以色列Ashdod港水文波浪特性及防波堤臨時(shí)防護(hù)研究

封有德，馮先導(dǎo)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

以色列Ashdod港水文波浪特性及防波堤臨時(shí)防護(hù)研究

封有德，馮先導(dǎo)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

依托以色列Ashdod港工程項(xiàng)目，分析總結(jié)了地中海的水文波浪特點(diǎn)及強(qiáng)浪詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)堤頭防護(hù)物模試驗(yàn)，列舉了不同護(hù)面塊體在各級(jí)波況下穩(wěn)定研究成果，并對(duì)比了規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式護(hù)面塊體穩(wěn)定重量的計(jì)算結(jié)果。最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防波堤臨時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹和防護(hù)效果總結(jié)。

地中海；水文特性；防護(hù)結(jié)構(gòu)；物模試驗(yàn)；防波堤

1 以色列Ashdod港項(xiàng)目概況

以色列阿什杜德港擴(kuò)建工程位于地中海東岸，是以色列的第二大深水港口。該項(xiàng)目包括：防波堤工程、碼頭工程、航道疏浚、陸域吹填和地基處理等。防波堤工程包括：長(zhǎng)度600 m的拋石斜坡式離岸主防波堤，水深-20～-25 m；長(zhǎng)度1 480 m的斜坡式LEE防波堤，水深0～-17 m。碼頭工程包括：18個(gè)沉箱及鋼管樁結(jié)構(gòu)組成的Q28碼頭，泊位長(zhǎng)度434 m，港池浚深-17.5 m；H+AZ組合板樁結(jié)構(gòu)的Q27集裝箱碼頭，泊位長(zhǎng)度800 m，港池浚深-17.5 m等。

2 水文波浪特性

圖1 有效波高及周期分布玫瑰圖Fig.1 Significant wave height and wave period rose

(2)潮汐特征值。大潮高潮位: 0.38 m，平潮高潮位: 0.18 m，平均海平面: 0.08 m，平潮低潮位: -0.12 m，大潮低潮位: -0.22 m。

(3)海流。地中海東岸海流較小且多由波生成。根據(jù)近岸浮標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，90%的底部和表面流速都小于0.35 ms，最大流速發(fā)生在風(fēng)暴期間，可達(dá)1 ms。

(4)波浪條件。以色列Ashdod港波浪主浪向及強(qiáng)浪向均為WNW，波浪周期多為6～8 s及以上，為中長(zhǎng)周期波。根據(jù)波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全年有效波高小于1 m波高的出現(xiàn)頻率為76%。4～10月，有效波高小于1 m波高的出現(xiàn)頻率為84%，11月至次年3月為68%。有效波高及周期分布玫瑰圖見(jiàn)圖1。有效波高頻率分布統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

(5)冬季極端波浪記錄。地中海沿岸全年波高分布具有鮮明的季風(fēng)性特點(diǎn)，根據(jù)1992～2011年極端波浪(有效波高3.5 m以上)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，總次數(shù)是91次，平均每年5次，最少2次，最多9次，均出現(xiàn)在11～3月，每次平均持續(xù)時(shí)間約47 h，最長(zhǎng)100 h，最短18 h。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，有效波高大于6 m記錄發(fā)生在2002年12月，2008年1月和2010年12月，2015年1月，2017年1月。施工區(qū)域大浪方向均為WNW，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極端波浪信息見(jiàn)表2及表3。

表1 有效波高的頻率分布統(tǒng)計(jì)

注：本表根據(jù)2011年4月～2016年3月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)站坐標(biāo)為(N31°52’31”，E34°38’58”)。

表2 2015年11月～2016年3月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極端波浪記錄Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

表2 2015年11月～2016年3月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極端波浪記錄Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

