兩種不同消浪塊體護(hù)面的斜坡堤對(duì)比研究

袁立莎，原 娟，李 超

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

在水運(yùn)工程斜坡式防護(hù)建筑物設(shè)計(jì)中，護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)的消浪性能至關(guān)重要，其直接關(guān)系到水工建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和功能性。近些年來(lái)，隨著海外工程的不斷建設(shè)，逐漸突顯出采用我國(guó)自主研發(fā)新技術(shù)的重要性以及必要性。對(duì)于新型消浪塊體，王美茹研發(fā)了用于斜坡式護(hù)面結(jié)構(gòu)的雙聯(lián)型人工塊體，并提出了在有效波高20 cm、平均周期不大于3 s 下雙聯(lián)塊體與扭王字塊體的穩(wěn)定性對(duì)比分析；陳漢寶等在波浪水槽試驗(yàn)驗(yàn)證了有效波高5 m、平均周期13.83 s 下雙聯(lián)塊體的斷面穩(wěn)定性；王美茹等提出在海域波浪、潮流等復(fù)雜水動(dòng)力條件和泥沙運(yùn)動(dòng)活躍的自然條件下，雙聯(lián)塊體修復(fù)某破損防波堤的關(guān)鍵技術(shù)和相應(yīng)建議。通過(guò)對(duì)以往相關(guān)研究資料統(tǒng)計(jì)分析可知，在東南亞地區(qū)已經(jīng)有相應(yīng)的采用我國(guó)自主研發(fā)新型塊體的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)證，但對(duì)于非洲幾內(nèi)亞灣區(qū)域，對(duì)于主要受涌浪控制的防波堤結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的研究資料不足，且缺少與扭王字塊體同等條件下的對(duì)比研究分析。本文通過(guò)非洲幾內(nèi)亞灣區(qū)域某項(xiàng)目防波堤設(shè)計(jì)，采用雙聯(lián)塊體和扭王字塊體作為護(hù)面結(jié)構(gòu)開展試驗(yàn)研究，進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

非洲某防波堤工程區(qū)瀕臨幾內(nèi)亞灣，屬熱帶雨林氣候，全年氣溫較高，年、日氣溫相差較小；降水豐沛，一般4 月～10 月為雨季，11 月～3 月為旱季，全年相對(duì)濕度較高，盛行西南風(fēng)。根據(jù)當(dāng)?shù)?008年～2016 年風(fēng)速及風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料，多年平均最大風(fēng)速為11.64 m/s（2015 年），風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)（SW），多年平均風(fēng)速為4.32 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)（SW）和西風(fēng)（W）。

港址區(qū)水域開闊，波浪分為風(fēng)浪和涌浪，且以長(zhǎng)周期涌浪影響為主，常年盛行西南風(fēng)（SW），波浪周期約12～18 s。工程海區(qū)的潮汐性質(zhì)為規(guī)則半日潮。根據(jù)本項(xiàng)目2019 年約4 個(gè)月的潮汐觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，最高高潮位為2.21 m，平均高潮位為1.74 m，平均低潮位為0.67 m，最大潮差1.9 m，見圖1。

圖1 工程位置

工程所在海域布設(shè)有6 條海流觀測(cè)垂線，于2019 年在大、中、小潮期間進(jìn)行全潮海流觀測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)海區(qū)各垂線海流流速表現(xiàn)出由淺層次向深層次逐漸減小的趨勢(shì)，各垂線附近海流均指向東向。大部分垂線最大流速均發(fā)生在較淺層次；大、中、小潮最大流速變化趨勢(shì)不明顯。在大潮期間，實(shí)測(cè)最大流速為53 cm/s，流向?yàn)?8°；最大垂線平均流速為41 cm/s，流向?yàn)?9°；最大余流流速為35.7 cm/s，流向?yàn)?7°。在中潮期間，實(shí)測(cè)最大流速為64 cm/s，流向?yàn)?7°；最大垂線平均流速為45 cm/s，流向?yàn)?5°，最大余流流速為33.7 cm/s，流向?yàn)?6°。在小潮期間，實(shí)測(cè)最大流速為47 cm/s，流向?yàn)?1°；最大垂線平均流速為33 cm/s，流向?yàn)?2°；最大余流流速為27.6 cm/s，流向?yàn)?2°。

