某碼頭工程斜坡式防波堤斷面穩(wěn)定性試驗研究

◎李健東 廣西壯族自治區(qū)北部灣港口管理局欽州分局

1.引言

防波堤工程通常建設(shè)于港灣口門位置，用于保障港區(qū)內(nèi)碼頭泊位前沿的船舶裝卸作業(yè)滿足安全性和適用性。本文依托某實際海港工程中口門位置所建立的防波堤開展波浪作用下的防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防浪效果研究。防波堤工程平面布置如圖1所示。

圖1 防波堤工程平面布置

防波堤結(jié)構(gòu)形式通常采用斜坡堤形式，一般包含護(hù)面、墊層、堤心和堤腳等。國內(nèi)外學(xué)者針對斜坡堤護(hù)面塊石穩(wěn)定性做了大量研究工作。目前歐美國家主要參考Rock Manual中推薦的Van der meer公式，而國內(nèi)防波堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》采用Hudson公式進(jìn)行校驗。

除了采用上述公式外，各國規(guī)范均推薦采用物理模型試驗的方法驗證斷面各組成塊體的穩(wěn)定性，以確保設(shè)計結(jié)果更為直觀、可靠。因此本工程針對所涉及的防波堤建設(shè)方案開展波浪斷面物理模型試驗研究。模型試驗中研究了不同設(shè)計水位、不同入射波浪作用下，防波堤扭王字塊護(hù)面塊體、坡腳拋石棱體、護(hù)底塊石的穩(wěn)定性，同時觀測波浪爬高、測量堤頂越浪量，并根據(jù)試驗結(jié)果，對防波堤設(shè)計提出優(yōu)化建議，為本工程的防波堤斷面設(shè)計提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2.防波堤斷面結(jié)構(gòu)

防波堤物理模型試驗中共計驗證兩種護(hù)面塊體方案斷面結(jié)構(gòu)在波浪作用下的穩(wěn)定性，分別對應(yīng)18t和22t扭王字塊。不同塊體斷面的參數(shù)特征如表1所示，斷面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

表1 模型試驗斷面方案及特征參數(shù)

圖2 防波堤工程結(jié)構(gòu)斷面示意圖

3.試驗方案設(shè)計

3.1 試驗條件設(shè)置

物理模型試驗在波浪水槽中進(jìn)行，水槽長、寬、高分別為76m、1.2m、1.5m。試驗水槽如圖3所示。

圖3 試驗水槽

模型安放位置距造波機(jī)的距離為6倍平均波長之外，后方距消波體的距離大于2倍平均波長。水槽兩端均設(shè)置多孔介質(zhì)斜坡消浪設(shè)施，用于消除波浪在端部的二次反射。試驗布置如圖4所示。

圖4 波浪水槽布置圖（平視）

模型試驗中，波浪重現(xiàn)期考慮了50年和2年一遇，波浪方向考慮了ENE-E和ESE-SE向。水位考慮極端高水位（3.75m）、設(shè)計高水位（2.53m）和設(shè)計低水位（0.48m）。試驗組合如表2。

表2 試驗波浪要素（原型）

試驗中采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波。在模型安放之前在波浪水槽中對所需模型波浪要素進(jìn)行率定?？刂瓶偰芰科钚∮凇?0%，有效波高偏差小于±5%，譜峰周期偏差小于±5%。

3.2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

模型試驗在綜合考慮波浪水槽尺寸、斷面結(jié)構(gòu)以及設(shè)計波浪要素、水位等因素的影響下，參考《波浪模型試驗規(guī)程》（JTJ/T234-2001）的有關(guān)要求，以重力相似準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，確定本次斷面模型試驗采用正態(tài)模型，幾何比尺λ=30.7。

斷面模型試驗中的扭王字塊由水泥砂漿混合適量鐵粉澆制而成，坡腳拋石棱體、墊層塊石、護(hù)底塊石等均采用天然塊石。模型幾何尺寸允許偏差控制在±1.0mm以內(nèi)，重量允許偏差小于±3%。為了便于觀測，試驗斷面所使用的塊體和塊石均涂有不同顏色，如圖5所示。

圖5 試驗斷面布置圖

每個水位條件下波浪持續(xù)作用時間不小于原型2小時，以便觀察防波堤斷面在波浪累積作用下的變化情況，為保證試驗結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性，每個組次的試驗至少重復(fù)三次。

在波浪作用下，大型護(hù)面塊體累積位移超過塊體最大幾何尺度一半時即判定為失穩(wěn)；非控制作用的塊石未發(fā)生明顯變形判定為穩(wěn)定。

4.試驗結(jié)果

4.1 方案一護(hù)面塊石穩(wěn)定性試驗結(jié)果

1）扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性。外海側(cè)：在50年波浪+極端高水位作用下，試驗中觀測到靜水面高程附近4～5個18t扭王字塊發(fā)生晃動，個別扭王字塊之間產(chǎn)生約2cm左右的位移縫隙，18t扭王字塊模型最大幾何尺度為9.3cm，所以扭王字塊移動距離尚未達(dá)到其最大幾何尺度的一半，即尚未達(dá)到規(guī)范規(guī)定失穩(wěn)條件。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 波浪作用前后扭王字塊位置情況