大浪編號(hào)波浪要素及發(fā)生時(shí)間Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向發(fā)生時(shí)間1#5．228．2711．8294°(WNW)2016∕1∕12#3．937．5312．5278°(WNW)2016∕1∕83#4．698．0012．5288°(WNW)2016∕1∕94#5．049．8711．8285°(WNW)2016∕1∕245#5．299．1212．5288°(WNW)2016∕2∕76#4．687．2512．5284°(WNW)2016∕2∕22

注：波浪測(cè)站位于主防波堤北側(cè)5 km左右。

表3 2016年11月～2017年3月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極端波浪記錄Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

表3 2016年11月～2017年3月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)極端波浪記錄Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

大浪編號(hào)波浪要素及發(fā)生時(shí)間Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向發(fā)生時(shí)間1#3．225．3710．0285°(WNW)2016∕11∕12#4．518．2510．8281°(WNW)2016∕12∕23#5．399．2510．5292°(WNW)2016∕12∕144#3．857．5910．5285°(WNW)2017∕1∕95#6．2411．3011．1292°(WNW)2017∕1∕27

注：波浪測(cè)站位于主防波堤北側(cè)5 km左右。

3 防波堤堤頭臨時(shí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，施工區(qū)域在夏季(4～10月)期間，有效波高1.5 m以下約占97%，統(tǒng)計(jì)資料中未出現(xiàn)Hs>3 m的情況，防波堤施工過(guò)程僅需要考慮在Hs>2 m情況下堤心石的防護(hù)。另根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明，冬季期間應(yīng)考慮10 a一遇波浪條件。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)波要素，主防波堤完全位于外海，應(yīng)取Hs=6.2 m；LEE防波堤隨施工進(jìn)度推進(jìn)，水深逐漸加大，海底坡度約為1:200，根據(jù)《海港水文規(guī)范》[1]，不規(guī)則波浪的破碎波高與破碎水深存在一定關(guān)系，波高與水深最大比值約為0.69。因此，無(wú)論外海多大波高，依照該理論，7 m水深處的堤頭最大有效波高Hs=4.83 m。據(jù)此，得出不同階段和位置的防波堤堤頭防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

圖2 主防波堤示意圖Fig.2 Sketch of main breakwater

部位設(shè)計(jì)波要素重現(xiàn)期主防波堤(23m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇LEE堤CH450(7m水深)Hs=4．8m；Ts=12s∕LEE堤CH850(11m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇

4 防波堤堤頭防護(hù)結(jié)構(gòu)及物模試驗(yàn)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工進(jìn)度，2015年11月20日前，LEE防波堤全斷面施工至CH+450里程；2016年11月20日前，LEE防波堤全斷面施工至CH+850,主防波堤全斷面施工到CH+100。本文將主要介紹主防波堤相關(guān)防護(hù)情況，LEE防波堤簡(jiǎn)要敘述防護(hù)效果。越冬臨時(shí)防護(hù)方案將以CH+100斷面為基準(zhǔn)進(jìn)行臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主防波堤標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖2。

4.1物模試驗(yàn)成果

對(duì)于中長(zhǎng)周期波浪條件，斜坡堤護(hù)面穩(wěn)定重量應(yīng)根據(jù)物模試驗(yàn)確定[2]。天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院對(duì)主防波堤堤頭越冬臨時(shí)防護(hù)進(jìn)行了相關(guān)物理模型試驗(yàn)[3]。物模試驗(yàn)首先對(duì)防波堤施工過(guò)程堤心石和護(hù)面塊體穩(wěn)定極限標(biāo)高進(jìn)行了試驗(yàn)研究。護(hù)面的穩(wěn)定性主要通過(guò)目測(cè)來(lái)判定[4]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 堤心石及護(hù)面塊體穩(wěn)定極限標(biāo)高試驗(yàn)結(jié)果[3]Tab.5 Test results of different types of rock[3]

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：當(dāng)波浪有效波高大于2.0 m時(shí)，需要對(duì)堤心石進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)，或?qū)⒌绦氖┕?biāo)高降低至-5.0 m以下；當(dāng)有效波高大于3.0 m時(shí)，需要對(duì)第一層護(hù)面塊石(1～3 t)進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)有效波高大于4.5 m時(shí)需要對(duì)第二層護(hù)面塊石(3～6 t)進(jìn)行防護(hù)。

