斯里蘭卡某深水防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性試驗(yàn)

陳昊哲，陶然

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

0 引言

隨著海外市場的不斷開拓，我國工程企業(yè)承建的東南亞、非洲和地中海區(qū)域的港口工程項(xiàng)目逐年增多，這些區(qū)域的港口工程大多位于深水且以涌浪影響為主的海域。目前工程界對深水且強(qiáng)涌浪條件下的防波堤的穩(wěn)定性問題尚未得到全面認(rèn)識。

防波堤常采用斜坡堤結(jié)構(gòu)形式，一般由護(hù)面、墊層、堤心和堤腳等構(gòu)成。國內(nèi)外學(xué)者對于斜坡堤穩(wěn)定性做了大量研究工作，主要是針對斜坡堤護(hù)面塊體的穩(wěn)定性[1-6]。目前我國JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]采用Hudson 公式，歐洲標(biāo)準(zhǔn)Rock Manual[8]采用Van der meer 公式。針對斜坡堤堤腳和棱體塊石的穩(wěn)定性的研究成果相對較少，歐洲標(biāo)準(zhǔn)Rock Manual 采用Gerding 公式[9]和Van der meer 公式[10]計(jì)算斜坡堤堤腳塊石的穩(wěn)定質(zhì)量。

本文以斯里蘭卡科倫坡某防波堤工程為例，結(jié)合本工程深水和強(qiáng)涌浪的特點(diǎn)，介紹了該深水防波堤的設(shè)計(jì)，開展了波浪斷面物理模型試驗(yàn)，對其波浪作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并對防波堤設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工程簡介

斯里蘭卡是印度洋上的一個(gè)熱帶島國，位于亞洲南部。本工程位于斯里蘭卡西南海岸的科倫坡市，建設(shè)外海深水防波堤，在外防波堤堤后建設(shè)內(nèi)防波堤、人工沙灘和人工運(yùn)河等。防波堤是整個(gè)工程的重要保障，外防波堤總長約3 245 m，外防波堤堤身段海床底高程約-20.0 m。

1.2 水深條件

本次研究的防波堤堤身段海床底高程主要在-20.0 m 左右，其設(shè)計(jì)高水位為+1.2 m，平均水位為0.7 m，100 a 一遇低水位為-0.2 m。設(shè)計(jì)高水位時(shí)，防波堤堤前水深為21.2 m，水深較大。

1.3 波浪條件

本工程面向印度洋，波浪主要為涌浪。由于本工程防波堤后方掩護(hù)陸域的重要性很高，本工程防波堤按200 a 一遇波浪進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)采用200 a 一遇波高+20%波浪對防波堤設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。根據(jù)本工程的波浪數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果[11]，外海最強(qiáng)浪向主要為SW 向，波浪譜峰周期Tp=13～17 s。防波堤設(shè)計(jì)波浪要素見表1。可見，本工程防波堤設(shè)計(jì)波高較大，波浪周期較長。

表1 防波堤設(shè)計(jì)波浪要素Table 1 Wave elements of breakwater

2 防波堤設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概況及依據(jù)

按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)Rock Manual 進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程防波堤為無擋浪墻的斜坡堤，按允許越浪進(jìn)行設(shè)計(jì)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)Rock Manual 中對于斜坡堤的堤頂高僅指出其需結(jié)合越浪量進(jìn)行確定。參照我國JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》，對于允許越浪、頂部無胸墻的斜坡堤，堤頂高程宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于0.6 倍設(shè)計(jì)波高處。據(jù)此計(jì)算本工程防波堤的堤頂高程為+5.04 m。但是考慮到本工程的特殊性（即防波堤掩護(hù)后方不是碼頭，而是人工沙灘），防波堤的堤頂高程較高會導(dǎo)致其后方水動力較弱、水體交換不夠，后方人工沙灘容易泥化，故堤頂高程最終定為+4.0 m。

