中、歐標(biāo)準(zhǔn)斜坡式防波堤設(shè)計對比分析

原 娟，袁立莎，張 余，高萬國

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300220）

引言

防波堤主要是用來防御波浪的侵襲，維護港內(nèi)水域的平穩(wěn)，以保證船舶在港內(nèi)安全地停泊和進行裝卸作業(yè)，直接承受巨大的波浪力作用。斜坡式防波堤是常用的防波堤結(jié)構(gòu)形式，在港口工程中有廣泛應(yīng)用，一般適用于水深不大，當(dāng)?shù)赜袃r格便宜的大量石料的情況，或地基較軟的情況。斜波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計包括斷面尺度的確定，護面塊體的穩(wěn)定重量計算，護底塊石的穩(wěn)定重量計算，波浪爬高計算等。歐標(biāo)與國標(biāo)關(guān)于防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)造要求，計算參數(shù)選取，具體計算方法等均有所區(qū)別。本文以斷面尺度設(shè)計、波浪爬高計算、護面及護底塊石穩(wěn)定重量計算、構(gòu)造要求等內(nèi)容為例，分析對比歐洲標(biāo)準(zhǔn)與中國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于斜坡堤設(shè)計的差別。

1 斷面尺度設(shè)計

1.1 斜坡堤堤頂高程

國標(biāo)[1]規(guī)定，對允許越浪、頂部無胸墻的斜坡堤，堤頂高程宜定在設(shè)計高水位以上不小于0.6 倍設(shè)計波高值處；對塊石、四腳空心方塊、柵欄板護面的斜坡堤堤頂高程，宜定在設(shè)計高水位以上不小于0.7 倍設(shè)計波高值處；對基本不越浪的斜坡堤和寬肩臺拋石斜坡堤，堤頂高程宜定在設(shè)計高水位以上不小于1 倍設(shè)計波高值處，對防護要求較高的斜坡堤，應(yīng)按波浪爬高計算確定其堤頂高程，并需控制越浪量。

歐標(biāo)[3-4]規(guī)定，防波堤的頂高程根據(jù)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)物和設(shè)施允許的越浪量確定，對于傳統(tǒng)的不設(shè)置擋浪墻的拋石斜坡堤，沒有公共服務(wù)和行車的需求，控制越浪量僅由港內(nèi)泊穩(wěn)條件及堤頂和內(nèi)坡護面塊體的穩(wěn)定情況確定。The rock manual 根據(jù)斜坡堤的功能需求提供了控制越浪量的參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)需要采用陸上推進施工方法時，堤心頂高程不宜小于高水位以上1 m。設(shè)計堤頂高程需要考慮工后沉降及由于氣候變化引起的平均海平面上升。

1.2 斜坡堤堤頂寬度

國標(biāo)規(guī)定可取不小于1.1 倍設(shè)計波高，且在構(gòu)造上至少能并列放兩排或隨機安放3 塊人工塊體。

歐標(biāo)規(guī)定斜坡堤堤頂寬度至少能安放3 塊護面塊石或人工塊體。當(dāng)采用塊石護面時，堤頂最小寬度通常為3～4 塊護面塊石的寬度，護面塊石堆放時應(yīng)滿足最大連鎖性或最大堆積密度，以保證在波浪作用下的最大穩(wěn)定性。堤頂寬度還要考慮堤心寬度的影響，堤心寬度需要滿足施工機械作業(yè)的要求。堤心高度至少位于高水位以上1 m，開敞條件時位于MHWS（大潮平均高潮面）以上2～3 m。

1.3 邊坡坡度

國標(biāo)根據(jù)不同護面形式對斜坡堤邊坡坡度有不同的要求，塊石護面的邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。

歐標(biāo)中采用塊石護面時斜坡堤邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。當(dāng)考慮地震影響或地質(zhì)條件較差時，邊坡應(yīng)采用稍緩的坡度。

2 波浪爬高計算

歐標(biāo)中通常采用波浪爬高Ru2%（水舌高度超越該爬高的概率為2 %），根據(jù)坡面的粗糙程度，堤身的透水性等可以采用不同的計算公式（圖1）。Ru2%的計算與有效波高、坡度和波陡有關(guān)。對于斜向波，根據(jù)波浪方向與防波堤軸線法向之間的夾角提供了修正系數(shù)。修正系數(shù)為該式適用于0°≤β≤80°，β 為波浪行進方向與防波堤軸線法向的夾角。對于帶肩臺的斜坡堤，TAW(2002a)給出了修正系數(shù)的計算方法。修正系數(shù)為γb=1 -kB(1-kh)，γb的計算值在0.6 和1.0 之間。該方法適用于肩臺的寬度小于1/4 深水波波長且肩臺坡度緩于1:15。式中kB為肩臺寬度影響系數(shù)，kh為肩臺中間位置深度與靜水位之間關(guān)系的函數(shù)。kB與kh的具體計算公式可查閱The Rock Manual[3]。

