深較淺，石料來(lái)源豐富的地區(qū)。典型的斜坡式防波堤主要由護(hù)面、墊層、堤心、堤頂、擋浪墻、堤腳和護(hù)底幾部分組成，各部分的相對(duì)關(guān)系如圖1 所示。斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括越浪量計(jì)算、護(hù)面塊體(石)計(jì)算、墊層塊石計(jì)算、堤腳塊石計(jì)算、護(hù)底塊石計(jì)算、擋浪墻穩(wěn)定性計(jì)算、整體穩(wěn)定性計(jì)算和沉降計(jì)算等。常用設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊(cè)包括國(guó)標(biāo)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》JTS-154-2018[1]、ROCK MANUAL[2]、英標(biāo) BS 6349-7[3]和Eurotop_II_2018[4],其中Eurotop_II_2018主要用于越浪量計(jì)算。

圖1 斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)示意圖

目前斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究主要在越浪量[5-7]、波浪爬高[8]以及塊體穩(wěn)定重量[9]等方面展開(kāi)，尚未對(duì)比分析不同規(guī)范在斜坡式防波堤護(hù)面、墊層、護(hù)底等方面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的差異性。本文通過(guò)對(duì)比分析不同規(guī)范的設(shè)計(jì)方法在斜坡式防波堤護(hù)面、墊層、護(hù)底等方面的差異性，為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 中外規(guī)范設(shè)計(jì)方法對(duì)比

1.1 堤頂高程和寬度設(shè)計(jì)

堤頂高程應(yīng)根據(jù)使用要求和總體布置綜合考慮確定，主要考慮越浪、施工要求以及臨近航道對(duì)波浪的傳播限制等因素。國(guó)標(biāo)中規(guī)定對(duì)于允許越浪且頂部無(wú)胸墻的斜坡堤堤頂高程應(yīng)不小于設(shè)計(jì)高水位以上0.6 倍設(shè)計(jì)波高；對(duì)于基本不越浪的斜坡堤和寬肩臺(tái)斜坡堤，堤頂高程應(yīng)不小于設(shè)計(jì)高水位以上1 倍設(shè)計(jì)波高；對(duì)于有胸墻的斜坡堤，胸墻頂高程應(yīng)不小于設(shè)計(jì)高水位以上1 倍設(shè)計(jì)波高。Rock Manual 中建議考慮施工需要，堤頂高程一般在高水位以上1 m，在無(wú)掩護(hù)且波浪大的區(qū)域，堤心頂高程至少高于平均大潮高潮面(MHWS) 2～3 m。

除上述一般性要求外，允許越浪量是決定堤頂高程的另一關(guān)鍵因素。防波堤使用需求的不同會(huì)影響允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)的選擇，波浪爬高計(jì)算方法會(huì)顯示是否發(fā)生越浪現(xiàn)象。

國(guó)標(biāo)中波浪爬高計(jì)算公式主要考慮不規(guī)則波類型、坡面糙率、淺水系數(shù)和風(fēng)速等影響因子，見(jiàn)式1；Eurotop_II_2018 手冊(cè)相對(duì)國(guó)標(biāo)，不考慮風(fēng)速，但是增加破浪破碎系數(shù)，肩臺(tái)影響因子和波浪入射角影響因子，見(jiàn)式3；Rock Manual 手冊(cè)介紹了多種計(jì)算方法，但是主要是基于公式5 展開(kāi)的。

規(guī)則波：

不規(guī)則波：

其中R 為正向規(guī)則波在斜坡堤上的波浪爬高（m）；KΔ為坡面糙滲系數(shù)；R1是KΔ=1，H=1 m 時(shí)的波浪爬高（m）；R%F為不規(guī)則波累計(jì)頻率為F%的爬高（m）；Ku是與風(fēng)速相關(guān)的系數(shù)；KF為換算系數(shù)，H%1累計(jì)頻率為1 %的波高（m）。

