封有德，馮先導

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

以色列Ashdod港水文波浪特性及防波堤臨時防護研究

封有德，馮先導

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

依托以色列Ashdod港工程項目，分析總結(jié)了地中海的水文波浪特點及強浪詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)堤頭防護物模試驗，列舉了不同護面塊體在各級波況下穩(wěn)定研究成果，并對比了規(guī)范經(jīng)驗公式護面塊體穩(wěn)定重量的計算結(jié)果。最后對現(xiàn)場防波堤臨時防護結(jié)構(gòu)進行介紹和防護效果總結(jié)。

地中海；水文特性；防護結(jié)構(gòu)；物模試驗；防波堤

1 以色列Ashdod港項目概況

以色列阿什杜德港擴建工程位于地中海東岸，是以色列的第二大深水港口。該項目包括：防波堤工程、碼頭工程、航道疏浚、陸域吹填和地基處理等。防波堤工程包括：長度600 m的拋石斜坡式離岸主防波堤，水深-20～-25 m；長度1 480 m的斜坡式LEE防波堤，水深0～-17 m。碼頭工程包括：18個沉箱及鋼管樁結(jié)構(gòu)組成的Q28碼頭，泊位長度434 m，港池浚深-17.5 m；H+AZ組合板樁結(jié)構(gòu)的Q27集裝箱碼頭，泊位長度800 m，港池浚深-17.5 m等。

2 水文波浪特性

圖1 有效波高及周期分布玫瑰圖Fig.1 Significant wave height and wave period rose

(2)潮汐特征值。大潮高潮位: 0.38 m，平潮高潮位: 0.18 m，平均海平面: 0.08 m，平潮低潮位: -0.12 m，大潮低潮位: -0.22 m。

(3)海流。地中海東岸海流較小且多由波生成。根據(jù)近岸浮標統(tǒng)計數(shù)據(jù)，90%的底部和表面流速都小于0.35 ms，最大流速發(fā)生在風暴期間，可達1 ms。

(4)波浪條件。以色列Ashdod港波浪主浪向及強浪向均為WNW，波浪周期多為6～8 s及以上，為中長周期波。根據(jù)波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全年有效波高小于1 m波高的出現(xiàn)頻率為76%。4～10月，有效波高小于1 m波高的出現(xiàn)頻率為84%，11月至次年3月為68%。有效波高及周期分布玫瑰圖見圖1。有效波高頻率分布統(tǒng)計表見表1。

(5)冬季極端波浪記錄。地中海沿岸全年波高分布具有鮮明的季風性特點，根據(jù)1992～2011年極端波浪(有效波高3.5 m以上)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，總次數(shù)是91次，平均每年5次，最少2次，最多9次，均出現(xiàn)在11～3月，每次平均持續(xù)時間約47 h，最長100 h，最短18 h。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，有效波高大于6 m記錄發(fā)生在2002年12月，2008年1月和2010年12月，2015年1月，2017年1月。施工區(qū)域大浪方向均為WNW，現(xiàn)場實測極端波浪信息見表2及表3。

表1 有效波高的頻率分布統(tǒng)計

注：本表根據(jù)2011年4月～2016年3月實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，測站坐標為(N31°52’31”，E34°38’58”)。

表2 2015年11月～2016年3月現(xiàn)場實測極端波浪記錄Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

表2 2015年11月～2016年3月現(xiàn)場實測極端波浪記錄Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

大浪編號波浪要素及發(fā)生時間Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向發(fā)生時間1#5．228．2711．8294°(WNW)2016∕1∕12#3．937．5312．5278°(WNW)2016∕1∕83#4．698．0012．5288°(WNW)2016∕1∕94#5．049．8711．8285°(WNW)2016∕1∕245#5．299．1212．5288°(WNW)2016∕2∕76#4．687．2512．5284°(WNW)2016∕2∕22

注：波浪測站位于主防波堤北側(cè)5 km左右。

表3 2016年11月～2017年3月現(xiàn)場實測極端波浪記錄Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

表3 2016年11月～2017年3月現(xiàn)場實測極端波浪記錄Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