圖1 爬高計算方法Fig.1 Calculation methods for wave run-up

圖2 功能位置示意圖Fig.2 Functional location diagram

我國《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015（2022 版））[2]規(guī)定斜坡式建筑物上的波浪爬高分別計算規(guī)則波的波浪爬高和風(fēng)直接作用下不規(guī)則波的爬高。爬高計算與護面形式（糙滲系數(shù)），有效波高，波陡及坡度等有關(guān)。但是規(guī)范中公式僅適用于正向波，關(guān)于帶肩臺的斜坡堤的波浪爬高如何修正沒有相應(yīng)公式。

3 護面及護底穩(wěn)定重量計算

歐標(biāo)中計算斜坡堤護面塊石的公式可以用Hudson 公式或Van der Meer 公式。其中，Hudson公式不考慮波浪周期、碎波相似性參數(shù)，波浪破碎情況、風(fēng)暴持續(xù)時間、堤心的滲透性對護面塊體的穩(wěn)定性影響等，Van der Meer 公式可以考慮這些因素，但是公式中的波浪個數(shù)、滲透參數(shù)等參數(shù)不易確定。設(shè)計時一般選用Hudson 公式計算護面塊石。

式中：HD為設(shè)計波高，在波浪不破碎條件下，設(shè)計波高為H1/10；對于H1/10波浪在到達防波堤之前會破碎的情況，設(shè)計波高取Hb（破碎波高）或有效波高Hs 中的大值，H1/10=1.27 Hs。KD為穩(wěn)定系數(shù)，塊石護面的穩(wěn)定系數(shù)如表1。

表1 KD 建議值Tab.1 Suggested KD values

《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》（JTS 154-2018）中護面塊體穩(wěn)定重量計算同樣采取Hudson 公式，不同的是設(shè)計波高根據(jù)平均波高與水深的比值取H5%或H13%。平均波高與水深的比值≥0.3 時，取H13%，反之取H5%。

歐標(biāo)中穩(wěn)定系數(shù)對于堤身、堤頭、不同坡度、波浪是否破碎取值不同（如表1）。破碎波對應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為非破碎波的0.5 倍，相應(yīng)的護面塊石重量增加50 %；堤頭位置穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)坡度不同，為堤身穩(wěn)定系數(shù)的0.575～0.8 倍，相應(yīng)的護面塊石重量需增加25 %～74 %，坡度越緩堤頭護面塊石重量需相應(yīng)增加的越多。國標(biāo)中穩(wěn)定系數(shù)為固定數(shù)值（KD=4），對于堤頭和破碎波通過構(gòu)造要求調(diào)整護面塊石的大小。堤頭部分的塊體重量，按堤身塊體重量增加不少于30 %，對位于破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體重量，均應(yīng)相應(yīng)再增加不少于25 %。

歐標(biāo)中對護底塊石穩(wěn)定重量沒有明確計算公式，設(shè)計中可采用護趾公式計算的塊石重量來能滿足護底塊石的穩(wěn)定要求。

護趾塊石穩(wěn)定重量通過ht/h 與穩(wěn)定個數(shù)Hs/（△Dn50）的關(guān)系確定，如表2。表中ht為護底以上的水深，h 為堤前水深。Hs 為有效波高△,為塊石相對重度=)1/(-γγb(γb為石料重度，γ 為水的重度)，Dn50為護趾塊石的中值粒徑。

表2 護底塊石中值粒徑計算Tab.2 Calculation for median nominal diameter of bedding layer

當(dāng)ht/h<0.5，護趾塊石的穩(wěn)定重量應(yīng)采用護面塊石穩(wěn)定重量的計算方法?！斗啦ǖ膛c護岸設(shè)計規(guī)范》（JTS 154-2018）規(guī)定護底塊石的穩(wěn)定重量根據(jù)堤前最大底流速確定。最大波浪底流速根據(jù)設(shè)計波高（H13%）、水深、波長等計算，根據(jù)最大底流速查規(guī)范表格可得到對應(yīng)的護底塊石重量。

4 構(gòu)造要求對比

1）墊層塊石的穩(wěn)定重量

國標(biāo)規(guī)定，對外坡護面為隨機安放人工塊體時的墊層塊石可取護面塊體重量的的1/20～1/10。

歐標(biāo)規(guī)定，墊層塊石穩(wěn)定重量取護面塊石穩(wěn)定重量的1/15～1/10。

2）堤頭

國標(biāo)規(guī)定堤頭段的長度可采用15 m～30 m，深水斜坡堤堤頭段長度不宜小于堤身高度值的2 倍；堤頭部分的護面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定重量按堤身穩(wěn)定重量增加不少于30 %。

