深水直立堤穩(wěn)定性與受力分析試驗(yàn)研究

佟德勝，關(guān)濤，王海龍

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.錦州港股份有限公司，遼寧 錦州 121007；3.東營(yíng)港建設(shè)投資有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257091）

1 概述

隨著我國(guó)船舶大型化、港口設(shè)施深水化日趨發(fā)展，為防御外海波浪對(duì)所掩護(hù)海域侵襲，為船舶停泊作業(yè)提供平穩(wěn)、安全水域，保護(hù)港內(nèi)設(shè)施的防波堤工程亦逐步向深水、浪大地區(qū)延伸。由于國(guó)內(nèi)建造深水防波堤的實(shí)例較少，經(jīng)驗(yàn)不多，現(xiàn)行防波堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)于深水堤設(shè)計(jì)存在某些局限性[1-3]，使得深水防波堤工程在具體設(shè)計(jì)時(shí)缺少支持的依據(jù)。而對(duì)于深水防波堤，環(huán)境復(fù)雜、造價(jià)昂貴、施工難度大，為了適應(yīng)防波堤向深水發(fā)展的需要，通過(guò)研究、分析、歸納波浪對(duì)深水防波堤作用的特點(diǎn)和規(guī)律，確定可行的、合理的防波堤結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今海工技術(shù)領(lǐng)域的主要課題。其研究成果不僅對(duì)深水地區(qū)建造防波堤具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)推動(dòng)海工技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也起著積極的作用。

2 試驗(yàn)研究的依據(jù)和條件

2.1 試驗(yàn)水位與波浪

水位取±0.0 m，其堤前水深與設(shè)計(jì)波高之比為 d/H=2.0～5.0（H=6～10 m），周期 T=8～15 s，試驗(yàn)水位和波浪要素見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)波浪要素

2.2 波浪模擬

不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規(guī)則波試驗(yàn)中，按H1%波高和平均周期進(jìn)行模擬。

3 深水直立堤結(jié)構(gòu)形式

深水直面胸墻沉箱混合堤斷面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。根據(jù)試驗(yàn)條件，選定3種水深、3種基床形式和3種防浪墻高度共20個(gè)斷面進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)確定出合理的直立堤結(jié)構(gòu)形式。表2為不同深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面與波高、周期的組合。

圖1 深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面

表2 不同深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面與波高、周期的組合

4 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

1）在各組水位與不規(guī)則波作用下，觀測(cè)深水沉箱直立堤各部位的穩(wěn)定性及越浪情況；

2）測(cè)定海側(cè)堤頂胸墻及沉箱堤身在各水位與波浪作用下的波壓力，其中包括直面胸墻、沉箱外側(cè)和底板下側(cè)的波壓力強(qiáng)度和總波浪力；

3）在波高H=8.0 m、胸墻頂高程10.0 m的條件下，進(jìn)行不規(guī)則波與規(guī)則波同步對(duì)比試驗(yàn)，量測(cè)胸墻及沉箱上的波浪力；

4）對(duì)波壓力應(yīng)進(jìn)行同步分析，上部胸墻不少于2個(gè)點(diǎn)，直立部分不少于4個(gè)點(diǎn)，底面不少于4個(gè)點(diǎn)；

5）要求分別給出沉箱混合堤在波浪作用下的同步點(diǎn)壓力分布，以及總水平力和總垂直力；

6）理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，并總結(jié)規(guī)律。

5 研究結(jié)果與分析

5.1 不同水深直面胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性及越浪試驗(yàn)

試驗(yàn)是在不同水深條件下，對(duì)3種不同頂高程胸墻、3種不同高度沉箱混合堤斷面的穩(wěn)定性及越浪進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)其進(jìn)行了比較與分析。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

1）深水直面胸墻沉箱混合堤斷面在各種工況及相應(yīng)波浪作用下，波浪在堤前為立波、遠(yuǎn)破波及H=6.0 m（d/H=3.33、4.17）的近破波時(shí)，或者基床上水深為15.0 m、18.0 m時(shí)，堤前4 t扭王字塊體護(hù)面、300～500 kg護(hù)底塊石及相應(yīng)的胸墻沉箱整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)；堤前為H=8.0 m（d/H=2.50、3.13、3.75）的近破波（基床上水深為10.0 m）時(shí)，堤前4 t扭王字塊體護(hù)面（8 t四腳空心方塊）處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，頂高程10.0 m胸墻及10.0 m高度沉箱整體均處于臨界穩(wěn)定和失穩(wěn)狀態(tài)，建議適當(dāng)增大護(hù)面塊體重量，并在斷面設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免近破波的發(fā)生，以確保斷面整體的穩(wěn)定性。