概率性設(shè)計(jì)：

確定性設(shè)計(jì)：

其中Ru2%為累計(jì)頻率為2 %的波浪爬高（m）；Hm0為譜峰有效波高（m）；γb為肩臺(tái)影響因子；γf為坡面糙率因子；γβ為波浪入射角度影響因子；為波浪破碎因子。

其中R%2u含義同公式3，Hs為有效波高（m），ξ為破碎相似系數(shù)，A、B 為與波高累計(jì)頻率相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

斜坡堤越浪量控制標(biāo)準(zhǔn)主要考慮三個(gè)方面：對(duì)行人和車輛的影響；對(duì)臨近財(cái)產(chǎn)或正常運(yùn)行的影響；對(duì)防波堤本身破壞等級(jí)的影響。Eurotop_II_2018建議考慮Hm0不同時(shí)的越浪量標(biāo)準(zhǔn)，Rock Manual根據(jù)不同破壞等級(jí)來(lái)選取不同的越浪量標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)標(biāo)越浪量計(jì)算公式主要考慮坡面糙率和堤前水深的影響，見(jiàn)式6 和7；Eurotop_II_2018 手冊(cè)中的計(jì)算方法見(jiàn)式8；RockManual 手冊(cè)考慮影響因子較多，包括波浪破碎、入射角、坡面糙率、肩臺(tái)、坡比等，見(jiàn)式9 和式10。

無(wú)胸墻時(shí)：

有胸墻時(shí)：

其中 Q 為單位時(shí)間單位堤寬的越浪量（m3·s-1/m/m）；A、B 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；H3/1為有效波高（m）；Hc、'Hc分別為堤頂和胸墻頂在靜水面以上高度（m）；b1為胸墻前肩寬（m）；Tp為譜峰有效周期（s）；m 為坡度系數(shù)，d 為建筑物前水深（m），該公式有嚴(yán)格的適用范圍。

其中q為單位時(shí)間單位堤寬的越浪量（m3·s-1/m）；Hm0為譜峰有效波高（m）；Rc為堤頂距水面高度（m）；a、b、c 為無(wú)量綱參數(shù)，主要通過(guò)波浪破碎參數(shù)區(qū)分，具體見(jiàn)Eurotop_II_2018 手冊(cè)，。

其中q，Rc 和Hm0的含義同公式（8），ξm－10為斜坡堤坡度；，γf，γb為防波堤形狀折減因子；A，B，C，D 是基于概率計(jì)算的平均系數(shù)。

不同規(guī)范堤頂寬度設(shè)計(jì)要求也不同，具體見(jiàn)表1，各個(gè)規(guī)范均要求堤頂寬度要滿足業(yè)主使用要求以及考慮施工和維修機(jī)械等通行要求。

表1 中外規(guī)范中堤頂寬度設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.2 護(hù)面

斜坡式防波堤護(hù)面一般采用塊石或者人工塊體，當(dāng)波浪較小時(shí)宜采用塊石護(hù)面，較大時(shí)采用人工塊體護(hù)面，一般認(rèn)為有效波高超過(guò)4 m 時(shí)，不宜考慮塊石護(hù)面。護(hù)面設(shè)計(jì)主要在于護(hù)面塊體穩(wěn)定重量的計(jì)算，RockManual 手冊(cè)中建議的計(jì)算公式是Hudson公式（式11）和Vander Meer公式（式12～15）。

其中，W50為設(shè)計(jì)護(hù)面塊石中值重量（N）；H為堤腳處設(shè)計(jì)波高（m）；KD為穩(wěn)定系數(shù)，受護(hù)面單雙層、護(hù)面塊體種類、坡比、堤身和堤頭形狀的影響；ρr為塊石密度（kg/m3）；Δ 為相對(duì)密度；α為坡度。

值得注意的是對(duì)于人工塊體Accropode 的KD值，CLI 公司產(chǎn)品手冊(cè)中并不關(guān)注波浪是否破碎。

Vander Meer 公式考慮風(fēng)暴潮歷時(shí)、波周期、受損壞級(jí)別和堤心滲透性的影響，較Hudson 公式復(fù)雜，且分為深水公式和淺水公式，具體內(nèi)容如下：