根據(jù)本項(xiàng)目2019 年觀測(cè)資料和潮汐表的相關(guān)資料推算，所在海域的設(shè)計(jì)高水位為2.8 m（海圖基準(zhǔn)面），設(shè)計(jì)低水位為0.3 m，極端高水位為2.8 m。試驗(yàn)波浪要素為數(shù)模推算值，見表1。

表1 防波堤工程設(shè)計(jì)波浪要素（50 年一遇）

考慮到越浪水體產(chǎn)生的次生波高對(duì)港內(nèi)停泊的小型船只作業(yè)、系泊的影響，防波堤試驗(yàn)設(shè)計(jì)斷面頂高程為6.0 m，堤頂寬度為7.5 m，堤心采用1～500 kg 塊石，防波堤迎浪側(cè)堤腳采用單重為100～200 kg 大塊石護(hù)底，護(hù)底厚度為0.8 m，護(hù)底寬度為15 m，斷面采用1:1.5 斜坡，迎浪側(cè)斜坡、堤頂、背浪側(cè)斜坡護(hù)面采用兩種方案，方案一為4 t 扭王字塊體護(hù)面，方案二為4 t 雙聯(lián)塊體護(hù)面，下設(shè)墊層200～400 kg 塊石，迎浪側(cè)和背浪側(cè)斜坡坡腳均平鋪兩排塊體，平鋪塊體頂高程為-2.0m，塊體前采用200～400 kg 拋石棱體掩護(hù)，拋石棱體頂高程為-2.5 m，見圖2、圖3。

圖2 防波堤斷面示意

圖3 護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)

2 物理模型試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《港口工程技術(shù)規(guī)范》及《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用不規(guī)則波，按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型。結(jié)合試驗(yàn)斷面及設(shè)備性能等因素確定模型長(zhǎng)度比尺為λ=32。

時(shí)間比尺：λt=λ1/2

壓強(qiáng)比尺：λp=λ

越浪量比尺：λp=λ2/3

不規(guī)則波波譜取JONSWAP 譜：

式中：

Hs為有效波高（m）；Tp為譜峰值周期（s）；γ為譜峰值參數(shù)，取3.3。

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)80 m、寬1.0 m、高1.5 m，水槽一端安裝不規(guī)則造波機(jī)，另一端設(shè)置消波系統(tǒng)，水槽縱向分為兩部分，一部分鋪設(shè)試驗(yàn)斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。試驗(yàn)中扭王字塊體的擺放按照Rock Manual (2007) 的相關(guān)規(guī)定，采用菱形定點(diǎn)隨機(jī)擺放，相鄰兩個(gè)塊體的擺放方向不同，每個(gè)塊體均保持與下墊層接觸。雙聯(lián)塊體同樣采用定點(diǎn)隨機(jī)擺放方法。護(hù)面塊體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)以塊體滾落或位移累積超過(guò)塊體最大幾何尺度的一半為失穩(wěn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 斷面穩(wěn)定情況

試驗(yàn)主要采用單向不規(guī)則波進(jìn)行。斷面模型試驗(yàn)過(guò)程采用水位順序?yàn)椋涸O(shè)計(jì)低水位→設(shè)計(jì)高水位→極端高水位→設(shè)計(jì)高水位→設(shè)計(jì)低水位。

試驗(yàn)穩(wěn)定情況見表2。

表2 試驗(yàn)穩(wěn)定情況對(duì)比

迎浪側(cè)護(hù)底塊石由于護(hù)底塊石高程相對(duì)較高，護(hù)底塊石上水深相對(duì)較小，且波浪較大，波浪底部流速較大，且波浪在護(hù)底和迎浪面斜坡下部之間破碎，波浪作用強(qiáng)烈。設(shè)計(jì)低水位及相應(yīng)波浪組合作用下，護(hù)底塊石大量滾動(dòng)；設(shè)計(jì)高潮位及極端高潮位時(shí)，塊石少量滾動(dòng)。

