斜向波作用寬肩臺式防波堤穩(wěn)定性試驗研究

陳德旺, 劉海源

(1.中交海洋建設開發(fā)有限公司，天津 300451；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

寬肩臺式拋石防波堤是一種在波浪長期作用下，允許外坡變形，并利用最終形成的動力平衡斷面來防浪的結構。《防波堤與護岸設計規(guī)范》(JTS 154-2018)中對寬肩臺斜坡堤的定義為：肩臺尺度較寬，在波浪作用下允許肩臺和坡面產生一定變形并形成動態(tài)平衡剖面的塊石護面斜坡堤。由于允許外坡變形，其動態(tài)穩(wěn)定的條件比常規(guī)斜坡堤護面塊石的靜態(tài)穩(wěn)定條件低得多，因而所需的護面塊石重量亦較輕，同時其施工較簡便，對于石料來源豐富的區(qū)域還可以充分利用采石場的石料，使得其經濟性較好。寬肩臺斜坡堤自1983年冰島建成第一個以來[1]，世界各地建成或在建的就有幾十座。我國于1996年在大連北良糧食中轉港建成了第一座寬肩臺式防波堤[2]，從建設的經濟性和使用效果來看取得了良好的效果。但自此以后，寬肩臺式防波堤在我國的港口海岸工程中建設的較少，開展的研究工作亦較少，對于其穩(wěn)定性的研究主要通過波浪斷面物理模型試驗來進行[3-7]。然而，實際工程中防波堤往往遭受斜向波的作用，并非斷面試驗的正向作用，而斜向波作用寬肩臺斜坡堤，會引起坡面塊石的縱向輸移，會使得結構的最終形態(tài)和穩(wěn)定情況與斷面試驗結果不同，因此通過三維穩(wěn)定性試驗研究[8-13]寬肩臺式防波堤的穩(wěn)定性是很有必要的。

本文以某寬肩臺式防波堤工程為例[14]，通過斷面模型試驗，首先研究寬肩臺式防波堤在正向波浪作用下的動力平衡斷面，再通過三維穩(wěn)定性試驗，研究寬肩臺式防波堤在斜向波作用下的穩(wěn)定性，得到了工程穩(wěn)定的寬肩臺斷面結構和結構平面布置，并與斷面試驗的結果進行對比分析。

1 工程概況

工程總平面布置和典型結構設計斷面見圖1。防波堤工程包含東防波堤和南防波堤兩部分，南防波堤長150 m，東防波堤長605 m，均采用寬肩臺式拋石斜坡堤結構。斷面分為堤心和外部護面兩層，堤心石與傳統(tǒng)防波堤一樣，采用10～100 kg的碎石。外層采用1～3 t塊石護面，整個護面塊石平均重量為1.93 t，具體級配為1.0～1.5 t的塊石占22%，1.5～2.0 t的塊石占25%，2.0～2.5 t的塊石占40%，2.5～3.0 t的塊石占13%。護面層設置18 m寬的肩臺，肩臺頂面高程為+5.0 m，胸墻頂高程為+11.0 m，高程為+5.0～+11.0 m采用9 t扭王字塊護面。SE向波浪為工程區(qū)強浪向和常浪向，與東防波堤軸線夾角為65°，與南防波堤軸線夾角為23°，均為斜向浪。

1-a 工程總平面布置圖

1-b 典型設計結構斷面圖(尺寸:mm，高程:m)圖1 工程總平面布置和典型設計結構斷面Fig.1 Project general layout and typical design cross-section

2 物理模型試驗

針對寬肩臺防波堤進行的斷面物理模型試驗斷面位于東防波堤堤身處。針對南防波堤、南防波堤和東防波堤之間的過渡段以及東防波堤的一部分(過渡段以東100 m)進行三維穩(wěn)定性試驗，該部分設計結構平面布置及模型布置分別見圖2和圖3。斷面試驗和三維整體試驗幾何比尺均為40。試驗水位(當?shù)乩碚摶鶞拭?包含：極端高水位為+5.12 m；設計高水位為+4.07 m；設計低水位為+0.36 m。試驗波浪采用SE向重現(xiàn)期50 a波浪要素[15]，見表1(斷面試驗和三維穩(wěn)定性試驗均采用同一波浪要素)。

表1 試驗波要素Tab.1 Wave conditions of the test

圖2 設計防波堤結構平面布置 圖3 防波堤三維模型布置Fig.2 Design layout of breakwater structure Fig.3 3D model layout of breakwater

