深水斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)形式及護面塊體穩(wěn)定性試驗研究

柳玉良，李賀青，唐筱寧，王海峰

（海軍工程設計研究院，山東 青島 266100）

1 概述

在以往的港口工程中，大多數(shù)的防波堤都建在-10～-15 m左右水深處，斜坡式防波堤護面在無特殊要求時，迎浪面一般都采取用同一重量的人工塊體一護到底，港內(nèi)側(cè)護面塊體有時僅護到水位以下一定深度處。這主要是由于水深相對較淺，迎浪側(cè)1倍波高水深以下范圍已經(jīng)很小，換一種重量的塊體做護面其經(jīng)濟意義已經(jīng)不大，甚至還會增加施工成本，故以往設計的防波堤，內(nèi)、外側(cè)護面也多采用同一種塊體一護到底的形式。

但是，隨著船舶大型化和深水港建設的發(fā)展，防波堤的建設水深已經(jīng)擴展到-20～-40 m，甚至更深的水域。深水斜坡堤的斷面越來越大，設計水位以下還有幾十米的深度，如果仍采用同一種重量的塊體一護到底的結(jié)構(gòu)形式，顯然不夠合理。這是因為在一定深度以下，波能已經(jīng)減弱，已不再需要像靜水位附近那樣采用很大重量的護面塊體了。

我國現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTJ 298—98《防波堤設計與施工規(guī)范》[1]中4.2.12條有相應的規(guī)定：外坡在設計低水位以下1.0～1.5倍設計波高之間的護面塊體重量可取按式 W =0.1（即Hudson公式）確定的塊體重量的1/5。但在近年來一些深水大型港口的防波堤設計中發(fā)現(xiàn)，按照規(guī)范確定的這部分塊體的重量，在波浪物理模型試驗中不能滿足穩(wěn)定性要求，而需提高塊體自重，至于增加多少合適只能通過物模試驗來確定，并沒有一個明確的標準作為設計依據(jù)。

深水斜坡式防波堤的結(jié)構(gòu)形式選擇，以及從設計低水位起算-1.0～1.5倍波高以下部分護面塊體穩(wěn)定重量的估算，已成為深水斜坡堤設計中所關(guān)注的課題。鑒于以往的工程實踐較少，對這種復合結(jié)構(gòu)斷面的穩(wěn)定性也很少研究，而且也沒有成熟的設計計算方法可供使用，為滿足深水防波堤建設的客觀需求，開展這項研究是非常必要的。

2 斜坡堤的結(jié)構(gòu)形式

本文所研究防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，靜水位附近護面塊體的穩(wěn)定重量按規(guī)范計算采用較大的扭王字塊體護面，不作為研究內(nèi)容，研究對象位于靜水位以下一定深度處護面塊體的穩(wěn)定性，試驗中分別選用48 g及32 g扭王字塊體和37 g的扭工字塊體。斷面一及斷面二從戧臺平面開始往下均為減小重量的同種塊體，斷面三減小重量的塊體僅設在戧臺以下，戧臺平段及護肩仍采用大塊體，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖1～圖3。扭王字塊體護面為單層隨機安放，扭工字塊體為兩層隨機安放，試驗過程中堤頂基本不越浪。

圖1 試驗研究防波堤斷面一

圖2 試驗研究防波堤斷面二

圖3 試驗研究防波堤斷面三

3 試驗研究方法

試驗是在長86 m、寬1.4 m、高2.6 m的室內(nèi)不規(guī)則波水槽中進行，斜坡堤模型設置在分隔出的0.8 m寬部分，試驗中采用了入、反射波分離技術(shù)，以使入射波浪長時間作用保持穩(wěn)定。

不規(guī)則波采用JONSWAP譜進行模擬，其譜方程如下[2]：

式中：H1/3為有效波高，m；

式中：Tp為譜峰周期，s，

式中：γ為譜峰升高因子，取3.3。

語文實踐無處不在，無時不有。將實踐與課堂教學隔離開來是片面的，錯誤的。課堂上教師要有意識地引導學生質(zhì)疑，讓學生從無疑處生疑。教學蘇教版第十一冊《積累運用1》中的《望洞庭》時，我讓學生在自讀的基礎上說理解，提問題。有一位同學提出“為什么作者說‘鏡未磨’呢？”初看平常，“鏡未磨”的意思就是沒有磨過的鏡子；細細體會，如僅僅是說湖面平靜，比作鏡子即可，又何必說“未磨”呢？接下來我們一起就這個問題展開了討論。學生品讀詩句，互相啟發(fā)，積極發(fā)言。最后體會到作者用“鏡未磨”來比喻月光下的湖面是很準確的，更能表現(xiàn)月光下的洞庭湖獨特的美。不難看出，質(zhì)疑交流是培養(yǎng)學生實踐能力，提高語文素養(yǎng)的重要途徑。

試驗波浪要素見表1。

表1 試驗波浪要素

試驗是在變化波高，并同時調(diào)整戧臺高程的條件下進行的。每一組試驗均保持戧臺上水深與波高的相對關(guān)系。對每一波高又進行了不同周期組次的穩(wěn)定性試驗，臨界穩(wěn)定波高及相應的KD值是根據(jù)不同波高和不同周期條件下的系列試驗獲得的。

4 試驗結(jié)果及分析

通過對防波堤各研究斷面進行穩(wěn)定性觀測，采集護面塊體失穩(wěn)數(shù)據(jù)，確定其臨界穩(wěn)定狀態(tài)所對應的波高值，再利用Hudson公式計算出塊體穩(wěn)定系數(shù)KD。推薦設計采用的KD值考慮了一定的安全度，取值均小于臨界值。各斷面試驗結(jié)果詳見表2。