防波堤內(nèi)、外坡坡度均為1 ∶1.33，堤心采用1～500 kg 開山石，堤心下為回填砂，為防止回填砂流失，本工程防波堤將回填砂設(shè)置在堤心石下部，同時(shí)設(shè)置了反濾層。對于堤后回填砂，由于一方面靠近防波堤的回填砂位于水下、高程較低（高程約-9.0～-10.0 m），受到的越浪水體及堤后次生波的作用較弱，另一方面露出水面的人工沙灘回填砂距離防波堤較遠(yuǎn)（距離約300 m），受到的堤后次生波的作用也不強(qiáng)。堤后回填砂的穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)過程中已進(jìn)行了驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)條件下堤后回填砂保持穩(wěn)定。

本工程防波堤其它主要部位（護(hù)面塊體、外坡堤腳塊石和內(nèi)坡棱體塊石）的設(shè)計(jì)過程分別介紹如下，本工程防波堤原設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防波堤原設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)圖（尺寸：mm，高程：m）Fig.1 Drawing of the breakwater original design plan(Dimension:mm,elevation:m)

2.2 防波堤護(hù)面設(shè)計(jì)

本工程防波堤護(hù)面采用扭王字塊體，Rock Manual 中斜坡堤扭王字塊體護(hù)面的穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算采用Van der meer 公式：

取宰后成熟度好的萊蕪黑山羊后腿肉，將其分為3組，每組包含7個(gè)樣本(200g±0.5g)。在填充空氣的條件下將樣本用不同的氣調(diào)包裝膜進(jìn)行氣調(diào)包裝試驗(yàn)，檢測新型包裝材料與普通包裝材料對冷鮮羊肉的貯藏效果。包裝好的樣本按照包裝膜的編號分為A組、B組、C組，統(tǒng)一貯藏于0～4℃，有待進(jìn)一步檢測。

式中：Hs為設(shè)計(jì)有效波高，m；Δ 為人工塊體密度與水密度的相對值；Dn為人工塊體的當(dāng)量直徑，m；堤身段扭王字塊體的穩(wěn)定參數(shù)為2.7。

根據(jù)式（1）及設(shè)計(jì)波高（Hs=6.4 m），計(jì)算得到的扭王字塊體穩(wěn)定質(zhì)量為15.9 t。為留有一定的安全裕度，本設(shè)計(jì)取17 t 扭王字塊體護(hù)面。

2.3 防波堤外坡堤腳設(shè)計(jì)

Rock Manual 中斜坡堤堤腳塊石的穩(wěn)定質(zhì)量計(jì)算采用Gerding[9]公式和Van der meer[10]公式：

Gerding 公式：

Van der meer 公式：

式中：Hs為設(shè)計(jì)波高，m；Δ 為塊石密度與水密度的相對值；Dn50為塊石的中值當(dāng)量直徑，m；ht為堤腳棱體平臺至水面的高度；h 為防波堤的堤腳前水深；Nod為破壞數(shù)，表示沿著斷面方向1 倍塊石直徑Dn50寬度范圍內(nèi)發(fā)生滾動的塊石個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)中根據(jù)設(shè)計(jì)要求取不同的Nod值。

2.4 防波堤內(nèi)坡棱體設(shè)計(jì)

防波堤內(nèi)坡棱體塊石主要受越浪水體的作用，國內(nèi)外規(guī)范中無相應(yīng)的計(jì)算方法。原設(shè)計(jì)考慮減少護(hù)面扭王字塊體的工程量，內(nèi)坡塊石棱體平臺高程定為-3.0 m，內(nèi)坡棱體塊石質(zhì)量也取2～5 t。

3 物理模型試驗(yàn)

為了研究波浪作用下本工程防波堤設(shè)計(jì)的安全性和合理性，對防波堤進(jìn)行了波浪斷面物理模型試驗(yàn)。研究斷面各部位（護(hù)面塊體、外坡堤腳塊石和內(nèi)坡棱體塊石等）在波浪作用下的穩(wěn)定性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對防波堤斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

防波堤波浪斷面試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所的風(fēng)、浪、流水槽中進(jìn)行。水槽長68 m、寬1.8 m、深1.8 m。水槽內(nèi)配有不規(guī)則波造波機(jī)，可產(chǎn)生不同譜型的不規(guī)則波。

