三維穩(wěn)定試驗(yàn)對港工設(shè)計(jì)安全的影響

周枝榮，姜云鵬

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00032；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津　300456）

三維穩(wěn)定試驗(yàn)對港工設(shè)計(jì)安全的影響

周枝榮1，姜云鵬2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

現(xiàn)行防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范明確指出，防波堤結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)驗(yàn)證。在工程實(shí)踐中，由于地形地勢、波浪條件、結(jié)構(gòu)形式千差萬別，規(guī)范沒有明確具體采用何種模型試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行驗(yàn)證，需要根據(jù)工程具體情況具體分析。規(guī)范中考慮堤頭和波浪破碎兩大因素，塊體重量為公式計(jì)算結(jié)果的1.6倍左右；通過三維穩(wěn)定試驗(yàn)確定的非標(biāo)準(zhǔn)段塊體穩(wěn)定重量，達(dá)到最初設(shè)計(jì)的2～2.3倍。說明當(dāng)波浪和地形條件比較復(fù)雜時(shí)，通過三維穩(wěn)定試驗(yàn)驗(yàn)證護(hù)岸的穩(wěn)定性是非常必要的，能夠提前識別設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，保證工程安全。

設(shè)計(jì)安全；三維穩(wěn)定試驗(yàn)；斜向浪；護(hù)面塊體；波浪破碎

0　引言

近年來，隨著港口海岸工程建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的工程需要面臨環(huán)境較為惡劣的開敞海域，水深浪大的自然環(huán)境加大了結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。一些防波堤、護(hù)岸受大浪作用發(fā)生破壞的案例時(shí)有發(fā)生，特別是后方陸域布置有石化罐區(qū)等高危險(xiǎn)品的項(xiàng)目，引起了工程界的高度重視和全社會的廣泛關(guān)注。為保證安全，許多工程項(xiàng)目在傳統(tǒng)的二維斷面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了三維穩(wěn)定試驗(yàn)，用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的安全性和合理性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，消除安全隱患[3-5]。本文對三維穩(wěn)定物模試驗(yàn)中反映出來的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸納，總結(jié)了三維穩(wěn)定試驗(yàn)對港工設(shè)計(jì)安全的幾點(diǎn)啟示，希望與同行業(yè)者探討。

1　工程背景

某護(hù)岸工程處于海灣灣口，水深浪大，灣口水深達(dá)30 m，50 a一遇最大波高接近8.0 m，平均周期9 s。擬建護(hù)岸總長2 100 m，軸線水深-3.0～-13.0 m。結(jié)構(gòu)形式包括沉箱、斜坡式等。斜坡式護(hù)岸采用扭王字塊護(hù)面，塊體重量為10 t和15 t。護(hù)岸水下地形條件較為復(fù)雜，海底底質(zhì)為堅(jiān)硬巖石，坡度較陡，局部坡度達(dá)1：10～1：7。

2　研究條件與方法

一般三維穩(wěn)定試驗(yàn)，由于比尺較大和場地的限制，僅能對局部建筑物（如堤頭等）進(jìn)行模擬。本次三維試驗(yàn)采用大場地，在保證比尺較大的前提下對全部護(hù)岸進(jìn)行了模擬，將傳統(tǒng)的整體試驗(yàn)與三維穩(wěn)定試驗(yàn)“合二為一”，變2個模型為1個模型，既縮短了研究周期，又節(jié)約了費(fèi)用。

試驗(yàn)采用不規(guī)則波，幾何比尺為56，亦即波高比尺為56，周期比尺為7.483。港池寬40 m，長45 m，港池中配備有國際先進(jìn)的L形造波機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)180°多方向造波，實(shí)現(xiàn)造波方向的任意切換，跟傳統(tǒng)的移動造波機(jī)來變換方向的方式相比，縮短50%的研究周期。

斜坡堤護(hù)面塊體均為人工制作，塊體數(shù)量與現(xiàn)場安放一致。重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求。

3　近岸設(shè)計(jì)波高與深水波高的比較

在設(shè)計(jì)過程中，對設(shè)計(jì)波要素預(yù)先判斷時(shí)，一般認(rèn)為近岸波高小于深水區(qū)。但在某些工程，近岸波高可能大于深水區(qū)。本次試驗(yàn)中，近岸處水下地形坡度較陡，水深變化劇烈，波浪淺水變形和輻聚效應(yīng)顯著，導(dǎo)致近岸處局部設(shè)計(jì)波高較深水處增大10%。