2）深水直面胸墻沉箱混合堤斷面堤頂均有不同程度越浪現(xiàn)象發(fā)生。在相同水深及相應(yīng)波浪作用下，隨著基床上水深d1的增大，相同堤頂越浪水舌厚度逐漸增大。在相同基床上水深d1及相應(yīng)波浪作用下，隨著水深d的增加，相同堤頂越浪水舌厚度逐漸減小。在相同工況條件下，不規(guī)則波作用時(shí)的堤頂越浪水舌厚度均大于規(guī)則波情況。

5.2 不同水深d與不同基床上水深d1下的波浪力試驗(yàn)

不同胸墻沉箱混合堤斷面在水深20 m、25 m、30 m及相應(yīng)波浪作用下，分別量測(cè)了3種不同頂高程直面胸墻及3種不同底高程沉箱的波浪力。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)后文表3和表4。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同混合堤斷面隨著周期T的增大，水平力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總水平力FHmax及垂向浮托力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax逐漸增大，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸減小；相同胸墻不同沉箱混合堤斷面，在相同波浪作用下，隨著基床上水深d1的增大，F(xiàn)Vmax逐漸減小。波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時(shí)，直立堤身受沖擊波壓力作用明顯[4]。

5.3 不同水深d、相同基床上水深d1下的波浪力試驗(yàn)

為表征不同水深d與波高H之比對(duì)波浪力的影響，在相同基床上水深d1（即相同胸墻、沉箱混合堤斷面）條件下，進(jìn)行了測(cè)試分析。

不同頂高程胸墻及不同底高程沉箱混合堤各斷面在不同水深，H13%=4.00 m、T=8～10 s，H13%=5.33 m、T=10～12 s及 H13%=6.67 m、T=11 s、13 s、15 s不規(guī)則波作用下，以及頂高程10.0 m胸墻及3種沉箱混合堤各斷面在H1%=8.0 m、T=10～12 s的規(guī)則波作用下，實(shí)測(cè)不同胸墻沉箱的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin隨d/H的變化趨勢(shì)相同，即KSmin值隨著d/H的增大而增大，見(jiàn)表3。

5.4 相同胸墻頂高程、不同水深d和d1，不規(guī)則波與規(guī)則波作用下的波浪力試驗(yàn)

在胸墻頂高程10.0 m，d1=15.0 m、18.0 m、10.0 m，即沉箱底高程-15.0 m、-18.0 m、-10.0 m的條件下，不同胸墻沉箱混合堤斷面在水深20.0 m、25.0 m及30.0 m，H13%=5.33 m、T=10～12 s的不規(guī)則波作用及H1%=8.0 m、T=10～12 s的規(guī)則波作用下，進(jìn)行了同步波浪力對(duì)比試驗(yàn)。

表3 直面胸墻沉箱混合堤斷面總波浪力理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比（波型：不規(guī)則波）

試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)不同胸墻沉箱的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin隨d/L的變化趨勢(shì)均相同，即KSmin值隨著d/L的增大而增大。波浪在堤前為遠(yuǎn)破波或立波時(shí)，不規(guī)則波對(duì)直立堤的作用稍強(qiáng)于相應(yīng)規(guī)則波；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時(shí)，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波對(duì)直立式防波堤作用稍強(qiáng)于相應(yīng)不規(guī)則波。兩種試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2、胸墻沉箱最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)規(guī)則波與不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果的比較

5.5 直面胸墻沉箱混合堤波浪力理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

關(guān)于波浪對(duì)直立式防波堤的作用力，主要有兩大類計(jì)算方法。第一類是《海港水文規(guī)范》[2]中規(guī)定的方法，它需要首先判別直立堤前的波浪形態(tài)，然后根據(jù)不同的波態(tài)分別選取不同的計(jì)算公式。第二類是目前國(guó)際上比較常用的日本合田良實(shí)提出的方法，其普遍適用性的波浪壓力公式可適用于立波和破碎波等各種波態(tài)[5-6]。故本次分別按照國(guó)內(nèi)《海港水文規(guī)范》有關(guān)直立式防波堤波浪力計(jì)算方法和直立式防波堤合田良實(shí)“新波浪力計(jì)算法”公式進(jìn)行理論計(jì)算，以與試驗(yàn)結(jié)果比較。關(guān)于兩種理論計(jì)算方法及公式不再一一闡述。