3.2 模型設(shè)計(jì)

防波堤斷面試驗(yàn)為正態(tài)模型。考慮到試驗(yàn)各因素，本斷面試驗(yàn)的幾何比尺λl取為1 ∶35.9。根據(jù)重力相似定律，各相關(guān)物理量的模型比尺為：水深比尺 λh=λl，時(shí)間比尺質(zhì)量比尺 λW=壓強(qiáng)比尺 λp=λl，越浪量比尺

3.3 試驗(yàn)方法

模型中防波堤結(jié)構(gòu)各部位與原型均保持幾何相似。護(hù)面塊體等除與原型保持幾何相似外，還與原型保持質(zhì)量相似。堤腳塊石和棱體塊石也保持質(zhì)量相似。

試驗(yàn)中波浪按不規(guī)則波浪（Jonswap 譜，譜峰因子γ 為其平均值3.3）進(jìn)行模擬。對于防波堤的穩(wěn)定性試驗(yàn)，每組工況的波浪持續(xù)時(shí)間為6 h（原型值）。

對于防波堤外坡堤腳塊石和內(nèi)坡棱體塊石，其波浪作用下的破壞結(jié)果以失穩(wěn)率D 表示，%，其為發(fā)生失穩(wěn)的塊石個(gè)數(shù)與相應(yīng)塊石總數(shù)的比值。護(hù)面扭王字塊體失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)以塊體滾落或位移累積超過塊體最大幾何尺度的一半為失穩(wěn)。

外坡堤腳塊石和內(nèi)坡棱體塊石的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)為在200 a 一遇設(shè)計(jì)波浪作用下其失穩(wěn)率小于10%（參考Rock Manual 的相關(guān)規(guī)定）；在校核波浪（200 a 一遇波高+20%波浪）作用下可以有部分塊石發(fā)生滾落，但其失穩(wěn)程度不應(yīng)影響護(hù)面塊體的穩(wěn)定性。

4 穩(wěn)定性結(jié)果

4.1 原方案穩(wěn)定性

由防波堤原方案波浪斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果可見，由于本工程防波堤頂高程（+4.0 m）較低、設(shè)計(jì)波浪波高較大、周期較長，在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的200 a 一遇波浪作用下，防波堤越浪量較大。同時(shí)由于內(nèi)坡棱體平臺高程較高，越浪水體對內(nèi)坡棱體的沖擊作用很強(qiáng)，內(nèi)坡棱體塊石滾落較多。防波堤原方案斷面的各部位穩(wěn)定性結(jié)果如下。

1）護(hù)面17 t 扭王字塊體

在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，17 t扭王字塊體無明顯位移或脫落，17 t 扭王字塊體滿足設(shè)計(jì)波浪作用下的穩(wěn)定要求。

在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和 17 s）作用下，波列中大波作用時(shí)越浪水體對內(nèi)坡護(hù)面塊體及棱體的沖擊作用很強(qiáng)。當(dāng)波浪累積作用時(shí)間相當(dāng)于原型6 h 后，外坡護(hù)面扭王字塊體無明顯位移，滿足穩(wěn)定性要求。但是內(nèi)坡護(hù)面扭王字塊體由于內(nèi)坡棱體變形嚴(yán)重而發(fā)生下移，塊體間出現(xiàn)明顯縫隙，不滿足穩(wěn)定性要求。

2）外坡堤腳塊石

防波堤原方案斷面外坡堤腳塊石失穩(wěn)率結(jié)果見表2。

表2 防波堤斷面外坡堤腳塊石和內(nèi)坡棱體塊石失穩(wěn)率Table 2 Damage percentage of the seaside toe rocks and rear side prismatic rocks of the breakwater

由試驗(yàn)結(jié)果可見，對于防波堤原方案外坡堤腳塊石（平臺高程-9.5 m，塊石質(zhì)量為2～5 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，其失穩(wěn)率最大為6.8%，小于10%，滿足穩(wěn)定性要求。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇 +20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，雖然其失穩(wěn)率最大值超過了10%，但是外坡堤腳塊石整體變形不明顯，仍可支撐護(hù)面塊體，滿足穩(wěn)定性要求。

