柳玉良，李賀青，唐筱寧，王海峰

（海軍工程設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 266100）

1 概述

在以往的港口工程中，大多數(shù)的防波堤都建在-10～-15 m左右水深處，斜坡式防波堤護(hù)面在無特殊要求時(shí)，迎浪面一般都采取用同一重量的人工塊體一護(hù)到底，港內(nèi)側(cè)護(hù)面塊體有時(shí)僅護(hù)到水位以下一定深度處。這主要是由于水深相對(duì)較淺，迎浪側(cè)1倍波高水深以下范圍已經(jīng)很小，換一種重量的塊體做護(hù)面其經(jīng)濟(jì)意義已經(jīng)不大，甚至還會(huì)增加施工成本，故以往設(shè)計(jì)的防波堤，內(nèi)、外側(cè)護(hù)面也多采用同一種塊體一護(hù)到底的形式。

但是，隨著船舶大型化和深水港建設(shè)的發(fā)展，防波堤的建設(shè)水深已經(jīng)擴(kuò)展到-20～-40 m，甚至更深的水域。深水斜坡堤的斷面越來越大，設(shè)計(jì)水位以下還有幾十米的深度，如果仍采用同一種重量的塊體一護(hù)到底的結(jié)構(gòu)形式，顯然不夠合理。這是因?yàn)樵谝欢ㄉ疃纫韵?，波能已?jīng)減弱，已不再需要像靜水位附近那樣采用很大重量的護(hù)面塊體了。

我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTJ 298—98《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]中4.2.12條有相應(yīng)的規(guī)定：外坡在設(shè)計(jì)低水位以下1.0～1.5倍設(shè)計(jì)波高之間的護(hù)面塊體重量可取按式 W =0.1（即Hudson公式）確定的塊體重量的1/5。但在近年來一些深水大型港口的防波堤設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，按照規(guī)范確定的這部分塊體的重量，在波浪物理模型試驗(yàn)中不能滿足穩(wěn)定性要求，而需提高塊體自重，至于增加多少合適只能通過物模試驗(yàn)來確定，并沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

深水斜坡式防波堤的結(jié)構(gòu)形式選擇，以及從設(shè)計(jì)低水位起算-1.0～1.5倍波高以下部分護(hù)面塊體穩(wěn)定重量的估算，已成為深水斜坡堤設(shè)計(jì)中所關(guān)注的課題。鑒于以往的工程實(shí)踐較少，對(duì)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)斷面的穩(wěn)定性也很少研究，而且也沒有成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法可供使用，為滿足深水防波堤建設(shè)的客觀需求，開展這項(xiàng)研究是非常必要的。

2 斜坡堤的結(jié)構(gòu)形式

本文所研究防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，靜水位附近護(hù)面塊體的穩(wěn)定重量按規(guī)范計(jì)算采用較大的扭王字塊體護(hù)面，不作為研究?jī)?nèi)容，研究對(duì)象位于靜水位以下一定深度處護(hù)面塊體的穩(wěn)定性，試驗(yàn)中分別選用48 g及32 g扭王字塊體和37 g的扭工字塊體。斷面一及斷面二從戧臺(tái)平面開始往下均為減小重量的同種塊體，斷面三減小重量的塊體僅設(shè)在戧臺(tái)以下，戧臺(tái)平段及護(hù)肩仍采用大塊體，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖1～圖3。扭王字塊體護(hù)面為單層隨機(jī)安放，扭工字塊體為兩層隨機(jī)安放，試驗(yàn)過程中堤頂基本不越浪。

圖1 試驗(yàn)研究防波堤斷面一

圖2 試驗(yàn)研究防波堤斷面二

圖3 試驗(yàn)研究防波堤斷面三

3 試驗(yàn)研究方法

試驗(yàn)是在長(zhǎng)86 m、寬1.4 m、高2.6 m的室內(nèi)不規(guī)則波水槽中進(jìn)行，斜坡堤模型設(shè)置在分隔出的0.8 m寬部分，試驗(yàn)中采用了入、反射波分離技術(shù)，以使入射波浪長(zhǎng)時(shí)間作用保持穩(wěn)定。

