談?wù)劇皦K體容許失穩(wěn)率”

孫精石

（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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

談?wù)劇皦K體容許失穩(wěn)率”

孫精石

（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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

文章對(duì)防波堤和護(hù)岸等港口工程中經(jīng)常用到的專業(yè)術(shù)語——“塊體容許失穩(wěn)率”提出了質(zhì)疑，指出其在應(yīng)用過程中，主要依靠物理模型試驗(yàn)來獲得，但是由于定義不嚴(yán)密，在模型試驗(yàn)時(shí)，特別是3D整體穩(wěn)定性模型試驗(yàn)時(shí)，無法得到正確、合理的失穩(wěn)率標(biāo)準(zhǔn)值。因此，難以判斷防波堤和護(hù)岸工程設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，也不能指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，將直接影響工程的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。針對(duì)這一弊端，提出了建議：（1）保留和繼續(xù)使用“塊體容許失穩(wěn)率”的有關(guān)規(guī)定，但是要在“塊體容許失穩(wěn)率”定義前面加上防波堤或護(hù)岸長(zhǎng)度的限定；（2）廢止和停止使用“塊體容許失穩(wěn)率”的有關(guān)規(guī)定，從嚴(yán)掌握防波堤和護(hù)岸的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)；（3）在防波堤和護(hù)岸3D穩(wěn)定性模型試驗(yàn)中，明確規(guī)定必須分段進(jìn)行觀測(cè)，應(yīng)逐段分別給出穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果。這些建議，可供有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)參考。

防波堤；護(hù)岸；護(hù)面塊體；容許失穩(wěn)率

1 問題的提出

“塊體容許失穩(wěn)率”（allowable ratio of instability of block）是一個(gè)專業(yè)技術(shù)名詞，在港口工程特別是防波堤、護(hù)岸的設(shè)計(jì)和科研活動(dòng)中要經(jīng)常用到它。它在《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 154-1-2011）中的準(zhǔn)確定義是：計(jì)算水位上、下各1.0倍設(shè)計(jì)波高的護(hù)面范圍內(nèi)，在波浪作用下允許移動(dòng)或滾落的塊體個(gè)數(shù)所占的百分率［1］。在該技術(shù)規(guī)范和《海港水文規(guī)范》（JTS 145-2-2013）中給出了它的許可值，如表1所示［1-2］。

對(duì)于如何得到容許失穩(wěn)率，往往需要通過物理模型試驗(yàn)來進(jìn)行。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ/T234-2001）中給出了它的計(jì)算方法，即5.2.3條“斜坡式建筑物護(hù)面塊體失穩(wěn)率的統(tǒng)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）護(hù)面塊體失穩(wěn)率按下式計(jì)算

式中：n為失穩(wěn)率；nd為靜水位上、下1倍設(shè)計(jì)波高范圍內(nèi)護(hù)面塊體的失穩(wěn)數(shù)；N1為靜水位上、下1倍設(shè)計(jì)波高范圍內(nèi)護(hù)面塊體的總數(shù)”［3］。

