海堤前特殊地形對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定性影響及對(duì)策

戈龍仔，劉海源，欒英妮

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

海堤前特殊地形對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定性影響及對(duì)策

戈龍仔，劉海源，欒英妮

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

通過(guò)在波浪水槽內(nèi)對(duì)海堤護(hù)面塊體穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在堤前存在特殊地形的條件下，波浪傳播該區(qū)域后發(fā)生變形、破碎，形成的波能集中沖擊范圍內(nèi)護(hù)腳人工塊體，導(dǎo)致其失穩(wěn)，進(jìn)而使斷面上整個(gè)護(hù)面塊體向海側(cè)滑移失穩(wěn)。文章分析了塊體失穩(wěn)原因和影響因素，并從設(shè)計(jì)角度提出多種針對(duì)特殊地形下人工塊體失穩(wěn)的改善措施。

特殊地形；物理模型試驗(yàn)；波浪破碎；塊體穩(wěn)定性；工程措施

Biography：GE Long?zai（1977-）,male,associate professor.

在以往傳統(tǒng)的水槽波浪斷面物理模型試驗(yàn)中，考慮斷面波浪正向入射和試驗(yàn)水槽場(chǎng)地規(guī)模限制，以及在設(shè)計(jì)院所提供的斷面結(jié)構(gòu)圖顯示，大部分防波堤、護(hù)岸工程斷面前地形變化一般較小，且多數(shù)地形為泥或者沙，因此在試驗(yàn)時(shí)一般直接在波浪水槽平底上進(jìn)行塊體穩(wěn)定性的驗(yàn)證，很少模擬堤前帶地形的變化。在2011年臺(tái)風(fēng)浪“梅花”大連登陸后，大連海岸線有部分護(hù)岸工程出現(xiàn)人工塊體出現(xiàn)破損失穩(wěn)，并從護(hù)岸破壞的檢測(cè)報(bào)告上表明，大量塊體均出現(xiàn)向海側(cè)滑移滾落而發(fā)生破壞，根據(jù)其斷面破壞原因分析，發(fā)現(xiàn)大部分破壞的護(hù)岸斷面均建立在有一定坡度基巖的特殊地形上，在臺(tái)風(fēng)浪“梅花”長(zhǎng)周期波（原型觀測(cè)到平均周期約11.0 s）作用下，波浪傳至近岸，發(fā)生淺水變形波浪迅速增加產(chǎn)生破碎，破波作用最后導(dǎo)致護(hù)面塊體被帶至海側(cè)而失穩(wěn)。且試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在加大人工塊體重量滿足設(shè)計(jì)波浪作用的情況下，因堤前特殊地形的影響，坡腳塊體仍失穩(wěn)，說(shuō)明地形對(duì)塊體穩(wěn)定性影響明顯。本文通過(guò)在波浪水槽中，模擬堤前帶特殊地形［1］對(duì)大連新港沙坨子圍堰加固改造工程原設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行試驗(yàn)，復(fù)演了護(hù)岸斷面破壞這一過(guò)程，分析特殊地形下破壞塊體的破壞機(jī)理，最后通過(guò)加大壓腳塊體重量和延長(zhǎng)護(hù)底長(zhǎng)度，以及開(kāi)挖不同深度基坑等多種修改和優(yōu)化措施，找到能使該類型護(hù)岸斷面塊體穩(wěn)定的對(duì)策。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)護(hù)岸破壞及試驗(yàn)中不同方案的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，對(duì)于堤前存在特殊地形變化對(duì)塊體的穩(wěn)定性影響較大，需引起工程設(shè)計(jì)重視，必要時(shí)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)的驗(yàn)證和得出對(duì)應(yīng)改善措施，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

1 模型試驗(yàn)概述

試驗(yàn)為大連港新港港區(qū)沙坨子海域回填及圍堰工程，原設(shè)計(jì)斷面堤前泥面高程為-7.0 m，堤頂高程為+9.5 m，采用5 t扭王字塊護(hù)面，護(hù)面坡度1：1.5；護(hù)底均采用300～500 kg塊石，斷面前地形坡度為1：10～1：15，具體結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1.0 m，高1.5 m。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作，試驗(yàn)比尺選擇為λ=30，力比尺為λF=27 000，時(shí)間比尺為λt=5.48，模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則，模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法、步驟均嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行［2-4］。試驗(yàn)波要素見(jiàn)表1，另外考慮到臺(tái)風(fēng)浪因素，試驗(yàn)中增加平均周期11 s、13 s。試驗(yàn)采用單向不規(guī)則波，譜型為JONSWAP譜［5］。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