歐標(biāo)規(guī)定堤頭段的長度取1～2 倍堤身高度；堤頭的護面塊體穩(wěn)定重量計算時取小于堤身的穩(wěn)定系數(shù)值。

3）護底塊石

國標(biāo)規(guī)定，對砂質(zhì)海底，在護底塊石層下宜設(shè)置厚度不小于0.3 m 的碎石層或土工織物濾層。

歐標(biāo)規(guī)定，當(dāng)海底為松散的砂子或更細的土?xí)r，可以采用石頭或土工織物濾層。對石料濾層的級配要求或厚度及土工織物的透水性等提出了明確要求和具體計算方法[3,5,8]。

5 工程案例

計算以坦桑尼亞某項目防波堤為例，對歐標(biāo)和國標(biāo)的計算結(jié)果進行分析比較。該項目防波堤采用拋石斜坡結(jié)構(gòu)，斜坡坡度為1:2，護面采用塊石結(jié)構(gòu)，為防止波浪引起的沖刷，迎浪側(cè)設(shè)5 m 寬的塊 石護底，背浪側(cè)設(shè)3 m 寬的塊石護底。

設(shè)計高水位和設(shè)計低水位分別為：772.2 m 和770.6 m。設(shè)計高水位設(shè)計波浪要素見表3。

表3 設(shè)計波浪要素Tab.3 Wave parameters

國標(biāo)和歐標(biāo)關(guān)于波浪爬高、護面塊石穩(wěn)定重量及護底塊石穩(wěn)定重量的計算結(jié)果如表4～7 所示：

表4 波浪爬高Tab.4 Wave run-up

表5 歐標(biāo)護面塊石穩(wěn)定重量Tab.5 Weight of rock armour by Euro code

表6 國標(biāo)護面塊石穩(wěn)定重量Tab.6 Weight of rock armour by Chinese standard

表7 護底塊石穩(wěn)定重量/kgTab.7 weight of bedding layer/kg

表中RU2%中采用Van der Meer 方法，該方法適用于粗糙坡面的斜坡堤，對透水堤和不透水堤均適用。

該方法的一般公式為:

對于透水堤波浪爬高的限值為：

式中：

a，b，c，d-系數(shù)分別為0.96，1.17，0.46，1.97；

ξm為破碎參數(shù)，ξm=tanα/√som；

som—波陡，som=H/L0=2πH/(g×T2)；

α—斜坡坡度。

國標(biāo)結(jié)果明顯小于歐標(biāo)結(jié)果，對國標(biāo)和歐標(biāo)的計算公式進行比較，國標(biāo)波浪爬高取累計頻率13 %的爬高，歐標(biāo)取超越概率2 %的爬高。

將國標(biāo)不規(guī)則爬高累計頻率取為2 %，爬高結(jié)果為2.15 m，3.3 m，4.21 m，4.94 m 與歐標(biāo)結(jié)果基本一致，可見國標(biāo)與歐標(biāo)波浪波高結(jié)果的不同主要是由于累計頻率取值不同，即標(biāo)準(zhǔn)不一致造成的。

從兩種規(guī)范計算結(jié)果對比分析，波浪不破碎時，歐標(biāo)計算波高為國標(biāo)計算波高的1.27 倍；波浪破碎時，歐標(biāo)穩(wěn)定系數(shù)折減為2.0，而國標(biāo)則將塊石穩(wěn)定重量擴大25 %。導(dǎo)致歐標(biāo)塊石穩(wěn)定重量明顯大于國標(biāo)結(jié)果，為國標(biāo)塊石重量的1.3～2 倍。

兩種規(guī)范的護底塊石重量都與波高和水深有關(guān)，國標(biāo)中還與波浪周期有關(guān)。用國標(biāo)方法計算的護堤塊石穩(wěn)定重量要大于歐標(biāo)方法。

6 結(jié)語

通過工程實例的對比研究，可得出如下結(jié)論：

歐標(biāo)中對于計算波浪爬高、護面塊石穩(wěn)定重量等沒有指定的公式，計算時需要根據(jù)波浪、水深、結(jié)構(gòu)型式等選擇適用的公式。

歐標(biāo)中波浪爬高取積累概率2 %的爬高，國標(biāo)中取積累概率13 %的爬高。

歐標(biāo)中護面塊石計算中設(shè)計波高取值為H1/10=1.27 Hs，對于破碎波浪穩(wěn)定系數(shù)進行折減，由于這些原因?qū)е職W標(biāo)塊石穩(wěn)定重量明顯大于國標(biāo)結(jié)果，為國標(biāo)塊石重量的1.3～2 倍。

對于不同標(biāo)準(zhǔn)下參數(shù)的選取，直接影響設(shè)計成果的規(guī)格、工程量進而對造價產(chǎn)生不可忽視的影響，在工程項目設(shè)計中要尤為重視。