3）內(nèi)坡棱體塊石

防波堤原方案斷面內(nèi)坡棱體塊石失穩(wěn)率結(jié)果見表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，由于原方案內(nèi)坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強(qiáng)，其在200 a 一遇波浪和200 a 一遇+20%波浪作用下失穩(wěn)率均很大。本次試驗(yàn)范圍內(nèi)水位越低，內(nèi)坡棱體上部的水面高度越小，其受到的越浪水體沖擊作用越強(qiáng)，失穩(wěn)率越大。

對于防波堤原方案內(nèi)坡棱體塊石（平臺高程-3.0 m，塊石質(zhì)量為 2～5 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，其失穩(wěn)率最大為23.7%，遠(yuǎn)大于10%，內(nèi)坡棱體塊石失穩(wěn)。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，其失穩(wěn)率最大為54.8%（即有超過一半的棱體塊石滾落），內(nèi)坡棱體嚴(yán)重變形，已不能支撐護(hù)面塊體，護(hù)面塊體發(fā)生下移，不滿足穩(wěn)定性要求。

4.2 優(yōu)化方案穩(wěn)定性

由于防波堤原方案內(nèi)坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強(qiáng)，其嚴(yán)重失穩(wěn)。為了增強(qiáng)內(nèi)坡棱體塊石的穩(wěn)定性、減小其受越浪水體的沖擊作用，優(yōu)化方案將內(nèi)坡棱體平臺高程由-3.0 m 降為-5.0 m（塊石質(zhì)量改為 2～3 t）。防波堤優(yōu)化方案斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 防波堤優(yōu)化方案斷面結(jié)構(gòu)圖（尺寸：mm，高程：m）Fig.2 Drawing of the breakwater optimization design plan(Dimension:mm,elevation:m)

防波堤優(yōu)化方案斷面內(nèi)坡棱體塊石失穩(wěn)率結(jié)果見表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可見，由于優(yōu)化方案將防波堤內(nèi)坡棱體平臺高程降低了2 m，其受到的越浪水體沖擊作用顯著減弱，其失穩(wěn)率顯著降低，內(nèi)坡棱體塊石的穩(wěn)定性顯著提高。

對于防波堤優(yōu)化方案內(nèi)坡棱體塊石（平臺高程-5.0 m，塊石質(zhì)量為2～3 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s和16 s）波浪作用下，其失穩(wěn)率最大為1.8%，小于10%，滿足穩(wěn)定性要求。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應(yīng)的200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，其失穩(wěn)率最大為8.1%，且內(nèi)坡棱體整體變形較小，仍可支撐護(hù)面塊體，滿足穩(wěn)定性要求。同時(shí)，由于內(nèi)坡棱體較好的支撐作用，護(hù)面塊體在200 a 一遇+20%波浪作用下也未發(fā)生明顯位移，滿足穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)語

1）本工程海域水深較大、強(qiáng)涌浪，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)Rock Manual 設(shè)計(jì)的護(hù)面塊體和外坡堤腳塊石經(jīng)波浪斷面物理模型試驗(yàn)研究可滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。

2）原方案內(nèi)坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強(qiáng)，其在200 a 一遇波浪和200 a一遇+20%波浪作用下均嚴(yán)重失穩(wěn)。優(yōu)化方案將防波堤內(nèi)坡棱體平臺高程降低了2 m，其受到的越浪水體沖擊作用顯著減弱，內(nèi)坡棱體塊石的穩(wěn)定性顯著提高。

3）對于深水、強(qiáng)涌浪海域的防波堤工程，如防波堤堤頂高程較低時(shí)，建議不能單純?yōu)榱斯?jié)省造價(jià)而一味提高內(nèi)坡棱體塊石平臺的高程。為了提高防波堤在波浪作用下的穩(wěn)定性，宜適當(dāng)降低內(nèi)坡棱體平臺的高程，必要時(shí)應(yīng)通過波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行專題研究。