不規(guī)則波采用JONSWAP譜進(jìn)行模擬，其譜方程如下[2]：

式中：H1/3為有效波高，m；

式中：Tp為譜峰周期，s，

式中：γ為譜峰升高因子，取3.3。

語文實(shí)踐無處不在，無時(shí)不有。將實(shí)踐與課堂教學(xué)隔離開來是片面的，錯(cuò)誤的。課堂上教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，讓學(xué)生從無疑處生疑。教學(xué)蘇教版第十一冊(cè)《積累運(yùn)用1》中的《望洞庭》時(shí)，我讓學(xué)生在自讀的基礎(chǔ)上說理解，提問題。有一位同學(xué)提出“為什么作者說‘鏡未磨’呢？”初看平常，“鏡未磨”的意思就是沒有磨過的鏡子；細(xì)細(xì)體會(huì)，如僅僅是說湖面平靜，比作鏡子即可，又何必說“未磨”呢？接下來我們一起就這個(gè)問題展開了討論。學(xué)生品讀詩(shī)句，互相啟發(fā)，積極發(fā)言。最后體會(huì)到作者用“鏡未磨”來比喻月光下的湖面是很準(zhǔn)確的，更能表現(xiàn)月光下的洞庭湖獨(dú)特的美。不難看出，質(zhì)疑交流是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，提高語文素養(yǎng)的重要途徑。

試驗(yàn)波浪要素見表1。

表1 試驗(yàn)波浪要素

試驗(yàn)是在變化波高，并同時(shí)調(diào)整戧臺(tái)高程的條件下進(jìn)行的。每一組試驗(yàn)均保持戧臺(tái)上水深與波高的相對(duì)關(guān)系。對(duì)每一波高又進(jìn)行了不同周期組次的穩(wěn)定性試驗(yàn)，臨界穩(wěn)定波高及相應(yīng)的KD值是根據(jù)不同波高和不同周期條件下的系列試驗(yàn)獲得的。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對(duì)防波堤各研究斷面進(jìn)行穩(wěn)定性觀測(cè)，采集護(hù)面塊體失穩(wěn)數(shù)據(jù)，確定其臨界穩(wěn)定狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的波高值，再利用Hudson公式計(jì)算出塊體穩(wěn)定系數(shù)KD。推薦設(shè)計(jì)采用的KD值考慮了一定的安全度，取值均小于臨界值。各斷面試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 各斷面試驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)測(cè)結(jié)果看，防波堤結(jié)構(gòu)斷面一戧臺(tái)頂高程設(shè)置在靜水位以下1.5倍波高處時(shí)，塊體穩(wěn)定性較差，原因是戧臺(tái)水平面與斜坡面連接處塊體間嵌固作用較弱，塊體發(fā)生失穩(wěn)破壞首先從這一位置開始，而且，一旦出現(xiàn)塊體失穩(wěn)，導(dǎo)致大面積破壞的概率非常大，因?yàn)槠录缂皯昱_(tái)平面上塊體的狀態(tài)及受力與坡面上完全不同，相互之間連接比較松散、相互間的嵌固作用較小，穩(wěn)定性很差。個(gè)別塊體失穩(wěn)后，沒有自我修復(fù)能力，易引起大面積的破壞。有研究表明，如果護(hù)面塊體放置于傾斜度逐漸加大的斜面上，塊體間的相互嚙合作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，護(hù)面塊體的穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)[3]。

水面附近護(hù)面塊體的穩(wěn)定重量計(jì)算按規(guī)范規(guī)定KD值取18，斷面一戧臺(tái)位置護(hù)面塊體的臨界穩(wěn)定系數(shù)為25，其穩(wěn)定重量與上部相比小的有限，以此來確定整個(gè)下部坡面護(hù)面塊體顯然是很不經(jīng)濟(jì)的，故將戧臺(tái)頂高程降低至靜水位以下2.0倍波高處，進(jìn)行了斷面二的穩(wěn)定性試驗(yàn)。根據(jù)斷面二試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算戧臺(tái)及以下塊體的穩(wěn)定重量，穩(wěn)定系數(shù)KD可取30，也就是說，當(dāng)確定靜水位上下1倍波高范圍內(nèi)塊體穩(wěn)定重量時(shí)，KD值取18，戧臺(tái)及以下塊體可以取水位附近塊體重量的0.6倍。

