長周期涌浪作用下防波堤設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

周加杰，高峰，張華平

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 工程背景

印尼karang Taraje（GAMA） 防波堤工程為業(yè)主投資水泥廠配套港口工程項目，位于印尼西爪哇萬丹省Bayah鎮(zhèn)Karang Taraje地區(qū)，直面印度洋開敞海域長周期涌浪影響，相似環(huán)境下有印尼Pacitan[1-2]、Cilacap、Adipala[3-5]3個防波堤建設(shè)項目，設(shè)計均采用斜坡式人工塊體護(hù)面結(jié)構(gòu)，形式分別為全斷面扭工字塊防護(hù)允許越浪結(jié)構(gòu)、外側(cè)及堤頂雙聯(lián)塊體防護(hù)允許越浪結(jié)構(gòu)、全斷面扭王字塊防護(hù)允許越浪結(jié)構(gòu)，相比上述3個項目，本工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采取雙聯(lián)塊體防護(hù)基本不越浪設(shè)計。長周期涌浪環(huán)境下防波堤基本不越浪設(shè)計成為本工程的關(guān)鍵控制項目。

2 工程概況

防波堤位于Karang Taraje地區(qū)懸崖岬角位置，中軸線方位為北偏西50°，一期全長550 m，二期全長850 m，一期范圍防波堤前100 m為接岸連接懸崖處亂礁石段，水底高程由0變化為-15.0 m；0+100~0+550 m為泥砂質(zhì)基礎(chǔ)，水底高程為-15.0~-16.0 m，其中0+500~0+550 m共50 m為堤頭段。防波堤結(jié)構(gòu)采用拋石斜坡式人工塊體防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中塊體采用中國專利產(chǎn)品雙聯(lián)塊體，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為英標(biāo)，對堤頂越浪量進(jìn)行限制，合同要求1 a一遇波浪重現(xiàn)期作用下堤頂平均越浪量不超過0.4 L/（s·m），50 a一遇波浪重現(xiàn)期作用下堤頂平均越浪量不超過10 L/（s·m），以防止對防波堤內(nèi)坡及碼頭設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。

3 氣候及波浪

工程所在地為熱帶雨林氣候，全年分為兩季，每年11月—次年4月為雨季（又稱非季風(fēng)期），基本天天下雨，年降雨量大于3.0 m，每年5月—10月為旱季（又稱季風(fēng)期），基本無雨；常年日平均氣溫25~30℃。

本工程通過收集分析歐洲中長期波浪后報資料，與實測資料進(jìn)行驗證，分析多年波浪、風(fēng)的極值，通過計算得到多點連線的不同重現(xiàn)期波浪數(shù)據(jù)，防波堤所受波浪主要為長周期涌浪，主浪向為SSW向和SW向，推算50 a一遇波浪周期近18 s，詳見表1。

表1 推算波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（一期堤頭A4點）Table1 Theestimated wavedata(at A4 point of phase I breakwater head)

4 設(shè)計控制要點分析

根據(jù)波浪控制要素、現(xiàn)場觀測和對衛(wèi)星后報資料分析，通過數(shù)模研究確定總平面布置如圖1，在總平面布置和波浪數(shù)據(jù)確定后，防波堤設(shè)計控制要點則在于斷面設(shè)計。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)厥呢S富特點，防波堤設(shè)計為斜坡式拋石堤人工護(hù)面塊體防護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過物理模型試驗驗證防波堤穩(wěn)定性、越浪和堤后次生波情況。表2為結(jié)合EPC項目施工經(jīng)驗的斷面控制要點分析。圖2為防波堤初始確定的斷面。

圖1 防波堤平面布置圖Fig.1 The breakwater layout

表2 防波堤初始設(shè)計控制要點分析Table 2 Control pointsanalysisof initial breakwater design

5 模型驗證及優(yōu)化

本工程在實驗室進(jìn)行斷面二維物模和三維局部堤頭模型試驗，對防波堤斷面穩(wěn)定性、越浪量、堤后次生波等進(jìn)行觀測，同時針對模型試驗發(fā)現(xiàn)的主要問題進(jìn)行分析，調(diào)整優(yōu)化斷面設(shè)計[6]，過程詳見表3。

5.1 長周期涌浪下防波堤越浪量分析與驗證

圖2 防波堤初始確定斷面Fig.2 Theinitial determinecross-section of breakwater

表3 防波堤模型驗證存在主要問題及解決措施Table 3 The main problemsand solutionsin breakwater model verification

50 a一遇重現(xiàn)期波浪作用下，2D模型試驗設(shè)計高水位時測得平均越浪量為47.58 L/（s·m），單個波大浪時越浪量過大使內(nèi)坡墊層石極易失穩(wěn)；3D堤頭局部模型試驗測得平均越浪量為5.36 L/（s·m）。從模擬角度看，堤頭三維局部模型測得的越浪量更近于現(xiàn)實，但為確保防波堤的穩(wěn)定性和設(shè)計安全，2D斷面模型試驗仍要確保防波堤的穩(wěn)定性，故防波堤設(shè)計堤頂高程維持規(guī)范計算數(shù)據(jù)，外側(cè)護(hù)腳雙層12 t雙聯(lián)塊體棱體改為一層同堤身斷面雙聯(lián)塊體，然后在外側(cè)拋填棱體石，堤內(nèi)側(cè)自設(shè)計低水位以上部分施工灌砌石，以確保極端水位情況下防波堤的安全與穩(wěn)定。