同時(shí)進(jìn)行了10 a一遇波浪條件下的堤頭防護(hù)物理模型試驗(yàn)研究。分別模擬了32 t石籠防護(hù)和40 t Antifer塊兩種防護(hù)方案試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明：①對(duì)于鋼絲繩網(wǎng)兜石籠防護(hù)方案[5]，當(dāng)重現(xiàn)期為10 a一遇的波浪作用時(shí)，需對(duì)堤頭坡面采用單個(gè)32 t石籠防護(hù)，堤頭頂端采用單個(gè)16 t石籠防護(hù)，堤頭可保持穩(wěn)定；②對(duì)于使用Antifer塊防護(hù)方案，當(dāng)重現(xiàn)期為10 a一遇的波浪作用時(shí)，需對(duì)堤頭坡面采用40 t Antifer防護(hù)，堤頭頂端采用16.8 t Antifer防護(hù)，整個(gè)堤頭可基本保持穩(wěn)定。物理模型試驗(yàn)成果表明，較易破壞位置一般處于水面上下一倍波高作用位置。

表6 護(hù)面塊體穩(wěn)定重量與波高及坡比的關(guān)系[1]Tab.6 Relationship between armour stability with wave height and slope[1]

注：LEE堤堤頭坡度為1:1.5；主堤堤頭坡度為1:2。

4.2規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算護(hù)面塊體穩(wěn)定重量

在制定防波堤施工過(guò)程方案時(shí)，仍然參考了《海港水文規(guī)范》8.2.6章節(jié)關(guān)于斜坡建筑物護(hù)面塊體穩(wěn)定重量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(表6)。計(jì)算結(jié)果未考慮堤頭部位塊體重量需要增加20%～30%。表中坡比1:2計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得知，規(guī)范中的穩(wěn)定可理解為完全穩(wěn)定至個(gè)別塊石移位滾動(dòng)的狀態(tài)。對(duì)于堤頭臨時(shí)防護(hù)不考慮20%～30%的重量增加，規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果仍偏保守。

4.3現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)

依據(jù)物理模型試驗(yàn)相關(guān)研究成果和工程實(shí)踐案例，最終確定在主防波堤堤頭采用單層40 t Antifer塊防護(hù)方案，為增強(qiáng)Antifer的穩(wěn)定性，在水面附近使用鋼絲繩將Antifer塊串聯(lián)。堤頭斜坡前端，堤心石(0～1 t)拋至-8.0 m標(biāo)高，并延伸30 m長(zhǎng)度。為防止堤頭越浪對(duì)堤后坡的沖刷，在堤后坡與設(shè)計(jì)斷面銜接處放置16.67 m3的Antifer塊，堤頂規(guī)則擺放3～6 t塊石防止越浪破壞堤頂。

4.4防護(hù)效果總結(jié)

2017年1月27日Hs=6.24 m(與10 a一遇波況一致)大浪過(guò)后對(duì)主堤堤頭臨時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查。具體檢查內(nèi)容包括堤頭16.7 m3Antifer防護(hù)狀態(tài)及堤頂防護(hù)塊石狀態(tài)，-8.0 m以下堤心石沖刷情況等。

(1)堤頭Antifer 塊。此次風(fēng)浪未對(duì)堤頭防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，檢查組重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記的7塊Antifer，測(cè)量發(fā)現(xiàn)有部分Antifer塊出現(xiàn)一定位移，有個(gè)別40 tAntifer位移超過(guò)1倍塊體尺寸，西北角頂面Antifer塊連接的鋼絲繩被拉緊,見(jiàn)圖3。

圖3 大浪過(guò)后主堤堤頭防護(hù)結(jié)構(gòu)情況Fig.3 Situation of breakwater head protection after storm