深水公式：

淺水公式：

其中波浪相似參數(shù)：

式中：Hs為有效波高（m）；Δ 為相對(duì)密度；H2%為累積頻率為2 %的波高（m）；Dn50為護(hù)面塊石的名義中值粒徑（m）；Tm為平均波周期（s）；Tm-1,0為譜波周期（s）；α為斜坡堤坡角（°）；N 為入射波個(gè)數(shù)；P 為堤心滲透參數(shù)；Sd允許破壞等級(jí)；cpl為定值，等于6.2；cs為定值，等于1。

從上式可以看出：周期Tm越大，Dn50越大；滲透性越好，Dn50越小。

國(guó)標(biāo)和英標(biāo)推薦Hudson 公式，但適用條件和參數(shù)取值不同。國(guó)標(biāo)中規(guī)定平均波高和堤前水深比值時(shí)，設(shè)計(jì)波高取H13%，否則取H5%,，而在英標(biāo)BS6349-7 中規(guī)定，波浪未破碎取H1/10，在堤前H1/10波浪破碎時(shí)應(yīng)取破碎波高或有效波高Hs較大值。此外穩(wěn)定系數(shù)KD的取值也不相同。

國(guó)標(biāo)計(jì)算公式見(jiàn)式16 和17，當(dāng)波浪斜向作用于斜坡式防波堤時(shí)，除扭工字塊護(hù)面外，穩(wěn)定系數(shù)KD由KDβ修正。

其中W 為護(hù)面單個(gè)塊體（石）的穩(wěn)定重量（t）；γb為護(hù)面塊體（石）的重度（kN/m3）；H 為設(shè)計(jì)波高；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)，受護(hù)面塊體種類、構(gòu)造型式和容許失穩(wěn)率的影響；Δ 為相對(duì)密度；α為斜坡與水平面的夾角（°）；k 為試驗(yàn)參數(shù)；β為波向線與斜坡堤縱軸法線夾角（°）。

1.3 墊層設(shè)計(jì)

墊層作為護(hù)面與堤心石之間的反濾層，是護(hù)面塊體的穩(wěn)定基床，起到消減護(hù)面層傳來(lái)的波能以及在施工期內(nèi)保護(hù)堤心石的作用。RockManual 手冊(cè)中，給定了人工塊體墊層塊石重量的參考值，見(jiàn)表2。國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)于隨機(jī)安放的塊體墊層石重量可以取護(hù)面塊體重量的1/20～1/10，對(duì)于規(guī)則安放的塊體，取1/20～1/40，對(duì)于四角空心方塊和柵欄板護(hù)面，墊層石規(guī)格不小于護(hù)面結(jié)構(gòu)空隙尺度。英標(biāo)BS6349-7 中規(guī)定如果護(hù)面是天然塊石，墊層塊石的中值粒徑不應(yīng)小于護(hù)面塊石中值粒徑的1/10；對(duì)于護(hù)面為人工塊體的斜坡式防波堤，墊層塊石重量參考表3，其中W 為人工塊體的重量（t）。

表2 RockManual 中人工塊體對(duì)應(yīng)墊層塊石設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

表3 英標(biāo)BS6349-7 中人工塊體對(duì)應(yīng)墊層塊石設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.4 堤腳設(shè)計(jì)

一般當(dāng)斜坡堤堤腳處水深小于2Hs以及面層邊坡陡于1:3 時(shí)，會(huì)設(shè)置堤腳防止沖刷并支撐護(hù)面塊體。在RockManual 中，當(dāng)ht/h<0.4 時(shí)，堤腳設(shè)計(jì)參照Vander Meer 公式，按護(hù)面塊石計(jì)算其穩(wěn)定性，其中ht為堤腳處水深，h 為堤前水深。