試驗(yàn)斷面三針對(duì)斷面一存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化。研究對(duì)象為戧臺(tái)以下坡面上的32 g扭王字塊體及37 g扭工字塊體的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，斷面三的結(jié)構(gòu)形式較為經(jīng)濟(jì)合理，戧臺(tái)以下坡面上的護(hù)面塊體穩(wěn)定性較好。當(dāng)戧臺(tái)頂高程設(shè)在靜水位以下1.5倍波高處時(shí)，計(jì)算下部坡面上扭王字塊體的穩(wěn)定重量時(shí)KD值可取72，即取靜水位附近護(hù)面塊體重量的1/4。當(dāng)戧臺(tái)頂高程設(shè)在靜水位以下1.0倍波高處時(shí)，計(jì)算下部坡面上扭王字塊體的穩(wěn)定重量KD值可取54，即取靜水位附近護(hù)面塊體重量的1/3；采用扭工字塊體護(hù)面時(shí)，因?yàn)槭莾蓪影卜牛菰S有1%的失穩(wěn)率，計(jì)算穩(wěn)定重量KD可取36，1.0倍波高以下的扭工字塊體重量取靜水位附近護(hù)面塊體重量的1/2即可滿足穩(wěn)定性要求。

5 深水斜坡式防波堤設(shè)計(jì)計(jì)算方法

5.1 戧臺(tái)頂高程的設(shè)計(jì)

5.2 戧臺(tái)以下護(hù)面塊體穩(wěn)定重量的設(shè)計(jì)

1）深水斜坡堤設(shè)計(jì)中若采用本研究中斷面一的結(jié)構(gòu)形式，戧臺(tái)上及戧臺(tái)以下坡面的塊體重量不宜小于上部護(hù)面塊體，我們不建議采用這種結(jié)構(gòu)形式。如要采用，戧臺(tái)頂高程不宜高于靜水位下2倍波高（斷面二），扭王字塊體重量?jī)H能減小至上部護(hù)面塊體重量的0.6倍。

2）深水斜坡式防波堤設(shè)計(jì)宜采用本研究中斷面三的結(jié)構(gòu)形式。在波浪正向作用下，且堤前波浪不破碎，防波堤戧臺(tái)以下護(hù)面塊體的穩(wěn)定重量仍可按公式W=0.1計(jì)算，但根據(jù)不同情況，KD取值應(yīng)有所區(qū)別。

斜坡堤戧臺(tái)位于靜水位下1.0倍設(shè)計(jì)波高處，戧臺(tái)以下坡面采用扭王字塊體。計(jì)算靜水位上、下一倍波高之間的護(hù)面塊體穩(wěn)定重量時(shí)塊體穩(wěn)定系數(shù)KD=18，確定戧臺(tái)以下扭王字塊體穩(wěn)定重量時(shí)，KD值可取54，即戧臺(tái)以下塊體重量取上部塊體重量的1/3。

若戧臺(tái)高程降低至靜水位下1.5倍設(shè)計(jì)波高處，相應(yīng)KD值可取72，即戧臺(tái)以下塊體重量可取上部塊體重量的1/4。

斜坡堤戧臺(tái)位于靜水位下1.0倍有效波高處，戧臺(tái)以下坡面采用兩層扭工字塊體時(shí)，可允許有少量塊體失穩(wěn)，個(gè)別塊體的失穩(wěn)并不影響整個(gè)護(hù)面的穩(wěn)定性。計(jì)算設(shè)計(jì)水位附近護(hù)面塊體穩(wěn)定重量時(shí)仍采用KD=18，戧臺(tái)以下扭工字塊體允許失穩(wěn)率為1%時(shí)，確定其穩(wěn)定重量KD值可取36，即戧臺(tái)以下塊體重量取上部塊體重量的1/2。

在本試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)，在相同的結(jié)構(gòu)斷面中（斷面三），重量相近的扭工字塊體比扭王字塊體穩(wěn)定性差，因此計(jì)算兩種塊體穩(wěn)定重量時(shí)不宜采用相同的穩(wěn)定系數(shù)。

6 結(jié)語

本文所研究的防波堤，護(hù)面塊體選用了工程中較常用的扭王字塊體和扭工字塊體，斷面結(jié)構(gòu)是較典型的帶戧臺(tái)形式，因此，本文推薦的深水防波堤設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)計(jì)算具有很好的參考意義，但具體工程都有其特殊性和復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析處理，必要時(shí)通過物模試驗(yàn)選擇確定。

[1]JTJ 298—98，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[2]俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2002.

[3][美]赫爾別克.海岸及海洋工程手冊(cè)[M].李玉成，陳士蔭，俞聿修，譯.大連：大連理工大學(xué)出版社，1992.

[4]陳萬佳.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，1989.