4　三維試驗(yàn)在護(hù)岸穩(wěn)定方面的啟示

4.1斜坡護(hù)岸淺水段與深水段穩(wěn)定性的區(qū)別

斜坡段護(hù)岸長340 m，采用15 t扭王字塊護(hù)面。為表述方便，本文把水深5～12 m稱為淺水段；水深12～13m，稱為深水段。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，50 a一遇波浪持續(xù)作用，護(hù)面塊體穩(wěn)定性隨水深的變化差異較大。深水段護(hù)岸各部分保持穩(wěn)定，淺水段護(hù)岸在擊岸破碎波的作用下，護(hù)底塊石被沖刷，護(hù)面塊體嚴(yán)重失穩(wěn)（見圖1）。這一現(xiàn)象與前期預(yù)判有所偏差。

試驗(yàn)對塊體失穩(wěn)過程進(jìn)行了分析，總結(jié)了以下主要特點(diǎn)：低水位時(shí)，波浪在陡坡附近破碎，形成擊岸式破碎波，強(qiáng)烈的破碎流使護(hù)底塊石被沖刷。在波谷作用下，底部塊體首先失穩(wěn)，順著天然陡坡向外海滾落，然后擴(kuò)展至中上部塊體。故優(yōu)化設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)問題在于加強(qiáng)護(hù)岸底部塊體的支撐。

圖1　設(shè)計(jì)斷面15 t塊體淺水段失穩(wěn)Fig.1　15 tblock ofdesign in shallow water failed in stability

試驗(yàn)先后采取了3種優(yōu)化措施，包括加大底部塊體重量、增加護(hù)岸底部塊體支撐排數(shù)等。

優(yōu)化措施1：單純增加底部塊體重量至21 t，塊體仍失穩(wěn)，不能滿足要求，說明波浪破碎對護(hù)岸底部塊體的沖擊作用十分強(qiáng)烈，除增加塊體重量外，還應(yīng)增加塊體的擺放排數(shù)，通過增加寬度來快速消散波能，同時(shí)底部塊體之間互相倚靠，增加了整體穩(wěn)定。

優(yōu)化措施2：將底部塊體重量增為35 t，并設(shè)置為5排，結(jié)果最外1排失穩(wěn)。

優(yōu)化措施3：將底部塊體排數(shù)增加至9排，自深水區(qū)開始鋪設(shè)，一方面減輕了低水位波浪破碎對最外排塊體的沖擊作用，同時(shí)增強(qiáng)了最外1排塊體的支撐。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化措施3的塊體穩(wěn)定，見圖2。

圖2　優(yōu)化措施3斷面在波浪作用下保持穩(wěn)定Fig.2　Optim ized step 3 block keptstable in shallow water

4.2斜直過渡段護(hù)岸的穩(wěn)定要求

該護(hù)岸有一段為方沉箱與斜坡段的交接過渡段。除外海波浪直接作用外，另一部分波浪沿沉箱傳播與外海波浪疊加，形成波能集中和水體匯集。由于堤頭處坡度較陡，波浪在過渡段發(fā)生急劇破碎，形成強(qiáng)烈的破碎水流，對護(hù)面塊體造成強(qiáng)大沖擊（見圖3），設(shè)計(jì)方案10 t扭王字塊體在低水位時(shí)有多塊滾落，在波浪持續(xù)作用下呈持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，失去護(hù)面功能，判斷為失穩(wěn)。由此可以看出，波浪疊加和破碎是過渡段塊體失穩(wěn)的主要原因。將堤頭處10 t塊體調(diào)整為12 t（見圖4），堤頭處塊體仍然難以穩(wěn)定。

圖3　沿沉箱段傳播至斜直過渡段堤頭的上沖水體Fig.3　Thew ave lashed against transitional section alongcaisson

圖4　優(yōu)化方案12 t塊體仍然失穩(wěn)Fig.4　Optim ized 12 t block failed in stability

塊體重量優(yōu)化為20 t并加棱體支撐后，塊體有少量晃動但無明顯位移，保持穩(wěn)定（見圖5）。經(jīng)極端高水位和設(shè)計(jì)高水位驗(yàn)證后，堤頭段護(hù)面塊體保持穩(wěn)定。因此，堤頭處護(hù)面塊體應(yīng)加大至20 t，塊體重量是原設(shè)計(jì)值的2倍。