港內(nèi)側(cè)：各工況下18t扭王字塊基本穩(wěn)定，未觀測到明顯運(yùn)動跡象，滿足規(guī)范要求。

2）坡腳拋石棱體穩(wěn)定性。外海側(cè)：在50年波浪+設(shè)計低水位作用下，900-1800kg坡腳拋石棱體表層個別晃動，大部分晃動幅度不大，部分大浪作用時出現(xiàn)個別滾動，表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

港內(nèi)側(cè)：900～1800kg坡腳拋石棱體未見晃動，表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）護(hù)底塊石穩(wěn)定性。外海側(cè)：在50年波浪+設(shè)計低水位作用下，100～200kg護(hù)底塊石表層可見少量晃動，個別滾動，滾動距離最大達(dá)3～5cm，整體未發(fā)生明顯變形，晃動的護(hù)底塊石大部分位于護(hù)底斜坡處，未見整體失穩(wěn)。

港內(nèi)側(cè)：在50年波浪+設(shè)計低水位作用下，100～200kg護(hù)底塊石表層少量晃動，個別滾動，滾動距離最多4～5cm，護(hù)底斜坡末端大浪時出現(xiàn)小部分位置失穩(wěn)，未見整體失穩(wěn)。

4.2 方案二護(hù)面塊石穩(wěn)定性試驗結(jié)果

1）22t扭王字塊護(hù)面塊體穩(wěn)定性。所有設(shè)計工況下，22t扭王字塊未見顯著晃動，塊體附著可靠，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2）坡腳拋石棱體穩(wěn)定性。外海側(cè)：1100-2200kg坡腳拋石棱體表層個別晃動，大部分晃動幅度不大，部分大浪加高水位工況出現(xiàn)個別滾動，但是滾動塊石數(shù)量明顯少于方案一，棱體表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

港內(nèi)側(cè)：1100～2200kg坡腳拋石棱體未見塊體發(fā)生晃動，表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）護(hù)底塊石穩(wěn)定性。外海側(cè)：在50年波浪+設(shè)計低水位作用下，100～200kg護(hù)底塊石表層最多可見10多個晃動，2～3個左右滾動，晃動的護(hù)底塊石大部分位于護(hù)底斜坡處，護(hù)底上表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

港內(nèi)側(cè)：在50年波浪+設(shè)計低水位作用下，100～200kg護(hù)底塊石表層最多可見5個晃動，1～2個滾動，滾動距離約2～3cm，表面未發(fā)生明顯變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 塊石及拋石棱體穩(wěn)定重量確定

對于試驗中出現(xiàn)晃動幅度較大或滾動的坡腳拋石棱體和護(hù)底塊石進(jìn)行重新調(diào)整重量，直至試驗中不發(fā)生超過顆粒直徑一半的顯著晃動后，取出并稱重并換算成原型質(zhì)量后可以得到結(jié)論，對于外海側(cè)坡腳拋石棱體的穩(wěn)定重量不應(yīng)小于2000kg，對于外海護(hù)底塊石穩(wěn)定重量不應(yīng)小于300kg，對于港內(nèi)側(cè)坡腳拋石棱體穩(wěn)定重量不應(yīng)小于900kg，對于港內(nèi)側(cè)護(hù)底塊石穩(wěn)定重量不應(yīng)小于200kg。

4.4 越浪量試驗結(jié)果

根據(jù)前面扭王字塊穩(wěn)定性結(jié)果，對方案二對應(yīng)的22t的扭王字塊防波堤斷面進(jìn)行越浪量試驗，越浪量采用在堤頂后用不透水土工膜袋接水，對一個波列中出現(xiàn)的總越浪量進(jìn)行測量，并折算成單寬平均越浪量，結(jié)果如表3所示。

表3 方案二斷面各工況越浪量對比

通過試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比可知，兩者結(jié)果較為接近。ENE-E向作為平面上主要垂直于防波堤結(jié)構(gòu)的浪向，其越浪量要大于ESESE向，最大越浪量為0.54m/m/s，數(shù)值相對較大，由于本工程位于外海灣口處，防波堤后方緊臨區(qū)域無陸域工程及附屬建筑物，所以影響較小。

5.結(jié)語

本文針對某碼頭項目防波堤工程的結(jié)構(gòu)可靠性和適用性開展波浪斷面物理模型試驗研究，并基于斷面試驗結(jié)果對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研究主要結(jié)論如下：

（1）在極端工況下，18t扭王字塊體產(chǎn)生小幅度晃動，提高至22t后，護(hù)面塊體穩(wěn)定性有效提高。

（2）通過物理模型試驗可以確定，為保障極端工況下外海側(cè)坡腳的穩(wěn)定性，坡腳棱體塊石最小重量需由1100kg提高至2000kg，坡腳護(hù)底塊石最小重量需由100kg提高至300kg；港池內(nèi)側(cè)坡腳護(hù)底塊石最小重量需由100kg提高至200kg。

（3）由于本工程波高較大、波周期較長，為了確保工程安全，建議進(jìn)一步開展防波堤三維整體物理模型試驗以驗證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。