國內(nèi)外研究者均對防波堤穩(wěn)定性和消波特性進(jìn)行過大量研究，但是對長周期涌浪作用下防波堤和塊體的穩(wěn)定性研究仍很少，法國中央水力實驗室的邁松-阿爾福研究了周期對防波堤穩(wěn)定性的影響，研究表明周期超過10 s的波浪對防波堤穩(wěn)定性的影響最大。波浪在波周期較大時波能量集中且不易擴(kuò)散。對于本模型試驗，2D模型邊界制約了水流的擴(kuò)散，限制了堤前可能的波高擴(kuò)散，增強了堤前波浪的沖擊力，從而使2D模型中波浪單個大波越浪量對內(nèi)側(cè)坡面穩(wěn)定性構(gòu)成極大威脅。為較為真實地反應(yīng)長周期涌浪作用下堤頂越浪最不利情況，項目另進(jìn)行全3D模型試驗，進(jìn)行正向波設(shè)計高水位50 a重現(xiàn)期波高狀態(tài)下越浪量和穩(wěn)定性試驗，試驗結(jié)果表明平均越浪量為5.5 L/（s·m），與堤頭局部3D模型基本相同，同時，內(nèi)坡塊石處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 坡腳穩(wěn)定性優(yōu)化

試驗表明坡腳放置人工塊體1層時最外側(cè)塊體失穩(wěn)，放置2層時上層最外側(cè)塊體失穩(wěn)，即塊體失去嚙合作用后其穩(wěn)定性降低，但同時受水流的作用面較大，極易翻滾從而使設(shè)計斷面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，類似項目Adipala施工中發(fā)現(xiàn)塊石與人工塊體互相嵌擠能夠增強人工塊體的聯(lián)鎖作用，并考慮到拋填塊石僅面層受水流作用，應(yīng)能夠保持其自身穩(wěn)定并支撐護(hù)腳人工塊體為穩(wěn)定狀態(tài)，故斷面調(diào)整為外側(cè)拋填棱體塊石，試驗表明拋填棱體塊石和單層護(hù)腳塊體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，在確保質(zhì)量的同時，降低了工程造價（減少了上層雙聯(lián)塊體）。

5.3 內(nèi)側(cè)路面設(shè)計優(yōu)化

內(nèi)側(cè)道路僅作為二期施工通道和以后的維修通道，平時基本不考慮車輛通行，考慮到單波最大越浪情況對內(nèi)坡的沖擊，也考慮現(xiàn)場的施工進(jìn)度需要，采用半剛性水泥穩(wěn)定碎石作為內(nèi)側(cè)鋪砌結(jié)構(gòu)面層，既能抵抗水流沖刷（大浪情況下），又節(jié)省了工程造價（相比水泥混凝土面層結(jié)構(gòu)），同時提高了施工進(jìn)度。防波堤優(yōu)化后設(shè)計斷面見圖3。

圖3 防波堤優(yōu)化后設(shè)計斷面圖Fig.3 Cross-section of the optimized breakwater design

6 斷面形式對施工的有利性分析

由Adipala、Cilacap已建防波堤工程及波浪研究可知，施工期經(jīng)常會面臨高度3.0 m以上，周期大于10 s的長周期涌浪襲擊，防波堤設(shè)置寬肩臺及堤頂設(shè)置胸墻會帶來很大的施工難度。本工程設(shè)計在斷面優(yōu)化時綜合考慮了施工的可行性，詳見表4。

7 結(jié)語

根據(jù)長周期涌浪環(huán)境下已有工程設(shè)計和施工實例，結(jié)合物理模型試驗進(jìn)行防波堤斷面調(diào)整優(yōu)化，使本工程設(shè)計在綜合考慮施工可行性的同時做到斷面優(yōu)化，為項目創(chuàng)造合理的效益，以下幾點可以為類似工程提供借鑒。

1）塊體+塊石作為外坡護(hù)腳：模型試驗證明護(hù)腳最外層塊體因無法與其它塊體形成連鎖，其穩(wěn)定性大大降低，采用塊石嵌擠，可極大提高最外層塊體穩(wěn)定性，從而確保底腳穩(wěn)定和堤身穩(wěn)定，此種結(jié)構(gòu)形式在確保穩(wěn)定性的同時降低了工程施工造價。

2）內(nèi)坡控制：防波堤不越浪設(shè)計較少許允許越浪設(shè)計工程造價高出很多，在堤頂允許少許越浪設(shè)計情況下保證極端水位時內(nèi)坡的穩(wěn)定和安全，對降低整個工程造價有很大作用，本工程內(nèi)側(cè)采用灌砌石結(jié)構(gòu)，可確保極端水位時內(nèi)坡的安全和穩(wěn)定。

表4 防波堤施工可行性優(yōu)化控制表Table 4 Optimizing control of the feasibility of breakwater construction

3） 越浪量：長周期涌浪2D斷面物模越浪量偏大，3D堤頭局部模型偏于真實，2D和3D越浪量的差異將給工程設(shè)計和造價帶來極大差異。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，越浪量多通過2D斷面進(jìn)行量測，工程設(shè)計必須保證2D斷面模型的穩(wěn)定性，但對越浪量要求控制嚴(yán)格的工程，則工程斷面將增大很多方可滿足2D越浪量要求。為降低工程造價和確保斷面設(shè)計的合理性，并考慮到長周期涌浪的特性，采用3D整體模型驗證越浪量及工程設(shè)計將更加具有合理性。

長周期涌浪有其特殊性，結(jié)合施工經(jīng)驗的設(shè)計方能在斷面優(yōu)化控制上精益求精并符合理論和實踐。本文結(jié)合工程施工實踐，形成了長周期涌浪條件下防波堤設(shè)計控制關(guān)鍵技術(shù)體系，對于印度洋開敞海域環(huán)境條件下的防波堤設(shè)計，本工程具有典型性與代表性，相信能為其它類似工程提供良好的借鑒意義。

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