茂名港博賀港區(qū)西防波堤修復(fù)斷面穩(wěn)定性試驗研究

王亞東，黃宣軍，李景輝

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

1 概述

茂名港西防波堤工程總長3 315 m，防波堤采用拋石斜坡式和沉箱直立式相結(jié)合的方案。2015年22號臺風(fēng)“彩虹”過境后，西防波堤0+270—0+650區(qū)段受損嚴(yán)重，外坡出現(xiàn)大量塊石堆積體，若恢復(fù)原貌存在一定施工難度，需在破壞后的基礎(chǔ)上設(shè)計新的防波堤斷面結(jié)構(gòu)，并通過斷面物理模型試驗研究進行驗證和優(yōu)化。

2 防波堤斷面結(jié)構(gòu)

為了方便防波堤修復(fù)施工，在堤頂中部留出寬8 m的臨時通道，堤頂前后分別安放2排11 t和2排5 t扭王字塊體，外側(cè)護面采用11 t扭王字塊體護面，底部為100～200 kg的護底塊石，坡度為1頤1.5，詳見圖1。

臺風(fēng)過境后，外坡出現(xiàn)大量塊石堆積體，修復(fù)方案是在頂高程-2 m位置處設(shè)置寬13 m的塊石護面戧臺，戧臺下部采用2～3 t塊石護面，其坡度為1頤3，戧臺上部采用11 t扭王字塊體護面，坡度為1頤1.5，詳見圖2。

圖1 原防波堤斷面結(jié)構(gòu)圖（堤頂中部為臨時通道）Fig.1 Original breakwater cross-section（middle of the top is a temporary passage）

圖2 防波堤破壞后初始修復(fù)方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Intitial repair plan cross-section after breakwater damage

3 試驗研究的依據(jù)和條件

3.1 試驗水位與波浪

根據(jù)JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)設(shè)計波高應(yīng)采用重現(xiàn)期為50 a或25 a，對未成型的斜坡堤進行施工期復(fù)核時，計算水位可采用設(shè)計高水位和設(shè)計低水位，波高的重現(xiàn)期可采用2～5 a。根據(jù)試驗技術(shù)要求，考慮一定安全系數(shù)，試驗波浪重現(xiàn)期分為使用期50 a一遇波浪和施工期10 a一遇波浪兩種。試驗水位與對應(yīng)的波浪要素[2]見表1所示。

3.2 波浪模擬

表1 試驗水位與對應(yīng)的波浪要素Table1 Test water level and corresponding wave parameters

1）波浪模擬按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》等[3-5]有關(guān)規(guī)定采用不規(guī)則波進行，波浪頻譜采用JONSWAP譜[6]。

2）作用時間：試驗過程中波浪持續(xù)作用時間不小于原型3.0 h，以便觀察斷面在波浪累積作用下的變化情況。

4 試驗結(jié)果

4.1 初始修復(fù)斷面穩(wěn)定性試驗

圖3給出了初始修復(fù)斷面在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T =10.6 s的不規(guī)則波作用下的試驗結(jié)果。波浪剛開始作用不久，堤頂后部最外側(cè)1排5 t扭王字塊失穩(wěn)，個別被沖到堤后坡面處，隨后堤頂?shù)呐ね踝謮K體和1～2 t塊石也很快被沖刷后移；堤頂外側(cè)的11 t扭王字塊體也開始向堤后坡滾落。波浪作用1.2 h（原型）后，坡面上部的3排11 t扭王字塊體、2層墊層塊石及堤心石均被沖刷后移至后坡面處，堤心石被沖刷掉的厚度約為1.60 m。

4.2 修復(fù)斷面優(yōu)化方案穩(wěn)定性試驗

圖3 初始修復(fù)斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.3 Test results of stability on the initial repair breakwater cross-section

1）優(yōu)化方案1

在防波堤斷面修復(fù)施工期間，在原修復(fù)斷面-2.0 m護面戧臺上，加護厚度為2 m的2～3 t塊石，考慮設(shè)計高水位、10 a一遇的波浪作用下斷面的穩(wěn)定性。

試驗結(jié)果顯示，在設(shè)計高水位3.2 m、10 a一遇H13%=4.6 m、T =10.6 s的不規(guī)則波作用下，堤頂最外側(cè)一排個別11 t扭王字塊體發(fā)生輕微位移，但未失穩(wěn)；堤頂中間臨時通道1～2 t塊石和前坡2～3 t塊石均有少量發(fā)生位移，斷面的其它各部位均穩(wěn)定。