3 試驗結果與分析

3.1 斷面模型試驗

試驗采用不規(guī)則波進行，每個水位下按造波序列輪回打波，每隔1 h(原體)測量斷面坡面的變化并觀測塊石的穩(wěn)定情況，當前后兩次測量的坡面形狀基本一致，認為該水位下斷面達到動力平衡。設計低水位波浪作用，僅大浪作用沖刷至肩臺，肩臺外端在波浪作用下護面塊石塌落并在靜水位下方坡面堆積，剖面呈反S形，隨著作用時間延長，沖刷作用減弱，當作用4 h后，達到動力平衡。設計高水位和極端高水位波浪作用，肩臺被沖刷，肩臺寬度減小，一部分塊石被波浪上推至9 t扭王字塊護面處堆積，一部分在波谷作用時被帶至坡面中部和坡腳堆積，坡面中間段坡度變緩，整個試驗過程中護面塊石隨著波浪作用在垂向范圍內往復運動，經過重現(xiàn)期50 a波浪作用從設計低水位至極端高水位1個循環(huán)后，護面塊石斜坡形狀仍有變化，從極端高水位開始進行第二個循環(huán)作用，經過設計高水位至設計低水位波浪作用后，護面斜坡形狀變化很小，此時形成的最終動力平衡斷面見圖4。此時墊層和堤心未外露，9 t扭王字塊護面一部分被塊石所掩埋，保持穩(wěn)定，最終動力平衡斷面滿足使用要求。

圖4 動力平衡斷面(高程：m)Fig.4 Dynamical equilibrium profile

3.2 三維穩(wěn)定性模型試驗

對于三維穩(wěn)定性試驗，按照斷面試驗同樣的試驗方法，在每個水位下寬肩臺防波堤各部分達到動力平衡后再進行下一個水位的試驗。按照設計低水位、設計高水位、極端高水位，再回至設計高水位、設計低水位，波浪作用一個循環(huán)后對各部分的穩(wěn)定情況進行觀測。當寬肩臺防波堤坡面露出堤心石或者扭王字塊、胸墻等出現(xiàn)位移時，則判定防波堤結構失穩(wěn)。

設計低水位重現(xiàn)期50 a的SE向波浪作用下，1～3 t護面塊石在波浪作用下有少量滾落至護面斜坡中部和坡腳處，同時東、南堤過渡段處的塊石在波浪連續(xù)作用下，有少量被波浪搬運至南防波堤堤身處。波浪連續(xù)作用4 h，護面形狀基本不變，達到動力平衡，此時寬肩臺防波堤堤心未露，各部分保持穩(wěn)定。設計高水位波浪繼續(xù)作用，此時寬肩臺被沖刷，過渡段大量塊石被波浪輸移至南防波堤堤身處，波浪連續(xù)作用4 h，防波堤各部分基本達到動力平衡，斷面呈現(xiàn)反S形，此時過渡段的動力平衡斷面被沖刷的肩臺寬度與斷面試驗相比較要大得多。在經過設計高水位波浪連續(xù)作用后南防波堤形成的動力平衡斷面的基礎上進行極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用。與設計高水位試驗現(xiàn)象相類似，過渡段處的1～3 t護面塊石在波浪作用下繼續(xù)向南防波堤堤身處輸移，而該位置護面塊石得不到補充，整個肩臺被沖刷掉，從而導致了該處9 t扭王字塊體墊層被淘刷，9 t扭王字塊在波浪作用下發(fā)生滾落失穩(wěn)(圖5)，并且在SE向波浪作用下，滾落的9 t扭王字塊甚至可被輸移至南防波堤堤頭處，波浪作用2 h時，30塊扭王字塊發(fā)生失穩(wěn)，并且隨著波浪持續(xù)作用，有更多扭王字塊發(fā)生失穩(wěn)。