由于直面胸墻沉箱迎浪面各點(diǎn)取最大波壓力進(jìn)行合成總波浪力時(shí)，其各點(diǎn)最大波浪力存在相位差，其規(guī)律不符合實(shí)際。故本次研究中總波浪力理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，取各點(diǎn)波壓力進(jìn)行同步分析，即水平力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總水平力FHmax、垂向浮托力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS理論計(jì)算（見(jiàn)下式）與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，取實(shí)測(cè)最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin；波壓力強(qiáng)度與理論計(jì)算對(duì)比時(shí)，取實(shí)測(cè)各點(diǎn)最大波壓力強(qiáng)度。

兩種理論計(jì)算方法的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS計(jì)算公式如下：

式中：W為胸墻沉箱整體水下重量，t/m；k為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.6；FH為總水平力，kN/m；FV為浮托力，kN/m。

按《海港水文規(guī)范》計(jì)算波浪力時(shí)，H=6.0 m、T=8～10 s，H=8.0 m、T=10～12 s，H=10.0 m、T=11 s、13 s、15 s。

按合田良實(shí)“新波壓力計(jì)算公式”計(jì)算波浪力時(shí)，H13%取值見(jiàn)前述表1。

5.5.1 不同水深d、相同基床上水深d1時(shí)的對(duì)比

本文給出了部分實(shí)測(cè)直面胸墻沉箱混合堤各斷面水平力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總水平力FHmax、垂向浮托力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小時(shí)刻KSmin的試驗(yàn)結(jié)果與分別按《海港水文規(guī)范》、合田良實(shí)“新波壓力計(jì)算公式”理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，見(jiàn)前述表3。

實(shí)測(cè)直面胸墻沉箱迎浪面靜水位處、迎浪面最底端測(cè)點(diǎn)及沉箱底面最前面測(cè)點(diǎn)的最大波浪力試驗(yàn)結(jié)果與分別按《海港水文規(guī)范》、合田良實(shí)“新波壓力計(jì)算公式”理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，見(jiàn)表4。

實(shí)測(cè)最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin和兩種方法計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS與d/L之間變化曲線的對(duì)比，見(jiàn)圖3。

圖3 胸墻沉箱抗滑穩(wěn)定系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

表4 直面胸墻沉箱混合堤斷面波壓力強(qiáng)度理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

1）當(dāng)?shù)糖八頳相同時(shí)，實(shí)測(cè)同一混合堤斷面胸墻沉箱各點(diǎn)波壓力及總水平力FHmax、總垂直力FVmax隨著定值波高其周期的增大而增大，且KSmin隨d/L的變化趨勢(shì)均相同，即KSmin值均隨著d/L的增大而增大，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸減小，其規(guī)律同規(guī)范公式與合田公式計(jì)算結(jié)果，而合田公式規(guī)律性較明顯。

2）相同頂高程胸墻及相同沉箱（即d1相同）隨著堤前水深d的增大，實(shí)測(cè)各點(diǎn)波壓力及總水平力FHmax和總垂直力FVmax均逐漸減小，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸增大，合田公式規(guī)律與實(shí)測(cè)值相同，規(guī)范公式規(guī)律不太明顯?？傮w上，當(dāng)墻前為立波、遠(yuǎn)破波時(shí)，各點(diǎn)波壓力及總波浪力實(shí)測(cè)值均相應(yīng)小于兩種方法計(jì)算值，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin相應(yīng)要比兩種方法計(jì)算值大，其中合田公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差異較??；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時(shí)，各點(diǎn)波壓力及FHmax和FVmax實(shí)測(cè)值幾乎都比兩種方法計(jì)算值大，KSmin實(shí)測(cè)值小于兩種方法計(jì)算結(jié)果，與立波、遠(yuǎn)破波工況時(shí)實(shí)測(cè)值、計(jì)算值的對(duì)比規(guī)律相反。

3）在相同工況條件下，波浪在堤前為遠(yuǎn)破波或立波時(shí)，規(guī)則波的波壓強(qiáng)和總波浪力實(shí)測(cè)值要稍小于不規(guī)則波實(shí)測(cè)結(jié)果；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時(shí)，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波的實(shí)測(cè)結(jié)果相應(yīng)大于不規(guī)則波測(cè)值。