表2 各斷面試驗結(jié)果

從實測結(jié)果看，防波堤結(jié)構(gòu)斷面一戧臺頂高程設置在靜水位以下1.5倍波高處時，塊體穩(wěn)定性較差，原因是戧臺水平面與斜坡面連接處塊體間嵌固作用較弱，塊體發(fā)生失穩(wěn)破壞首先從這一位置開始，而且，一旦出現(xiàn)塊體失穩(wěn)，導致大面積破壞的概率非常大，因為坡肩及戧臺平面上塊體的狀態(tài)及受力與坡面上完全不同，相互之間連接比較松散、相互間的嵌固作用較小，穩(wěn)定性很差。個別塊體失穩(wěn)后，沒有自我修復能力，易引起大面積的破壞。有研究表明，如果護面塊體放置于傾斜度逐漸加大的斜面上，塊體間的相互嚙合作用會逐漸增強，護面塊體的穩(wěn)定性也隨之增強[3]。

水面附近護面塊體的穩(wěn)定重量計算按規(guī)范規(guī)定KD值取18，斷面一戧臺位置護面塊體的臨界穩(wěn)定系數(shù)為25，其穩(wěn)定重量與上部相比小的有限，以此來確定整個下部坡面護面塊體顯然是很不經(jīng)濟的，故將戧臺頂高程降低至靜水位以下2.0倍波高處，進行了斷面二的穩(wěn)定性試驗。根據(jù)斷面二試驗觀測結(jié)果，計算戧臺及以下塊體的穩(wěn)定重量，穩(wěn)定系數(shù)KD可取30，也就是說，當確定靜水位上下1倍波高范圍內(nèi)塊體穩(wěn)定重量時，KD值取18，戧臺及以下塊體可以取水位附近塊體重量的0.6倍。

試驗斷面三針對斷面一存在的問題進行了優(yōu)化。研究對象為戧臺以下坡面上的32 g扭王字塊體及37 g扭工字塊體的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明，斷面三的結(jié)構(gòu)形式較為經(jīng)濟合理，戧臺以下坡面上的護面塊體穩(wěn)定性較好。當戧臺頂高程設在靜水位以下1.5倍波高處時，計算下部坡面上扭王字塊體的穩(wěn)定重量時KD值可取72，即取靜水位附近護面塊體重量的1/4。當戧臺頂高程設在靜水位以下1.0倍波高處時，計算下部坡面上扭王字塊體的穩(wěn)定重量KD值可取54，即取靜水位附近護面塊體重量的1/3；采用扭工字塊體護面時，因為是兩層安放，容許有1%的失穩(wěn)率，計算穩(wěn)定重量KD可取36，1.0倍波高以下的扭工字塊體重量取靜水位附近護面塊體重量的1/2即可滿足穩(wěn)定性要求。

5 深水斜坡式防波堤設計計算方法

5.1 戧臺頂高程的設計

5.2 戧臺以下護面塊體穩(wěn)定重量的設計

1）深水斜坡堤設計中若采用本研究中斷面一的結(jié)構(gòu)形式，戧臺上及戧臺以下坡面的塊體重量不宜小于上部護面塊體，我們不建議采用這種結(jié)構(gòu)形式。如要采用，戧臺頂高程不宜高于靜水位下2倍波高（斷面二），扭王字塊體重量僅能減小至上部護面塊體重量的0.6倍。

2）深水斜坡式防波堤設計宜采用本研究中斷面三的結(jié)構(gòu)形式。在波浪正向作用下，且堤前波浪不破碎，防波堤戧臺以下護面塊體的穩(wěn)定重量仍可按公式W=0.1計算，但根據(jù)不同情況，KD取值應有所區(qū)別。

斜坡堤戧臺位于靜水位下1.0倍設計波高處，戧臺以下坡面采用扭王字塊體。計算靜水位上、下一倍波高之間的護面塊體穩(wěn)定重量時塊體穩(wěn)定系數(shù)KD=18，確定戧臺以下扭王字塊體穩(wěn)定重量時，KD值可取54，即戧臺以下塊體重量取上部塊體重量的1/3。

若戧臺高程降低至靜水位下1.5倍設計波高處，相應KD值可取72，即戧臺以下塊體重量可取上部塊體重量的1/4。

斜坡堤戧臺位于靜水位下1.0倍有效波高處，戧臺以下坡面采用兩層扭工字塊體時，可允許有少量塊體失穩(wěn)，個別塊體的失穩(wěn)并不影響整個護面的穩(wěn)定性。計算設計水位附近護面塊體穩(wěn)定重量時仍采用KD=18，戧臺以下扭工字塊體允許失穩(wěn)率為1%時，確定其穩(wěn)定重量KD值可取36，即戧臺以下塊體重量取上部塊體重量的1/2。

在本試驗研究過程中發(fā)現(xiàn)，在相同的結(jié)構(gòu)斷面中（斷面三），重量相近的扭工字塊體比扭王字塊體穩(wěn)定性差，因此計算兩種塊體穩(wěn)定重量時不宜采用相同的穩(wěn)定系數(shù)。

6 結(jié)語

本文所研究的防波堤，護面塊體選用了工程中較常用的扭王字塊體和扭工字塊體，斷面結(jié)構(gòu)是較典型的帶戧臺形式，因此，本文推薦的深水防波堤設計計算方法對類似工程的設計計算具有很好的參考意義，但具體工程都有其特殊性和復雜性，應根據(jù)實際情況分析處理，必要時通過物模試驗選擇確定。

[1]JTJ 298—98，防波堤設計與施工規(guī)范[S].

[2]俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社,2002.

[3][美]赫爾別克.海岸及海洋工程手冊[M].李玉成，陳士蔭，俞聿修，譯.大連：大連理工大學出版社，1992.

[4]陳萬佳.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，1989.