一般來(lái)說(shuō)，為保證護(hù)面塊石的穩(wěn)定性，堤腳塊石的中值粒徑一般與護(hù)面塊體保持一致。各規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)關(guān)于堤腳塊石設(shè)計(jì)要求可見(jiàn)表4。護(hù)面為人工塊體的堤腳設(shè)計(jì)要求可參考各廠商技術(shù)規(guī)格書(shū)。

表4 中外規(guī)范中堤腳設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.5 護(hù)底設(shè)計(jì)

護(hù)底塊石的穩(wěn)定性重量計(jì)算，國(guó)標(biāo)要求先計(jì)算堤前最大波浪底流速，見(jiàn)式18，然后按規(guī)范中表4.3.24 查出對(duì)應(yīng)的護(hù)底塊石規(guī)格。此外，國(guó)標(biāo)指出對(duì)于處于破碎區(qū)或受波浪水流共同作用的護(hù)底塊石，其穩(wěn)定重量宜適度加大。英標(biāo)BS6349-7 指出可通過(guò)查表15 得出護(hù)底塊石的穩(wěn)定性重量；Rock Manual 中規(guī)定護(hù)底如果受波浪控制，則按照堤腳計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果受流控制則有三種方法，Pilarczyk 法（式19）、EsccarameiaandMay 法（式20）和Mayord 法（式21）。其中式19 的方法計(jì)算結(jié)果較保守且參數(shù)簡(jiǎn)單，資料不全時(shí)可采用。

其中Vmax為堤前最大底流速（m/s）；H 為設(shè)計(jì)波高（m）；L 為計(jì)算波長(zhǎng)（m）；d 為堤前水深（m）。

其中Dn50和Δ 含義與公式11 一致；φsc為穩(wěn)定修正系數(shù)；ψcr為臨界遷移率系數(shù)；kh為速度剖面系數(shù)；ksl為坡度系數(shù)；U 為水流平均速度（m/s）。

其中ub為海床以上1/10 水深處水流速度（m/s）；cT為水流參數(shù)；Δ 含義與公式11 一致。

其中fg為塊石分級(jí)系數(shù)數(shù)；Sf為安全系數(shù)；Cst為穩(wěn)定系數(shù)；Cv為流速分配系數(shù)；CT為厚度系數(shù)；h 為水深（m）。

各規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)關(guān)于護(hù)底的其他設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表5。

表5 中外規(guī)范中護(hù)底其它設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2 結(jié)語(yǔ)

1）斜坡堤堤頂高程由諸多因素決定，對(duì)于波浪爬高和越浪量計(jì)算，國(guó)內(nèi)外公式都是基于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半理論半經(jīng)驗(yàn)性公式，且有各自的適用范圍，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮臈l件特性合理選擇。其中Eurotop_II_2018 和RockManual 手冊(cè)推薦的波浪爬高計(jì)算公式較為詳細(xì)，具有較強(qiáng)的適用性。Eurotop_II_2018 和RockManual 手冊(cè)推薦的越浪量公式相對(duì)其他規(guī)范考慮了斜向波和護(hù)面結(jié)構(gòu)形式的影響，相對(duì)全面，建議采用。

2）中外規(guī)范關(guān)于斜坡堤面層的設(shè)計(jì)要求有一定的差異性，應(yīng)注意各規(guī)范的適用范圍，此外，對(duì)于人工塊體護(hù)面設(shè)計(jì)應(yīng)充分了解各公司的產(chǎn)品手冊(cè)必要時(shí)可咨詢廠家。各規(guī)范均強(qiáng)調(diào)對(duì)于特殊的波浪條件需要做必要的物模實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。各規(guī)范和手冊(cè)對(duì)于墊層塊石的設(shè)計(jì)思路基本是一致的，均強(qiáng)調(diào)了墊層塊石的規(guī)格與護(hù)面塊石的規(guī)格相適應(yīng)。

3）對(duì)于堤腳和護(hù)底的設(shè)計(jì)，國(guó)標(biāo)和英標(biāo)的規(guī)定都相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于波浪水流條件復(fù)雜或者地形復(fù)雜的區(qū)域，建議采用RockManual 手冊(cè)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。