在各水位波浪作用下，波浪傳播至堤前帶斜坡的特殊地形后，發(fā)生明顯的淺水變形，波陡變大，最終導(dǎo)致波浪在堤前發(fā)生卷破，卷破波正好沖擊作用5 t扭王字塊護(hù)面與300～500 kg護(hù)底塊石連接位置，連續(xù)作用1 h（原體值，下同），300～500 kg塊石被帶至5 t扭王字塊護(hù)面斜坡上，同時(shí)5 t扭王字塊被帶至海側(cè)滾落失穩(wěn)，破壞形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)破壞斷面形式基本相同，波浪卷破、模型塊體破壞形態(tài)見(jiàn)圖2。

圖1 護(hù)岸斷面結(jié)構(gòu)詳圖Fig.1 Sketch of cross?section of revetment

表1 試驗(yàn)波浪要素Tab.1 Wave parameters of model test

圖2 波浪卷破及塊體破壞失穩(wěn)情況Fig.2 Situation of wave breaking and unstability of armor block

參考《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》JTS154-1-2011規(guī)定，在給定設(shè)計(jì)波要素的條件，對(duì)失穩(wěn)斷面的護(hù)面塊體穩(wěn)定重量進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算式如下

式中：W為單個(gè)塊體的重量，t；棱體塊石重量按照規(guī)范規(guī)定取該值的0.3～0.4倍，本次取0.3;γb為塊體材料的重度，kN/m3；護(hù)面塊體取23，棱體塊石取26.5；H為設(shè)計(jì)波高，m；護(hù)面塊體計(jì)算取H5%，棱體塊石計(jì)算取H13%；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)，可按表查詢，護(hù)面塊體計(jì)算取18，棱體塊石計(jì)算取4.0；α為斜坡與水平的夾角；γ為水的重度，kN/m3，取10.25。

采用式（1），計(jì)算得到不同水位波浪作用下護(hù)面塊體、棱體塊石重量結(jié)果見(jiàn)表2，從表2護(hù)面塊體重量可知，除極端低水位波浪作用下，設(shè)計(jì)斷面塊體重量能滿足要求外，其余均超設(shè)計(jì)塊體重量，因此塊體重量不足也是導(dǎo)致失穩(wěn)的原因。而對(duì)于棱體塊石，則全部不滿足要求。

表2 不同水位波浪作用下護(hù)面塊體、棱體塊石重量Tab.2 Weight of armor block and prism stone under different water levels and wave action

根據(jù)上述原設(shè)計(jì)斷面破壞的形態(tài)，按照加大護(hù)面塊體、坡腳棱體重量思路［6-8］，提出修復(fù)加固方案。

（1）修復(fù)加固方案1：在原5 t扭王字塊上加安一層10 t扭王字塊，外坡坡比維持原坡比1：1.5，另外在300～500 kg護(hù)底塊石平臺(tái)安放扭王字塊，縮短護(hù)底塊石寬度，其他與原設(shè)計(jì)相同。試驗(yàn)結(jié)果表明：在卷破波沖擊作用下，護(hù)面10 t扭王字塊滾落海側(cè)，失穩(wěn)。

（2）修復(fù)加固方案2：由修復(fù)加固方案1試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然10 t護(hù)面塊體重量能滿足入射波浪的沖擊作用，但因基巖斜坡上棱體塊石失穩(wěn)，從而導(dǎo)致整個(gè)護(hù)面塊體滑移失穩(wěn)。因此提出仍采用10 t扭王字塊護(hù)面，但在+5.45 m高程處（即護(hù)面塊體1：1.5斜坡）設(shè)置寬度為11.1 m的護(hù)面肩臺(tái)，另外護(hù)底采用2排10 t扭王字塊體，且直接置于海底巖基斜坡上，取消300～500 kg護(hù)底塊石（圖3）。試驗(yàn)結(jié)果表明：斷面仍失穩(wěn)。主要因坡腳處扭王字塊直接安放在基巖上，其本身自重沿海側(cè)方向產(chǎn)生一個(gè)向下的分力，從而使自重本身減弱，另外塊體間咬合嵌固及與基巖的摩擦也相應(yīng)減弱，因此波谷作用時(shí)，加速塊體向海側(cè)滑移，導(dǎo)致護(hù)面整體滑移［9-10］。

