新型消浪塊體在防波堤斷面上坡度確定的試驗(yàn)研究

戈龍仔，高峰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

新型消浪塊體在防波堤斷面上坡度確定的試驗(yàn)研究

戈龍仔，高峰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

根據(jù)以往研究的成果和參考相關(guān)堤防設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于現(xiàn)有不同的消浪塊體在防波堤工程設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，均有對(duì)應(yīng)的最佳邊坡坡度。在2013年申請(qǐng)交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“新型深水防波堤結(jié)構(gòu)型式與消浪塊體穩(wěn)定性研究”子題三（新型消浪塊體研究與開發(fā)）中開發(fā)了一種新型消浪塊體，通過對(duì)該塊體坡度與穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)中，得出了邊坡坡度與塊體穩(wěn)定重量并不是如Hudson公式所體現(xiàn)的反比例關(guān)系，而是呈拋物線變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果可為新型消浪塊體在工程上推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

斜坡堤；護(hù)面坡度；新型消浪塊體；變化關(guān)系

在2013年申請(qǐng)交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“新型深水防波堤結(jié)構(gòu)型式與消浪塊體穩(wěn)定性研究”子題三（新型消浪塊體研究與開發(fā)）中提出并研發(fā)了一種新型消浪人工塊體［1］。前期進(jìn)行塊體選型時(shí)，首先對(duì)現(xiàn)有常用護(hù)面塊體外形特點(diǎn)、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析［2-4］，利用《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS154-1-2011）中塊體穩(wěn)定重量和混凝土用量公式，計(jì)算得出了不同類型單個(gè)塊體穩(wěn)定重量和混凝土用量分別關(guān)系見圖1和圖2。由圖1可知，在相同的設(shè)計(jì)波高情況下，扭王字塊的穩(wěn)定性最好；而由圖2可知X?bloc塊體混凝土用量最少即最經(jīng)濟(jì)?；谏鲜鰤K體對(duì)比，研究將最經(jīng)濟(jì)X?bloc塊體與最穩(wěn)定的扭王字塊形進(jìn)行組合作為本次新型消浪塊體（圖3），新型消浪塊體暫命名為“十字”型塊體。最終經(jīng)前期的結(jié)構(gòu)計(jì)算和外形類似的現(xiàn)有塊體在使用過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出本專題塊體結(jié)構(gòu)尺寸見圖4，新型塊體體積V=0.229h3（h為塊體高度），塊體與其他現(xiàn)有鉤連體擺放方式相同，均采用單層隨機(jī)安放。

在子題三的試驗(yàn)研究過程中，分別開展了包括入射波高、周期、堤前水深和坡度等多種因素對(duì)于新型人工塊體穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)，本文主要討論防波堤、護(hù)岸邊坡坡度m對(duì)人工護(hù)面塊體穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)研究［5］，最終得出塊體的最佳坡度m。

圖1波高H（m）與護(hù)面塊體穩(wěn)定重量W（t）關(guān)系曲線Fig.1Curve of wave height H（m）and stable weight of armour block W（t）

圖2護(hù)面塊體重量W（t）與混凝土用量Q（m3）關(guān)系曲線Fig.2Curve of weight of armour block W（t）and concrete quantity Q（m3）

1 研究條件

1.1 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)波浪：由于本次模型試驗(yàn)的主要目的為討論防波堤、護(hù)岸不同的邊坡坡度m對(duì)人工護(hù)面塊體穩(wěn)定性影響系列研究，因此試驗(yàn)中考慮在水槽造波機(jī)的造波能力允許范圍內(nèi)，以及保證試驗(yàn)時(shí)堤頂不越浪和塊體的失穩(wěn)率等條件下，模型試驗(yàn)波要素確定詳見表1。整體試驗(yàn)過程中，波浪采用不規(guī)則波進(jìn)行作用。