2）優(yōu)化方案2

在優(yōu)化方案1斷面的基礎(chǔ)上，在堤頂?shù)膬蓚?cè)分別加護1排11 t扭王字塊體，以增強堤頂?shù)姆琅_能力。

在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T =10.6 s的不規(guī)則波作用下，堤頂前部最外側(cè)一排個別扭王字塊體后移至堤頂后部的塊體前；堤頂后部的塊體及其下部1～2 t塊石整體向后錯動并稍有抬高。波浪作用約0.95 h（原型）后，堤頂后部的5 t扭王字塊體成片滾落，堤頂后部的11 t塊體和1～2 t塊石也相繼出現(xiàn)后移滾落，修復(fù)斷面優(yōu)化方案2穩(wěn)定性試驗結(jié)果詳見圖4。

3）優(yōu)化方案3

圖4 修復(fù)斷面優(yōu)化方案2穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.4 Test resultsof stability on the optimization plan 2

在優(yōu)化方案2基礎(chǔ)上，將堤頂中部再加護2排11 t扭王字塊體，使堤頂形成全掩護形式。

其試驗順序為：設(shè)計低水位、設(shè)計高水位及極端高水位，以此驗證優(yōu)化方案3斷面的穩(wěn)定性。

淤設(shè)計低水位

在設(shè)計低水位0.26 m，H13%=6.2 m、T=10.6 s的不規(guī)則波作用下，前坡護面戧臺肩角附近少量2～3 t塊石沿坡面滾落，并有些塊石移動至扭王字塊體前。在波浪作用3.0 h（原型）后，前坡的2～3 t塊石護面基本處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，護面戧臺肩角附近的塊石被沖刷掉一層，最大沖刷厚度約為0.98 m，一部分塊石鑲嵌在11 t塊體的縫隙中，詳見圖5。

于設(shè)計高水位

在設(shè)計高水位3.2 m，H13%=6.4 m、T =10.6 s的不規(guī)則波作用下，堤頂前部最外側(cè)個別扭王字塊體隨波浪晃動，前坡塊體護面肩角處有輕微扒縫現(xiàn)象；堤頂后部與后坡面相鄰5 t扭王字塊體中，個別塊體被越浪水體掀動后移約1/3塊體的寬度，并改變了擺放姿態(tài)；前坡2～3 t塊石護面表層的少數(shù)塊石隨波浪往復(fù)晃動，個別塊石發(fā)生位移；斷面的其它各部位均穩(wěn)定。

圖5 修復(fù)斷面優(yōu)化方案3穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.5 Test resultsof stability on theoptimization plan 3

盂極端高水位

在極端高水位4.34 m，H13%=6.5 m、T=10.6 s的不規(guī)則波作用下，試驗現(xiàn)象與設(shè)計高水位相近，經(jīng)過3個水位及相應(yīng)波浪的累計作用后，前坡2～3 t塊石護面的外輪廓線變化不大，基本處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，試驗結(jié)果詳見圖5。

5 結(jié)語

經(jīng)過臺風(fēng)破壞后的防波堤恢復(fù)原貌存在一定施工難度，最常用的做法是在破壞后的基礎(chǔ)上進行新斷面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工，通過物理模型試驗驗證和優(yōu)化后，試驗結(jié)果顯示：

1）堤頂?shù)呐R時通道對防波堤的斷面穩(wěn)定性有重要影響。在極端高水位及其相應(yīng)的波浪作用下，有臨時通道的優(yōu)化方案1和方案2斷面，堤后5 t扭王字塊體成片滾落，堤頂后部的11 t塊體和1～2 t塊石也相繼出現(xiàn)后移滾落。

2）優(yōu)化方案1在高程-2.0 m護面戧臺上，加護厚度為2 m的2～3 t塊石，對底部外側(cè)第一排的11 t扭王字塊體有掩護作用。

3）優(yōu)化方案3的堤頂為11 t扭王字塊體全掩護形式下，堤頂及坡面未有塊體滾落，斷面的整體穩(wěn)定性明顯改善。

4）試驗結(jié)果也表明，在防波堤的掩護過程中不僅要考慮坡面的塊體穩(wěn)定性，同時也要關(guān)注堤頂?shù)膲K體掩護程度。

[1]JTS154-1—2011，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范[S].JTS154-1—2011,Code of design and construction of breakwaters[S]..

[2] 茂名港博賀港區(qū)西防波堤工程臺風(fēng)“彩虹”后修復(fù)斷面物理模2016.Physical model test on repair cross-section of west breakwater in Bohe harbor of Maoming Port after typhoon"Mujigae"[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,ltd.,2016.

[3]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[4]JTS165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S].JTS165—2013,Overall design codefor seaport[S].

[5]JTS145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S].JTS145—2015,Codeof hydrology for harbor and waterway[S].

[6] 李玉成，滕斌.波浪對海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社，2002.LI Yu-cheng,TENG Bin.Wave action on maritime structure[M].Beijing:Maritime Press,2002.