圖3 修復(fù)加固方案2結(jié)構(gòu)詳圖Fig.3 Sketch of modified and reinforcement case 2

圖4 修復(fù)加固方案3結(jié)構(gòu)詳圖Fig.4 Sketch of modified and reinforcement case 3

圖5 修復(fù)加固方案4結(jié)構(gòu)詳圖Fig.5 Sketch of modified and reinforcement case 4

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)因護(hù)底塊體滾落，而導(dǎo)致整個(gè)斷面失穩(wěn)，對(duì)此在該方案基礎(chǔ)上繼續(xù)加大2排護(hù)腳扭王字塊的重量，用以加強(qiáng)其支撐作用。即分別加大至16 t和30 t扭王字塊，甚至直接采用混凝土壓腳塊（方塊長(zhǎng)3.84 m（原體值），寬3.84 m，厚2.1 m，居中為一直徑1.8 m的空心圓柱，單個(gè)塊體重量為59 t），結(jié)果表明：在波谷作用下，16 t、30 t扭王字塊和混凝土壓腳塊體仍整體向海側(cè)滑移失穩(wěn)。說(shuō)明在該區(qū)域特殊地形影響和波谷拖曳力作用下，直接安放人工塊體，難以使斷面得以穩(wěn)定。

（3）修復(fù)加固方案3：針對(duì)波浪作用下塊體向海側(cè)滑移，因此在坡腳采用炸礁形成的基槽方式，在基槽中安放兩排13 t扭王字塊體作為護(hù)底（圖4），從而對(duì)人工塊體增加一個(gè)向岸支撐力。試驗(yàn)結(jié)果表明：各水位波浪作用下，斷面各部均能穩(wěn)定。

但考慮到工程實(shí)際情況，若采用修復(fù)加固方案3即炸礁形成基坑可能對(duì)原斷面整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，以及后期施工難度大，因此設(shè)計(jì)提出采取其他措施，但采用堤前基坑方式是有效保證塊體整體滑移方式。

（4）修復(fù)加固方案4：根據(jù)修復(fù)加固方案2各種重量塊體失穩(wěn)的形態(tài)，因此增加塊體護(hù)底長(zhǎng)度，即由2排10 t扭王字塊體增加至10排（即方式一，圖5）。試驗(yàn)結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)波要素波浪作用下，則穩(wěn)定，但加長(zhǎng)周期至11 s時(shí)，波谷在回落過(guò)程中，由于波浪水平拖曳力加大。靠海側(cè)第一排扭王字塊有一塊向海側(cè)滾落失穩(wěn)。

因此在方式一失穩(wěn)斷面基礎(chǔ)上，將前兩排人工塊體重量由10 t加至16 t（即方式二），在設(shè)計(jì)和加長(zhǎng)周期至11 s條件下，斷面穩(wěn)定，但再加大周期至13 s時(shí)，波浪連續(xù)作用0.5 h，靠海側(cè)第一排16 t扭王字塊護(hù)底有2塊向海側(cè)翻滾而失穩(wěn)。最終采用30 t扭王字塊替換靠海側(cè)前兩排的16 t扭王字塊（即方式三）進(jìn)行試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)波高和加長(zhǎng)周期條件下，斷面各部分均能保持穩(wěn)定。

由試驗(yàn)結(jié)果表明加固方案3（方式三），斷面穩(wěn)定，但工程上為節(jié)省加固修復(fù)成本，從設(shè)計(jì)角度上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，提出進(jìn)一步優(yōu)化加固方案。

（5）優(yōu)化加固方案1：考慮縮短護(hù)腳扭王字塊排數(shù)，由10排扭王字塊縮短為7排，且靠近海側(cè)前兩排首先仍考慮為16 t扭王字塊（即優(yōu)化方案一），試驗(yàn)結(jié)果表明：在波浪作用下，尤其波谷作用下，靠海側(cè)第一排16 t扭王字塊向海側(cè)翻滾失穩(wěn)。

（6）優(yōu)化加固方案2：由10排扭王字塊縮短為2排，且全部采用30 t扭王字塊進(jìn)行護(hù)底，試驗(yàn)結(jié)果表明：在波浪作用下，仍出現(xiàn)晃動(dòng)，但沒(méi)有滾落和跳出，仍判定其臨界穩(wěn)定。

綜上，由于堤前地形的影響，導(dǎo)致波浪形態(tài)和水流流態(tài)紊亂［11］，通過(guò)多種改善和優(yōu)化措施找到經(jīng)濟(jì)合理加固方案，另外上述10余種修改措施和塊體穩(wěn)定性結(jié)果計(jì)算也表明，對(duì)于復(fù)雜波態(tài)條件下，即使在加大人工塊體重量滿足設(shè)計(jì)波浪作用的情況下，因堤前特殊地形的影響，坡腳塊體仍失穩(wěn)，在此顯示物理模型的必要性。

圖6 不同加固方案，波浪作用護(hù)面塊體破壞失穩(wěn)情況Fig.6 Situation about armor block stability in different modification cases