（2）試驗(yàn)水位：根據(jù)上述確定的波要素，以及考慮水槽內(nèi)斷面高度，選定模型水位d=0.35 m。

1.2 試驗(yàn)斷面

試驗(yàn)斷面底面高程設(shè)為0.0 m，堤頂高設(shè)為0.75 m；護(hù)面采用60 g重量新型塊體護(hù)面，擺放方式為隨機(jī)安放，墊層塊石重量為3～6 g，坡度分別設(shè)置了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四種，棱體塊石為6～12 g，坡度為1：2；護(hù)底塊石采用重為1～6 g塊石，端部坡度為1：2，具體試驗(yàn)結(jié)構(gòu)斷面詳見圖5。

圖3新型消浪塊體的演變過程Fig.3 Evolution process of new dissipation armour block

圖4新型消浪塊體（十字塊）結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.4Sketch of new dissipation armour block（cross block）

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 波浪模擬

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1 m，高1.5 m。試驗(yàn)采用單向不規(guī)則波，譜型為JONSWAP譜［6-7］。

模型中波浪作用時(shí)間取30 min，在此期間若斷面破壞嚴(yán)重，則提前結(jié)束試驗(yàn)；若斷面不發(fā)生破壞，則波浪繼續(xù)作用30 min。

2.2 塊體穩(wěn)定性判定

塊體穩(wěn)定性主要通過觀察其位移情況進(jìn)行判斷，試驗(yàn)中當(dāng)位移變化在半倍塊體邊長(zhǎng)以上、滑落或跳出，即判斷為失穩(wěn)。當(dāng)波浪累積作用下出現(xiàn)局部縫隙加大至半倍塊體邊長(zhǎng)以上，也判斷為失穩(wěn)。由于新型消浪塊體與其他鉤連體相同均采用單層隨機(jī)擺放，因此對(duì)于該塊體失穩(wěn)仍采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

另外模型中為了便于說明波高與失穩(wěn)率之間的關(guān)系，因此試驗(yàn)中定義在波浪作用下，塊體有輕微晃動(dòng)，但未達(dá)到失穩(wěn)時(shí)幅度，稱該狀態(tài)為臨界，此時(shí)作用的波高為極限波高。

關(guān)于塊體失穩(wěn)率依據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，采用下式進(jìn)行計(jì)算

式中：n為失穩(wěn)率，%；nd為靜水位上、下各1倍設(shè)計(jì)波高范圍內(nèi)失穩(wěn)塊體數(shù)；N1為靜水位上、下各1倍設(shè)計(jì)波高范圍內(nèi)塊體的總數(shù)，進(jìn)行不同坡度斷面試驗(yàn)，其塊體數(shù)量N1則有所不同。

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

圖5模型試驗(yàn)斷面示意圖Fig.5Sketch of cross?sections of breakwater

表2斜坡堤邊坡坡度Tab.2Slopes of sloping breakwater

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)有護(hù)面塊體與坡度m關(guān)系論述

由《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS154-1-2011）中塊體穩(wěn)定性計(jì)算式Hudson公式為

式中：W為單個(gè)塊體的穩(wěn)定重量，t；γb為塊體材料的重度，kN/m3；γ為水的重度，kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高，m；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；α為斜坡與水平面的夾角，（°），此時(shí)式中斜坡堤坡度m=ctgα。

依據(jù)式（2）可知，塊體的穩(wěn)定重量與坡度m成反比例關(guān)系，即坡度越緩，則要求的穩(wěn)定重量則越小。但參考國內(nèi)外其他已有研究成果來看［8-11］，例如四腳空心方塊、條石和螺母塊體等都是斜坡坡度越陡反而越穩(wěn)定；在《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS154-1-2011）中4.1.10節(jié)也給出了不同護(hù)面塊體在斜坡堤最為合適的邊坡坡度規(guī)定［12］（表2）。由表2中規(guī)定可知工程上常用的安放人工塊體最合適的邊坡坡度為1：1.25～1：2.0。

3.2 新型消浪塊體與坡度試驗(yàn)