這一切看來都十分完美，有定義，有控制標(biāo)準(zhǔn)，有計(jì)算方法。多年來在港口工程中也一直是沿用這種方法來進(jìn)行防波堤或護(hù)岸穩(wěn)定性的驗(yàn)證和優(yōu)化，最后來決定護(hù)面塊體的重量和構(gòu)造型式?？墒沁@種情況，在近年隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和大量工程實(shí)例的檢驗(yàn)發(fā)生了一些變化，產(chǎn)生了一些新的矛盾，需要我們?nèi)ソ鉀Q。過去在確定“塊體容許失穩(wěn)率”的工作中，大多是依靠波浪斷面模型試驗(yàn)，即2維（2D）的模型試驗(yàn)，往往是在波浪水槽中，使塊體在波浪正向作用下接受考驗(yàn)［4］。但是許多防波堤和護(hù)岸工程，明明經(jīng)過了斷面試驗(yàn)是穩(wěn)定的，失穩(wěn)率不超標(biāo)，可是在實(shí)際工程中卻在設(shè)計(jì)波浪作用下產(chǎn)生了失穩(wěn)，發(fā)生了海損事故［5］。因此人們開始思考，開始進(jìn)行新的探索。在實(shí)際工程中，防波堤和護(hù)岸不可能總是受到波浪正向的作用，防波堤和護(hù)岸往往也不是一條直線，在平面形狀發(fā)生變化，在地形和波向發(fā)生改變時(shí)，防波堤和護(hù)岸的穩(wěn)定性也產(chǎn)生了變化。于是就提出了在整體模型中進(jìn)行防波堤和護(hù)岸的穩(wěn)定性試驗(yàn)，即所謂的3D模型［6-7］。過去由于認(rèn)識(shí)不夠，再加上3D模型試驗(yàn)成本較大，例如一個(gè)斷面模型，在1 m寬的波浪水槽中做試驗(yàn)，所用的護(hù)面塊體數(shù)量最多是幾百塊，而在3D模型中，塊體即使不全部模擬也要幾千上萬塊，如果全部模擬塊體數(shù)量甚至要幾萬塊，原型中有多少塊護(hù)面塊體，模型中也要按比尺縮小制作多少塊，工作量很大。因此，3D塊體穩(wěn)定試驗(yàn)開展的不夠廣泛。但是，近年來卻受到了越來越多的重視，許多國(guó)內(nèi)外的重要工程都提出來要進(jìn)行三維穩(wěn)定性試驗(yàn)的要求［8-10］。在這種形勢(shì)下就出現(xiàn)了新的問題——如何來確定護(hù)面塊體的容許失穩(wěn)率？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題，在實(shí)踐中卻不簡(jiǎn)單。舉個(gè)普通例子，2D斷面模型試驗(yàn)一般幾何比尺不會(huì)超過40，在1 m寬的水槽中，假設(shè)計(jì)算水位上、下各1.0倍設(shè)計(jì)波高的護(hù)面范圍內(nèi)塊體數(shù)量是100，塊體容許失穩(wěn)率是1%，如果試驗(yàn)中出現(xiàn)2塊塊體失穩(wěn)，則失穩(wěn)率就是2%，判定為不穩(wěn)定，要進(jìn)行優(yōu)化?？墒侨绻?D試驗(yàn)中，某一段原型堤長(zhǎng)為500 m，計(jì)算水位上、下各1.0倍設(shè)計(jì)波高的護(hù)面范圍內(nèi)塊體數(shù)量是2 000塊，局部出現(xiàn)了10塊塊體失穩(wěn)，明顯已經(jīng)破壞，則失穩(wěn)率是10/2 000=0.5%，按規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)則不超標(biāo)，要判定為穩(wěn)定。這一結(jié)論能成立嗎?顯然是不合理的。下面再舉一個(gè)工程模型試驗(yàn)實(shí)例［10］來說明一下這個(gè)問題，某國(guó)外海港城項(xiàng)目，有一游艇港護(hù)岸直線段長(zhǎng)470 m，用1.0～3.0 t大塊石做護(hù)面，在Hs=6.4 m，Tp=13 s波浪作用下，其穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過表2我們可以看到幾個(gè)問題：（1）在近150 m長(zhǎng)試驗(yàn)觀測(cè)范圍內(nèi)，分成了長(zhǎng)度基本相等的6段，每段長(zhǎng)度約25 m，模型幾何比尺是49，模型中觀測(cè)段長(zhǎng)度是0.5 m左右，每段護(hù)面塊石的總數(shù)大致相同，在同一個(gè)波浪要素作用下，護(hù)面塊石失穩(wěn)率從0.6～3.1是不均勻的，相差很大；（2）如果用容許失穩(wěn)率2%做標(biāo)準(zhǔn)來衡量從K0+278到K0+351這段堤是穩(wěn)定的，而從K0+351到K0+ 425是不穩(wěn)定的；（3）如果用全部堤長(zhǎng)來計(jì)算，塊石總數(shù)5 487，失穩(wěn)塊石數(shù)107，則失穩(wěn)率只有1.95%，而1倍波高范圍失穩(wěn)率平均值是1.93%，應(yīng)該判斷為穩(wěn)定。最后應(yīng)該如何評(píng)價(jià)這段護(hù)岸（防波堤）設(shè)計(jì)成果呢？顯然不能按照全長(zhǎng)來計(jì)算，應(yīng)該分段進(jìn)行檢驗(yàn)優(yōu)化才是合理的。

表1各種塊體的容許失穩(wěn)率n和穩(wěn)定系數(shù)KDTab.1Allowable ratio of instability of various block n and stability coefficient KD