大浪編號波浪要素及發(fā)生時間Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向發(fā)生時間1#3．225．3710．0285°(WNW)2016∕11∕12#4．518．2510．8281°(WNW)2016∕12∕23#5．399．2510．5292°(WNW)2016∕12∕144#3．857．5910．5285°(WNW)2017∕1∕95#6．2411．3011．1292°(WNW)2017∕1∕27

注：波浪測站位于主防波堤北側(cè)5 km左右。

3 防波堤堤頭臨時防護標準

根據(jù)波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，施工區(qū)域在夏季(4～10月)期間，有效波高1.5 m以下約占97%，統(tǒng)計資料中未出現(xiàn)Hs>3 m的情況，防波堤施工過程僅需要考慮在Hs>2 m情況下堤心石的防護。另根據(jù)設(shè)計說明，冬季期間應考慮10 a一遇波浪條件。因此，根據(jù)設(shè)計波要素，主防波堤完全位于外海，應取Hs=6.2 m；LEE防波堤隨施工進度推進，水深逐漸加大，海底坡度約為1:200，根據(jù)《海港水文規(guī)范》[1]，不規(guī)則波浪的破碎波高與破碎水深存在一定關(guān)系，波高與水深最大比值約為0.69。因此，無論外海多大波高，依照該理論，7 m水深處的堤頭最大有效波高Hs=4.83 m。據(jù)此，得出不同階段和位置的防波堤堤頭防護標準(表4)。

圖2 主防波堤示意圖Fig.2 Sketch of main breakwater

部位設(shè)計波要素重現(xiàn)期主防波堤(23m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇LEE堤CH450(7m水深)Hs=4．8m；Ts=12s∕LEE堤CH850(11m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇

4 防波堤堤頭防護結(jié)構(gòu)及物模試驗情況

根據(jù)現(xiàn)場實際施工進度，2015年11月20日前，LEE防波堤全斷面施工至CH+450里程；2016年11月20日前，LEE防波堤全斷面施工至CH+850,主防波堤全斷面施工到CH+100。本文將主要介紹主防波堤相關(guān)防護情況，LEE防波堤簡要敘述防護效果。越冬臨時防護方案將以CH+100斷面為基準進行臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計。主防波堤標準斷面見圖2。

4.1物模試驗成果

對于中長周期波浪條件，斜坡堤護面穩(wěn)定重量應根據(jù)物模試驗確定[2]。天津水運工程科學研究院對主防波堤堤頭越冬臨時防護進行了相關(guān)物理模型試驗[3]。物模試驗首先對防波堤施工過程堤心石和護面塊體穩(wěn)定極限標高進行了試驗研究。護面的穩(wěn)定性主要通過目測來判定[4]，試驗結(jié)果見表5。

表5 堤心石及護面塊體穩(wěn)定極限標高試驗結(jié)果[3]Tab.5 Test results of different types of rock[3]

根據(jù)試驗結(jié)果得出結(jié)論：當波浪有效波高大于2.0 m時，需要對堤心石進行臨時防護，或?qū)⒌绦氖┕烁呓档椭?5.0 m以下；當有效波高大于3.0 m時，需要對第一層護面塊石(1～3 t)進行防護；當有效波高大于4.5 m時需要對第二層護面塊石(3～6 t)進行防護。

同時進行了10 a一遇波浪條件下的堤頭防護物理模型試驗研究。分別模擬了32 t石籠防護和40 t Antifer塊兩種防護方案試驗。試驗成果表明：①對于鋼絲繩網(wǎng)兜石籠防護方案[5]，當重現(xiàn)期為10 a一遇的波浪作用時，需對堤頭坡面采用單個32 t石籠防護，堤頭頂端采用單個16 t石籠防護，堤頭可保持穩(wěn)定；②對于使用Antifer塊防護方案，當重現(xiàn)期為10 a一遇的波浪作用時，需對堤頭坡面采用40 t Antifer防護，堤頭頂端采用16.8 t Antifer防護，整個堤頭可基本保持穩(wěn)定。物理模型試驗成果表明，較易破壞位置一般處于水面上下一倍波高作用位置。