圖5 過渡段失穩(wěn)試驗場景Fig.5 Failure in the transition segment

分析寬肩臺過渡段9 t扭王字塊失穩(wěn)的原因在于寬肩臺防波堤護面塊石在斜向波作用下存在縱向移動，而對于過渡段東側的東防波堤而言，波向與堤軸線的夾角較大，波浪作用時接近正向作用，此處塊石只是在垂向范圍內往復運動，并沒有輸移至過渡段來補充過渡段被波浪輸移至南防波堤堤身的塊石，在寬肩臺斷面達到動力平衡之前，導致了過渡段寬肩臺完全被波浪沖刷掉，9 t扭王字塊護面失去支撐而失穩(wěn)。此時要使過渡段保持穩(wěn)定，需要加大肩臺的寬度，使得過渡段斷面達到動力平衡時，寬肩臺還部分保留，保證扭王字塊護面的支撐存在。據此，對過渡段斷面肩臺加寬，優(yōu)化后的結構平面見圖6。東、南防波堤軸線相交處的斷面結構見圖7，該處肩臺寬度最大為36 m。調整后的防波堤在經過設計低水位、設計高水位、極端高水位再回至設計高水位和設計低水位波浪作用達到動力平衡后，過渡段肩臺還有所保留，沒有出現(xiàn)扭王字塊失穩(wěn)的情況，寬肩臺結構沒有出現(xiàn)堤心外露的情況，過渡段動力平衡剖面見圖7。

圖6 優(yōu)化后的防波堤結構平面布置Fig.6 Optimization of the layout of breakwater structure

圖7 肩臺加寬后的過渡段斷面(4-4)及最終動力平衡剖面曲線(尺寸：mm，高程：m)Fig.7 Adjusted cross-section in the transition segment and final dynamical equilibrium profile

從過渡段最終動力平衡斷面的形狀來看，其仍舊呈反S形，但與斷面試驗所形成的動力平衡剖面相比較，護面塊石沖刷和堆積的量是不平衡的，原因在于過渡段塊石在斜向波作用存在縱向的輸移，一部分塊石被波浪輸移至南防波堤堤身處。南防波堤堤身、東防波堤堤身及斷面試驗最終動力平衡剖面對比見圖8。東堤堤身軸線由于與來浪方向夾角較大，近似正向作用，堤身處的動力平衡斷面與斷面試驗結果接近，而南堤堤身由于過渡段塊石在波浪輸移作用下在肩臺處推積，肩臺保留的寬度較大，有利于肩臺上扭王字塊護面的穩(wěn)定。

圖8 不同動力平衡斷面對比(尺寸：mm，高程：m)Fig.8 Comparison of different dynamical equilibrium profiles

4 結語

本文針對某工程寬肩臺式防波堤結構在斜向波作用下的試驗研究，并通過對比分析斜向波與正向波作用寬肩臺式防波堤最終動力平衡剖面，得到以下認識：

(1)斷面試驗是正向波作用寬肩臺式防波堤斷面，寬肩臺處護面塊石在波浪作用下發(fā)生沖刷變形，經過低水位、高水位再回至高水位的循環(huán)作用最終形成動力平衡斷面。塊石的運動是在垂向范圍內作往復運動，沖刷掉的塊石分向上和向下堆積，沖刷掉的塊石量與堆積的塊石量是相當?shù)摹?/p>

(2)三維穩(wěn)定性試驗中，由于斜向波的作用，護面塊石除了在垂向范圍內的運動，還存在縱向的輸移，當破壞處的塊石得不到補充時，會使該段的防波堤在波浪作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)對于寬肩臺式防波堤，除了要進行斷面試驗研究其最終動力平衡剖面以外，斜向波作用亦是考慮其穩(wěn)定性的重要因素。

(4)本文中寬肩臺式防波堤過渡段以圓弧型式銜接東、南防波堤，過渡段處在波浪作用下的水流現(xiàn)象只有在三維試驗中才能得以反映，正是由于該處的水流復雜才導致了過渡段斷面變形形態(tài)與東、南防波堤堤身存在較大的差異，使得該處防波堤發(fā)生失穩(wěn)。

(5)三維試驗中，東防波堤堤身軸線與來浪方向夾角為65°，接近正向作用，其最終的動力平衡剖面與斷面試驗結果相接近；而南防波堤堤身軸線與來浪方向的夾角為23°，波浪表現(xiàn)為順浪，對護面塊石的作用減小，其最終的動力平衡剖面變形較小。這些均說明寬肩臺式拋石防波堤的變形與波浪的作用角度有關。

(6)本文只是針對某工程試驗結果進行的總結分析，對于斜向波作用下寬肩臺式拋石防波堤具體的影響規(guī)律，與波浪作用的浪向、防波堤護面塊石的重量及配比、水位以及波浪要素都有關系，需要在今后進行系統(tǒng)的研究。