還有一個(gè)問題是，如何計(jì)算水位上、下各1.0倍設(shè)計(jì)波高的護(hù)面范圍內(nèi)塊體總數(shù)？這在3D整體模型中，在波浪作用不可能沿防波堤長(zhǎng)度都是均勻的時(shí)候，是無法做到的。還需指出，就是在2D斷面模型試驗(yàn)中也會(huì)遇到有漏洞，盡管試驗(yàn)水槽的寬度不變，但是模型的幾何比尺不同，則同樣寬度水槽所代表的塊體個(gè)數(shù)也差別很大，比尺40的塊體個(gè)數(shù)會(huì)比20的多一倍，如果在試驗(yàn)中，水位上、下各1.0倍設(shè)計(jì)波高的護(hù)面范圍內(nèi)失穩(wěn)的塊體個(gè)數(shù)相同，則計(jì)算出來的失穩(wěn)率也會(huì)差一倍，應(yīng)該相信哪一個(gè)？由于不能正確得到失穩(wěn)率，也就無法驗(yàn)證和判斷防波堤或護(hù)岸工程護(hù)面設(shè)計(jì)的合理性，是否需要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，這也會(huì)直接影響到工程的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理。因此，對(duì)“塊體容許失穩(wěn)率”這一專業(yè)術(shù)語的定義和執(zhí)行應(yīng)當(dāng)做出調(diào)整，以利于港口工程中防波堤和護(hù)岸設(shè)計(jì)、科研工作。

表2重現(xiàn)期200 a波浪作用下游艇港外護(hù)岸K0+270～K0+470段護(hù)面塊石各色段失穩(wěn)率（塊石重量1.0～3.0 t）Tab.2Instability ratio of dyeing armor stone outside the yacht port shore protection K0+270～K0+470 section under the action of waves return period of 200 a（stone weight 1.0～3.0 t）

2 解決問題的建議

綜上所述，在目前情況下，無論是3D還是2D防波堤或護(hù)岸穩(wěn)定性模型試驗(yàn)中，再引用“塊體容許失穩(wěn)率”的定義和標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行控制是行不通的，需要重新審視和定義，給出更科學(xué)合理的規(guī)定和計(jì)算方法。為此，提出以下建議：

（1）保留和繼續(xù)使用“塊體容許失穩(wěn)率”的有關(guān)規(guī)定，但是要在“塊體容許失穩(wěn)率”定義前面加上防波堤或護(hù)岸長(zhǎng)度的限定。建議加上“在長(zhǎng)度不超過原型40 m”，或者“在長(zhǎng)度不超過原型20～50 m”的限定詞。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)斷面模型試驗(yàn)的水槽寬度為1.0 m左右，而斷面模型幾何比尺一般不超過40，在3D模型中，多數(shù)比尺為50左右，以模型長(zhǎng)度1 m為一個(gè)觀測(cè)段也是容易實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于軸線為曲線的防波堤或護(hù)岸，可以按照弧線的長(zhǎng)度來分段，每段長(zhǎng)度不宜太大，應(yīng)盡量使每段的扇形面積與直線段相當(dāng)，對(duì)于圓形的堤頭段至少要分成堤外（向外海）、堤內(nèi)（向港內(nèi)）兩段來處理。只有對(duì)模型的代表長(zhǎng)度給出確定值，才能通過模型試驗(yàn)正確計(jì)算出“塊體容許失穩(wěn)率”。

（2）廢止和停止使用“塊體容許失穩(wěn)率”的有關(guān)規(guī)定，從嚴(yán)掌握防波堤和護(hù)岸的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)防波堤或護(hù)岸人工護(hù)面塊體除塊石之外，失穩(wěn)率一律用0來控制，即不容許發(fā)生失穩(wěn)。理由是塊體在波浪作用下發(fā)生失穩(wěn)一個(gè)重要原因是塊體的重量不足，而重量的增加對(duì)工程造價(jià)的影響是有限的，沒有必要斤斤計(jì)較，確保安全是最重要的。和國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比，我國(guó)計(jì)算防波堤護(hù)面塊體重量時(shí)采用的Hudson公式中穩(wěn)定系數(shù)KD值是偏大的，重量是偏小的［11］，從嚴(yán)掌握失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)也是合理的。這也應(yīng)當(dāng)包括防波堤的堤頭段，因?yàn)榘凑瘴覈?guó)規(guī)范規(guī)定，防波堤堤頭段護(hù)面塊體的重量已經(jīng)比堤身加大了，其失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)不宜再放寬。用失穩(wěn)率為0來控制，不管在什么模型中只要發(fā)生失穩(wěn)，經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)仍失穩(wěn)，就確定是失穩(wěn)，必須進(jìn)行優(yōu)化，這樣問題就簡(jiǎn)單多了。這樣做也和我國(guó)規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)相符，在1979年港口工程技術(shù)規(guī)范中扭工字塊允許有1%～2%的失穩(wěn)率，1998年《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ298—98）中扭工字塊允許失穩(wěn)率降到了0～1%，而2011年規(guī)范修訂后，現(xiàn)在則變成了0%。對(duì)于塊石護(hù)面而言，應(yīng)當(dāng)允許發(fā)生少量失穩(wěn)，但是要給出穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的限定條件：a、塊石護(hù)面模型試驗(yàn)的原型波浪作用時(shí)間，從“不宜少于2 h”增加到“不應(yīng)少于6 h”；b、塊石護(hù)面不能產(chǎn)生明顯變形；c、局部塊石失穩(wěn)不能使堤心石外露。通過這樣限定可以保證塊石護(hù)面的安全穩(wěn)定，也避免了失穩(wěn)率計(jì)算的麻煩，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有一定彈性，也容易掌握。