5.5.2 相同水深d、不同基床上水深d1時(shí)的對(duì)比

當(dāng)?shù)糖八頳相同時(shí)，相同頂高程胸墻不同底高程沉箱（d1不同）混合堤斷面在相同波浪作用下，各點(diǎn)波壓力及垂向浮托力最大時(shí)刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax實(shí)測(cè)值均隨著基床上水深d1的增大逐漸減小，用規(guī)范公式與合田公式的兩種計(jì)算結(jié)果的規(guī)律性與實(shí)測(cè)值規(guī)律性基本上相符，而合田公式規(guī)律性較明顯。

總體上，當(dāng)墻前為立波、遠(yuǎn)破波時(shí)，各測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)與FVmax實(shí)測(cè)值均相應(yīng)小于兩種方法計(jì)算值，而合田公式與實(shí)測(cè)值差異較小；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時(shí)，各測(cè)點(diǎn)波壓強(qiáng)與FVmax實(shí)測(cè)值幾乎都相應(yīng)大于兩種方法計(jì)算值。

5.5.3 不同水深d、不同基床上水深d1時(shí)的對(duì)比

將兩種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

1）相同混合堤斷面在不同水深，墻前為立波、遠(yuǎn)破波時(shí)，實(shí)測(cè)胸墻沉箱最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin規(guī)則波與不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果符合的很好，如前述圖2所示。

2）當(dāng)墻前為立波、遠(yuǎn)破波時(shí)，胸墻沉箱抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS、總水平力FH、浮托力FV計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合，而合田計(jì)算結(jié)果符合程度較好；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時(shí)，合田計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合程度相對(duì)較差一些，而規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不相符[4，7]，見(jiàn)圖4、圖5和圖6所示。

圖4 總水平力規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

圖5 總水平力合田計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

圖6 浮托力合田計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

6 結(jié)語(yǔ)

1）當(dāng)?shù)糖八頳不變，基床頂面水深d1逐漸增大時(shí)，在相同波浪作用下，明基床的護(hù)肩、護(hù)坡塊體重量可相應(yīng)減?。?/p>

當(dāng)?shù)糖八頳逐漸增大，基床頂面水深d1不變時(shí)，在相同波浪作用下，波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時(shí)，明基床的護(hù)肩、護(hù)坡工況條件變差，塊體重量則相應(yīng)增大；

近破波一般出現(xiàn)在拋石基床相對(duì)較高時(shí)，它具有很大的沖擊性，對(duì)直墻的安全和穩(wěn)定的威脅也較大。

2）在相同波浪作用下，隨著水深d或基床上水深d1的增大，即由淺向深變化時(shí)，其波浪力的作用趨勢(shì)是逐漸減小的。

3）波浪在堤前為遠(yuǎn)破波或立波時(shí)，不規(guī)則波對(duì)直立堤的作用稍強(qiáng)于相應(yīng)規(guī)則波；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時(shí)，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波對(duì)直立式防波堤作用稍強(qiáng)于相應(yīng)不規(guī)則波。

4）在同一水深d及相應(yīng)波浪作用下，KSmin隨d/L的變化趨勢(shì)均相同，即KSmin值均隨著d/L的增大而增大；其規(guī)律同規(guī)范公式與合田公式計(jì)算結(jié)果，而合田公式規(guī)律性較明顯。

5）墻前為立波、遠(yuǎn)破波時(shí)，各點(diǎn)波壓力、總波浪力實(shí)測(cè)值均比規(guī)范和合田方法計(jì)算值小，而合田公式差異較??；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時(shí)，各點(diǎn)波壓力、總波浪力實(shí)測(cè)值與兩種方法計(jì)算值的對(duì)比規(guī)律相反于立波、遠(yuǎn)破波工況。

6）本研究成果中歸納、總結(jié)的深水直立堤設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)已作為修訂《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[3]的參考依據(jù)，它為進(jìn)一步完善防波堤設(shè)計(jì)規(guī)范提供了科學(xué)的技術(shù)支持，修訂、完善后的《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》將廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]JTJ 213—98，海港水文規(guī)范[S].

[3]JTJ 298—98，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[4]佟德勝.深水直面胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性與受力分析試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2008.

[5]合田良實(shí).港口建筑物的防浪設(shè)計(jì)[M].劉大中，譯.北京：海洋出版社，1984.

[6]李玉成，滕斌.波浪對(duì)海上建筑的作用[M].北京：海洋出版社，2002.

[7]佟德勝.深水曲面及削角胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性與波浪力試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：天津港灣工程研究所，2005.