圖5　塊體改為20 t，并加棱體支撐，塊體穩(wěn)定Fig.5　Optim ized 20 t block w ith prism support kept stable

5　塊體失穩(wěn)原因分析

現(xiàn)行JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[6]，給出的單個塊體的穩(wěn)定重量計(jì)算公式為：W=0.1γbH3/[KD（Sb-1）3cotα]（1）式中：W為護(hù)面塊體單個重量，t；γb為塊體材料的重度，取23.0 kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；Sb為塊體材料重度與水重度的比值，Sb=γb/γ；γ為水的重度，kN/m3；α為斜坡與水平面的夾角，（°）。

同時(shí)，規(guī)范[6]4.2.4條也指出，該公式的限定條件是波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于22.5°，且堤前波浪不破碎。

按照規(guī)范規(guī)定，斜坡堤堤頭部分的塊體重量，應(yīng)增加20%～30%。位于波浪破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體重量，均應(yīng)相應(yīng)再增加10%～25%。若考慮堤頭和波浪破碎兩個因素，塊體重量應(yīng)為公式計(jì)算結(jié)果的1.6倍左右。

5.1淺水段與深水段塊體

按式（1）計(jì)算，淺水段和深水段扭王字塊的穩(wěn)定重量為10～15 t。深水段堤前波浪不破碎，屬于正向作用，符合公式使用的前提條件，塊體是穩(wěn)定的，因此，試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果是一致的。

但對淺水段護(hù)岸而言，波浪在堤前發(fā)生破碎，且屬于斜向作用，不符合規(guī)范關(guān)于波浪形態(tài)和角度的要求。

換言之，深水段屬于護(hù)岸設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)段，可以使用規(guī)范公式對塊體重量進(jìn)行初步確定；淺水段屬于非標(biāo)準(zhǔn)段，不符合規(guī)范公式的使用要求，不能直接通過公式計(jì)算來確定塊體的穩(wěn)定重量。

淺水段塊體失穩(wěn)原因?yàn)椋簭?qiáng)烈的破碎流使護(hù)底塊石被沖刷，底部塊體失去支撐向外海滾落，然后擴(kuò)展至中上部塊體。優(yōu)化設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)問題在于加強(qiáng)護(hù)岸底部塊體的支撐。通過試驗(yàn)確定的塊體穩(wěn)定重量，是最初設(shè)計(jì)的2.3倍。

5.2斜直過渡段護(hù)岸塊體

對于斜直過渡段護(hù)岸，由于波浪方向特殊，與直立段沉箱形成一定的夾角，波浪在沉箱與斜坡堤過渡段發(fā)生急劇破碎，形成強(qiáng)烈的破碎水流，對護(hù)面塊體造成強(qiáng)大沖擊。因此，也不符合規(guī)范公式的使用要求。波浪疊加和破碎是過渡段塊體失穩(wěn)的主要原因。試驗(yàn)優(yōu)化后的塊體重量，是原設(shè)計(jì)值的2倍。

6　三維穩(wěn)定試驗(yàn)對設(shè)計(jì)安全的啟示和探討

防波堤規(guī)范[6]3.1.6條明確指出，防波堤是邊界條件復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)性和重要性較高的工程，計(jì)算理論尚有不完善之處，規(guī)定防波堤結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)驗(yàn)證。該規(guī)定再次強(qiáng)調(diào)了波浪模型試驗(yàn)對確保設(shè)計(jì)安全的重要意義。

在工程實(shí)踐中，由于地形地勢、波浪條件、結(jié)構(gòu)形式千差萬別，規(guī)范沒有明確具體采用何種模型試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行驗(yàn)證，需要根據(jù)工程具體情況具體分析。

三維穩(wěn)定試驗(yàn)對港工設(shè)計(jì)安全具有以下幾點(diǎn)啟示：

1）特定地形條件下近岸處波高會大于深水處波高，值得設(shè)計(jì)在對設(shè)計(jì)波要素進(jìn)行預(yù)先判斷時(shí)特別注意。

2）低水位對應(yīng)的波高一般較小，但低水位的破壞作用可能大于其他水位，并產(chǎn)生破壞。

3）工程設(shè)計(jì)需要特別注意擊岸破碎波的影響，并加強(qiáng)護(hù)岸底部的防護(hù)，對結(jié)構(gòu)過渡段應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