(2)堤頂防護(hù)塊石?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行堤頂防護(hù)時(shí)，未采取物理模型試驗(yàn)中需要平鋪16 t石籠或16.8 t Antifer，而是使用3～6 t塊石規(guī)則擺放50 m范圍進(jìn)行防護(hù)。實(shí)踐證明，防護(hù)效果非常良好。而現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行堤頂防護(hù)的一段堤身，在頂部?jī)?nèi)側(cè)出現(xiàn)一條沖刷溝槽，寬度1～2 m，深度0.5 m，為堤頂越浪沖刷造成。

(3)-8m以下堤心石。風(fēng)浪前，主堤北端0～1 t堤心石料(-8.0 m標(biāo)高)已拋填至CH+170，大浪后及時(shí)進(jìn)行多波束測(cè)量，堤心石基本無(wú)變化。對(duì)比風(fēng)浪前后堤心石斷面，測(cè)圖顯示堤心石斷面呈現(xiàn)外低內(nèi)高形態(tài)，迎浪側(cè)坡頂有微小削角并雍高至波浪傳播方向。拋石斷面坡底周圍未明顯發(fā)現(xiàn)堤心石。

5 總結(jié)

地中海海域波浪條件具有鮮明的季風(fēng)性特點(diǎn)，冬季常有大浪襲擊，防波堤建設(shè)期必須考慮堤頭臨時(shí)防護(hù)。根據(jù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐總結(jié)如下：(1)該施工海域采用10 a一遇波浪條件作為施工過(guò)程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，比較合適；(2)防波堤施工過(guò)程防護(hù)應(yīng)考慮淺水區(qū)域波高折減，以減小防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；(3)防波堤堤頂主要考慮越浪沖刷防護(hù)即可，3～6 t塊石規(guī)則擺放滿足防護(hù)要求；(4)防波堤堤頭水面附近防護(hù)，采用鋼絲繩將Antifer串聯(lián)具有良好的效果，40 t塊體在1:2坡面上移位不超過(guò)1倍的塊體邊長(zhǎng)；(5)水下-8.0 m堤心石在大浪中幾乎未受影響，斷面呈現(xiàn)微小外低內(nèi)高形態(tài)。

[1]JTS145-2-2013,海港水文規(guī)范[S].

[2]張先武.長(zhǎng)周期涌浪作用下斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2015 (1):58-62. ZHANG X W. Structure optimization design of mound breakwater under action by long period swell[J].Port & Waterway Engineering，2015 (1):58-62.

[3]交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院.以色列Ashdod項(xiàng)目防波堤施工過(guò)程和臨時(shí)防護(hù)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)研究院,2015.

[4]楊欣.斜坡堤護(hù)面穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2014(3):209-212. YANG X.Experiment on stability of protection surface on slope breakwater armor[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2014(3):209-212.

[5]曹兵.印尼Adipala防波堤施工期波浪與堤頭防護(hù)分析[J].水運(yùn)工程，2014(1):188-191. CAO B. Wave analysis and research on protection of breakwater head under construction period for Adipala breakwater, Central Java,Indonesia[J].Port & Waterway Engineering，2014(1):188-191.

Hydrologic characteristics of Israel Ashdod Port and temporary protection of breakwater

FENGYou-de,FENGXian-dao

(CCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,China)

The Mediterranean hydrographic and wave characteristic was summarized based on the construction of Ashdod (HADAROM) Port Project, and the tests of armour stability under several wave heights were carried out for comparison between the tests and calculation of empirical equations. As a conclusion, the temporary protection structure design of breakwater on site during winter was proposed with the implemented results after storm.

Mediterranean; hydrologic characteristics; protection structure; physical model test; breakwater

U 656.2

：A

：1005-8443(2017)04-0357-04

2017-01-05；

：2017-02-16

封有德(1975-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)工程項(xiàng)目及技術(shù)管理。

Biography：FENG You-de(1975-), male, senior engineer.