（3）在防波堤和護(hù)岸3D穩(wěn)定性模型試驗(yàn)中，明確規(guī)定必須分段進(jìn)行觀測(cè)，其分段長(zhǎng)度以模型1 m為宜。應(yīng)逐段分別給出穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)綜合分析后給出結(jié)論，確定該段防波堤或護(hù)岸是否穩(wěn)定，是否需要優(yōu)化，而不能將局部的試驗(yàn)結(jié)果推廣到全部防波堤或護(hù)岸。

（4）對(duì)這一應(yīng)用了多年的專業(yè)技術(shù)術(shù)語進(jìn)行修改，應(yīng)當(dāng)聽取更多專業(yè)人士的意見，也希望能給出更好的解決方案。在廣泛討論征求意見的基礎(chǔ)上，最后取得共識(shí)，供有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂中予以采用，以利于港口工程中防波堤或護(hù)岸設(shè)計(jì)、科研工作的開展。在有關(guān)規(guī)范未修訂之前，應(yīng)用“塊體容許失穩(wěn)率”時(shí)，一定要慎重，要把使用條件和結(jié)果說清楚。

3 結(jié)語

（1）港口工程中防波堤或護(hù)岸護(hù)面設(shè)計(jì)所采用的“塊體容許失穩(wěn)率”定義不夠嚴(yán)密，難以通過物理模型試驗(yàn)得到正確合理的統(tǒng)計(jì)值，不利于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的檢驗(yàn)和優(yōu)化，必須加以改進(jìn)；

（2）建議在“塊體容許失穩(wěn)率”定義中加上防波堤或護(hù)岸長(zhǎng)度的限定，或者停止使用這一專業(yè)術(shù)語，從嚴(yán)掌握塊體失穩(wěn)率標(biāo)準(zhǔn)，除塊石護(hù)面以外人工護(hù)面塊體失穩(wěn)率一律用0%來控制；

（3）在防波堤和護(hù)岸3D穩(wěn)定性模型試驗(yàn)中，明確規(guī)定必須分段進(jìn)行觀測(cè)，逐段給出穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果，不能將局部的試驗(yàn)結(jié)果推廣到全部防波堤或護(hù)岸；

（4）對(duì)“塊體容許失穩(wěn)率”開展必要地討論，聽取更多專業(yè)人士的意見，在達(dá)成共識(shí)的基礎(chǔ)上修訂有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在未修訂之前使用時(shí)一定要慎重。

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Talk about"allowable ratio of instability of block"

SUN Jing?shi
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

In this paper,the professional term"allowable ratio of instability of block"used in breakwaters and shore protection was questioned.It was pointed out that in its application process,it was mainly depended on the physical model test.But because of the low strictness of definition,the correct and reasonable standard value of in?stability rate could not be obtained in model test,especially 3D overall stability model test.Therefore,it is difficult to judge the breakwater and shore protection engineering design quality,and also cannot guide the optimization de?sign scheme.It will directly affect the safe and reliable,economic and reasonable engineering.Aiming at the short?comings,the following suggestions were put forward:(1)adding length limit to breakwaters or shore protection in us?age of the relevant regulations of"allowable ratio of instability of block";(2)abolishing and stopping usage of rele?vant regulations of"allowable ratio of instability of block",strictly controlling the instability standard of breakwater and shore protection;(3)in 3D stability model test of breakwater and shore protection,observation must be segment?ed,and the stability test results should be given piecewise.The suggestions can be provided to related technical standard as a reference for revision.

breakwater;shore protection;armor block;allowable ratio of instability

U 656.31；TV 139.2+6

A

1005-8443（2015）06-0490-04

2015-04-27；

2015-05-28

孫精石（1941-），男，遼寧省沈陽市人，研究員，主要從事港口及通航問題研究。

Biography：SUN Jing?shi（1941-），male，professor.