4）斜向浪對扭王字塊護(hù)面塊體的作用比正向浪偏于危險(xiǎn)，尤其是護(hù)岸（防波堤）的拐彎段和堤頭段。

5）通過規(guī)范公式對塊體重量進(jìn)行初步確定，需要一定的使用條件；對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)段，可以使用公式來計(jì)算。對于非標(biāo)準(zhǔn)段或者不符合規(guī)范公式的使用要求，不能直接通過公式計(jì)算來確定塊體的穩(wěn)定重量。

6）規(guī)范中考慮堤頭和波浪破碎兩大因素，塊體重量為公式計(jì)算結(jié)果的1.6倍左右，通過試驗(yàn)確定的塊體穩(wěn)定重量，可達(dá)到最初設(shè)計(jì)值的2～ 2.3倍。

7）當(dāng)波浪和地形條件比較復(fù)雜時(shí)，通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證護(hù)岸的穩(wěn)定性是必要的。本研究再次體現(xiàn)了三維穩(wěn)定試驗(yàn)在驗(yàn)證護(hù)岸（防波堤）穩(wěn)定和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的必要性。

[1]俞聿修.斜坡式與直墻式防波堤技術(shù)的新進(jìn)展[J].港工技術(shù)，2000（4）：1-4. YUYu-xiu.A new progress in technology of rubblemound breakwaterand verticalwallbreakwater[J].PortEngineering Technology, 2000(4):1-4.

[2]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. YU Yu-xiu.Random wave and its application to engineering[M]. Dalian:Dalian University of Technology Press,2002.

[3]姜云鵬，劉昌興，彭程.波浪作用下陡坡和緩坡地形對護(hù)岸工程的影響[J].水運(yùn)工程，2015（4）：61-65. JIANG Yun-peng,LIU Chang-xing,PENG Cheng.Influence of steep slope and mild slope on revetment under wave action[J]. Port&Waterway Engineering,2015(4):61-65.

[4] 姜云鵬，張曄，鄭子龍.波浪作用下護(hù)岸三維穩(wěn)定試驗(yàn)研究[J].水道港口，2014（1）：15-18. JIANGYun-peng,ZHANG Ye,ZHENG Zi-long.Research of 3D stabilitymodel teston revetmentunder wave action[J].Journal of Waterwayand Harbour,2014(1):15-18.

[5]郭文鑫，趙劉群.對規(guī)范JTJ298—1998的幾點(diǎn)建議[J].水運(yùn)工程，2011（7）：58-60. GUOWen-xin,ZHAO Liu-qun.Suggestions on code JTJ 298—1998[J].Port&Waterway Engineering,2011(7):58-60.

[6]JTS154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS154-1—2011，Codeofdesign and construction ofbreakwaters [S].

Im pact of three dim ensional stability tests on port engineering design safety

ZHOU Zhi-rong1,JIANGYun-peng2
（1.CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China; 2.Tianjin Research Institute forWater TransportEngineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

It is clearly stipulated in the existing Code of Design and Construction of Breakwaters,the breakwater structure should be validated by wave model tests.In engineering practices,considering the diversified terrain,wave conditions and structural types,the code doesnotexplicitly specifymethodsofmodel tests for structuralsafety verifications,so specific analysis should be carried out according to project conditions.Considering the two factors of breakwater head and wave breaking,the weight of armor block is about 1.6 times of calculating results by formula.However,the stabilized weight of armor block in nonstandard structure segment,determined by testwavemodel,can be as high as 2-2.3 times that of the original design.It demonstrates the great significance of physical model test in verifying the stability,especially under complex wave and topography conditions.Thewavemodel testsare capable of forecasting design risks,so as to ensure the safety of the projects.

design safety;three dimensional stability tests;obliquewaves;armor block;wave breaking

U656.111

A

2095-7874（2016）10-0056-04

10.7640/zggw js201610013

2016-01-29

2016-08-21

周枝榮（1983—），男，湖北洪湖人，碩士，高級工程師，注冊土木工程師（港航），港口、海岸及近海工程專業(yè)。E-mail：zhouzhirong_2004@126.com