迎浪側(cè)拋石棱體在設(shè)計(jì)低水位時(shí)，由于拋石棱體頂高程相對(duì)較高，護(hù)底塊石上水深相對(duì)較小，且波浪較大，波浪底部流速較大，設(shè)計(jì)低水位及相應(yīng)波浪組合作用下，護(hù)底塊石少量滾動(dòng)；設(shè)計(jì)高潮位及極端高潮位時(shí)，塊石個(gè)別滾動(dòng)。

采用扭王字塊體護(hù)面的防波堤斷面，由于大部分波浪在護(hù)底和斜坡之間破碎，波浪對(duì)護(hù)面作用較強(qiáng)，在設(shè)計(jì)高潮位1.8 m 及相應(yīng)波浪組合作用下，迎浪面?zhèn)€別塊體晃動(dòng)；在極端高潮位2.8 m 及相應(yīng)50 年一遇波浪組合作用下，迎浪面?zhèn)€別塊體輕微晃動(dòng)，由于越浪量較大，且越浪形成了成片水體，對(duì)堤后作用較大，堤后個(gè)別塊體晃動(dòng)。

采用雙聯(lián)塊體護(hù)面的防波堤斷面，大部分波浪在護(hù)底和斜坡之間破碎，波浪對(duì)護(hù)面作用較強(qiáng)，在設(shè)計(jì)高潮位1.8 m 及相應(yīng)波浪合作用下，迎浪面?zhèn)€別塊體晃動(dòng)；在極端高潮位2.8 m 及相應(yīng)50 年一遇波浪組合作用下，由于越浪很大，越浪形成成片水體，越浪水體對(duì)堤后護(hù)面塊體作用較大，經(jīng)過(guò)波浪相當(dāng)于原型2 小時(shí)作用后，個(gè)別塊體晃動(dòng)。

3.2 越浪量及堤后波高

設(shè)計(jì)高潮位1.8 m 及相應(yīng)2 年一遇波浪作用下，個(gè)別大波作用時(shí)有浪花飛濺，越浪量很小；設(shè)計(jì)高潮位1.8 m 及相應(yīng)50 年一遇波浪作用下越浪量為0.061 m3/(m·s)，越浪形成成片水體；極端高潮位2.8 m 及相應(yīng) 50 年一遇波浪作用下越浪量為0.151 m3/(m·s)。堤后波高見表3、表4。

表3 設(shè)計(jì)高潮位50 年一遇波浪作用下堤后波高/m

表4 設(shè)計(jì)高潮位2 年一遇波浪作用下堤后波高/m

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某斜坡式防波堤工程實(shí)例，通過(guò)室內(nèi)水槽波浪物理模型試驗(yàn)，研究分別采用雙聯(lián)塊體和扭王字塊體作為護(hù)面結(jié)構(gòu)的防波堤穩(wěn)定性問題等，以及堤后波高及越浪量情況。該模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在不同水位和重現(xiàn)期波浪的連續(xù)作用下，堤身整體及護(hù)面塊體均基本穩(wěn)定。雙聯(lián)塊體與扭王字塊體在穩(wěn)定性上具有同級(jí)別的安全性。

但值得注意的是，該工程區(qū)域?yàn)樯迟|(zhì)海岸，底坡較陡，波浪較大，且長(zhǎng)期處于涌浪作用條件下，應(yīng)考慮一定的安全富裕儲(chǔ)備。同時(shí)，護(hù)面塊體的安放質(zhì)量將會(huì)極大影響防波堤結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定情況，特別是在存在施工作業(yè)條件、人工、設(shè)備受限等因素的地區(qū)，在護(hù)面結(jié)構(gòu)塊體實(shí)施中要嚴(yán)格控制塊體擺放數(shù)量和隨機(jī)安放的鉤聯(lián)效果。