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)波浪水槽試驗(yàn)中堤前帶特殊地形對(duì)護(hù)面塊體穩(wěn)定性和改善措施的試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）堤前特殊地形對(duì)入射波產(chǎn)生變形，導(dǎo)致在堤前發(fā)生卷破，形成復(fù)雜波態(tài)，沖擊護(hù)腳塊體，尤其波谷時(shí)表現(xiàn)明顯，影響了塊體穩(wěn)定性。

（2）由斷面護(hù)面塊體失穩(wěn)形態(tài)可知，堤前地形和破碎產(chǎn)生的較強(qiáng)浮托力和挾帶力是造成護(hù)腳塊體失穩(wěn)的主要原因。

（3）針對(duì)堤前帶特殊地形對(duì)護(hù)腳塊體穩(wěn)定性影響，通過(guò)試驗(yàn)提出多種改善措施，可采用坡腳開(kāi)挖基槽，以及適當(dāng)延長(zhǎng)護(hù)腳塊體寬度和加重塊體重量等。且開(kāi)挖措施效果明顯，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

（4）因堤前特殊地形的影響，即使在加大人工塊體重量滿足設(shè)計(jì)波浪作用的情況下，坡腳塊體仍失穩(wěn)，在此顯示物理模型的必要性。

（5）本研究再次說(shuō)明水運(yùn)工程中采用物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的重要性，在某些情況下，模型試驗(yàn)可能是有效解決問(wèn)題的唯一手段。

［1］天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.大連港礦石碼頭#2堆場(chǎng)護(hù)岸修復(fù)工程斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2012.

［2］JTS154-1-2011,防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

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

［4］JTJ 213-98,海港水文規(guī)范［S］.

［5］俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社,2002.

［6］戈龍仔,王國(guó)增,鄭子龍.京唐港第四港池?fù)跎车虜嗝娣€(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.水道港口，2011,2（1）：28-32.

GE L Z,WANG G Z,ZHENG Z L.Study on cross?sectional stability of harbor basin No.4 in Jingtang Port［J］.Journal of Waterway and Harbor,2011,2（1）：28-32.

［7］毛昶熙,段祥寶,毛佩郁.海堤護(hù)坡塊體的穩(wěn)定性分析［J］.水利學(xué)報(bào),2000（8）：32-38.

MAO C X,DUAN X,MAO P Y.Analysis on stability of revetment block in sea dyke［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2000（8）：32-38.

［8］鄭子龍,劉海源,戈龍仔.青島造船廠寬肩臺(tái)式防波堤穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.水道港口,2011,2（1）：38-42.

ZHENG Z L,LIU H Y,GE L Z.Stability experiment research on berm breakwater in Qingdao shipyard［J］.Journal of Waterway and Harbor,2011,2（1）：38-42.

［9］張娜,于世廣,喬光全.復(fù)雜地形條件下波浪爬坡數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)港灣建,2011,2（1）：36-40.

ZHANG N,YU S G,QIAO G Q.Wave Numerical Simulation Study on Wave Run?up Considered Complicated Terrain［J］.China Harbour Engineering,2011,2（1）：36-40.

［10］曹玉芬,陳漢寶,孟祥瑋.塊石在水流作用下的穩(wěn)定性研究［J］.水道港口,2009,10（5）：320-324.

CAO Y F,CHEN H B,MENG X W.Study on stability of stone under current action［J］.Journal of Waterway and Harbor,2009,10（5）：320-324.

［11］夏運(yùn)強(qiáng),荊勇,王綠卿.波浪渦漩對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響及對(duì)策［J］.港工技術(shù),2010,6（3）：13-15.

XIA Y Q,JING Y,WANG L Q.Influences of Wave Vortex on Stability of Marine Structure and Countermeasures［J］.Port Engi?neering Technology,2010,6（3）：13-15.

Influence of complex terrain in front of seawall on armor block stability and its countermeasures

GE Long?zai，LIU Hai?yuan，LUAN Ying?ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Based on physical model test of armor block in wave flumes,it is found that deformation and break?ing of waves occur under the condition of special terrain.Then the artificial block within the range of possibilities is impacted by the concentration of wave energy,which results in the instability of toe protection armor block and the slippage of the whole armor blocks.In this paper,the reasons of block instability and the influence factors were ana?lyzed.From the point of harbor construction design,some improvement measures were put forward to solve the prob?lem of block instability owing to the special terrain.

special terrain;physical model test;wave breaking;block stability;engineering measures

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0125-05

2013-04-11；

2013-05-16

戈龍仔（1977-），男，江西省臨川人，副研究員，主要從事港口航道及近海工程研究。