為探求新型消浪塊體穩(wěn)定條件下的最合適的邊坡坡度m，本次試驗(yàn)研究過程中分別進(jìn)行了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四種不同護(hù)面坡度試驗(yàn)，在不同入射波浪作用下，分別測(cè)定其坡度m和塊體失穩(wěn)率n（%）、極限波高H（m）的關(guān)系，最終得出新型消浪塊體合適的邊坡坡度m。

圖64種坡度斷面上護(hù)面塊體失穩(wěn)情況Fig.6Instability rate of armor block in four slope cross?sections

表3不同坡度m與失穩(wěn)率n（%）、極限波高的關(guān)系Tab.3Relationship of different slope m and instability rate n（%），limited height

圖7不同坡度m和極限波高H（m）關(guān)系曲線Fig.7Curve of different slope m and limited height H（m）

在堤前水深d=0.35 m，不同波浪試驗(yàn)條件作用下，通過對(duì)新型消浪塊體4種不同坡度m斷面試驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，塊體失穩(wěn)機(jī)理主要為：當(dāng)波浪沖擊護(hù)面塊體時(shí)，部分水體沿堤坡上爬，另外部分水體則透過塊體進(jìn)入其內(nèi)部，波谷時(shí)波浪沿坡面下落，滲入護(hù)面塊體內(nèi)部的水體也向外排出，此時(shí)外流的水體對(duì)護(hù)面塊體產(chǎn)生一個(gè)離岸的浮托力；隨著波浪的連續(xù)作用，當(dāng)塊體浮托力增大至大于塊體本身的自重后，塊體失重被擠出，失去塊體間的鉤連，從而導(dǎo)致塊體滾落失穩(wěn)。失穩(wěn)范圍主要集中在靜水位附近，不同坡度塊體失穩(wěn)現(xiàn)象具體見圖6。在不同入射波浪作用下，分別測(cè)定不同坡度m和塊體失穩(wěn)率n（%）、極限波高的變化關(guān)系，具體見結(jié)果分別見表3和圖7、圖8。

通過圖7、圖8斷面坡度m與極限波高H、塊體失穩(wěn)率的關(guān)系可知，新型消浪塊體既不是斜坡坡度越陡越好，也不是越緩越好，變化而是一個(gè)拋物線的過程，由兩組周期不同波高作用均得出設(shè)計(jì)時(shí)采用1：1.5坡度較合適。

4 結(jié)語

通過對(duì)防波堤、護(hù)岸不同邊坡坡度m與護(hù)面新型消浪塊體穩(wěn)定性的系列試驗(yàn)研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）坡度與新型消浪塊體穩(wěn)定性的影響關(guān)系，并不適用Hudson穩(wěn)定性計(jì)算公式所體現(xiàn)的結(jié)果，即塊體不是斜坡坡度越陡越好，也不是越緩越好，而是一個(gè)拋物線的過程，結(jié)果表明在1：1.5較合適。

（2）通過系列試驗(yàn)得到防波堤、護(hù)岸坡度m與極限波高、失穩(wěn)率間的變化關(guān)系，根據(jù)其變化趨勢(shì)結(jié)果，可為《防波堤設(shè)計(jì)與規(guī)范》（JTS154-1-2011）中穩(wěn)定重量計(jì)算式的完善提供試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Experimental study of new dissipation block to determine slope on breakwater sections

GE Long?zai，GAO Feng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

According to the results of previous studies,and reference to design specification of the relevant dike design codes,there was the best slope corresponding to the application for the existing different dissipation blocks when the breakwater engineering is designed.In 2013,a kind of new dissipation block was developed in the application of basic research projects,which is based on the application of basic research projects,"the new type and the stability of deep water breakwater".Through experimental study of the influence about the slope and stabi?lized weight of block,it is concluded that the slope and stabilized weight of block is not such as embodied in the Hudson formula simple inverse proportion,but showed a parabolic variation.The test results can provide basic data for the generalization and application of the new dissipation blocks in engineering.

sloping breakwater;armor slope;new dissipation blocks;relationship

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0486-04

2015-07-28；

2015-10-28

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2013329224230）

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。

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