表6 護面塊體穩(wěn)定重量與波高及坡比的關(guān)系[1]Tab.6 Relationship between armour stability with wave height and slope[1]

注：LEE堤堤頭坡度為1:1.5；主堤堤頭坡度為1:2。

4.2規(guī)范經(jīng)驗公式計算護面塊體穩(wěn)定重量

在制定防波堤施工過程方案時，仍然參考了《海港水文規(guī)范》8.2.6章節(jié)關(guān)于斜坡建筑物護面塊體穩(wěn)定重量的經(jīng)驗計算公式(表6)。計算結(jié)果未考慮堤頭部位塊體重量需要增加20%～30%。表中坡比1:2計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比得知，規(guī)范中的穩(wěn)定可理解為完全穩(wěn)定至個別塊石移位滾動的狀態(tài)。對于堤頭臨時防護不考慮20%～30%的重量增加，規(guī)范公式計算結(jié)果仍偏保守。

4.3現(xiàn)場防護結(jié)構(gòu)

依據(jù)物理模型試驗相關(guān)研究成果和工程實踐案例，最終確定在主防波堤堤頭采用單層40 t Antifer塊防護方案，為增強Antifer的穩(wěn)定性，在水面附近使用鋼絲繩將Antifer塊串聯(lián)。堤頭斜坡前端，堤心石(0～1 t)拋至-8.0 m標高，并延伸30 m長度。為防止堤頭越浪對堤后坡的沖刷，在堤后坡與設(shè)計斷面銜接處放置16.67 m3的Antifer塊，堤頂規(guī)則擺放3～6 t塊石防止越浪破壞堤頂。

4.4防護效果總結(jié)

2017年1月27日Hs=6.24 m(與10 a一遇波況一致)大浪過后對主堤堤頭臨時防護結(jié)構(gòu)進行了檢查。具體檢查內(nèi)容包括堤頭16.7 m3Antifer防護狀態(tài)及堤頂防護塊石狀態(tài)，-8.0 m以下堤心石沖刷情況等。

(1)堤頭Antifer 塊。此次風浪未對堤頭防護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，檢查組重點統(tǒng)計了現(xiàn)場標記的7塊Antifer，測量發(fā)現(xiàn)有部分Antifer塊出現(xiàn)一定位移，有個別40 tAntifer位移超過1倍塊體尺寸，西北角頂面Antifer塊連接的鋼絲繩被拉緊,見圖3。

圖3 大浪過后主堤堤頭防護結(jié)構(gòu)情況Fig.3 Situation of breakwater head protection after storm

(2)堤頂防護塊石?，F(xiàn)場進行堤頂防護時，未采取物理模型試驗中需要平鋪16 t石籠或16.8 t Antifer，而是使用3～6 t塊石規(guī)則擺放50 m范圍進行防護。實踐證明，防護效果非常良好。而現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，未進行堤頂防護的一段堤身，在頂部內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一條沖刷溝槽，寬度1～2 m，深度0.5 m，為堤頂越浪沖刷造成。

(3)-8m以下堤心石。風浪前，主堤北端0～1 t堤心石料(-8.0 m標高)已拋填至CH+170，大浪后及時進行多波束測量，堤心石基本無變化。對比風浪前后堤心石斷面，測圖顯示堤心石斷面呈現(xiàn)外低內(nèi)高形態(tài)，迎浪側(cè)坡頂有微小削角并雍高至波浪傳播方向。拋石斷面坡底周圍未明顯發(fā)現(xiàn)堤心石。

5 總結(jié)

地中海海域波浪條件具有鮮明的季風性特點，冬季常有大浪襲擊，防波堤建設(shè)期必須考慮堤頭臨時防護。根據(jù)試驗和現(xiàn)場實踐總結(jié)如下：(1)該施工海域采用10 a一遇波浪條件作為施工過程防護標準，比較合適；(2)防波堤施工過程防護應考慮淺水區(qū)域波高折減，以減小防護標準；(3)防波堤堤頂主要考慮越浪沖刷防護即可，3～6 t塊石規(guī)則擺放滿足防護要求；(4)防波堤堤頭水面附近防護，采用鋼絲繩將Antifer串聯(lián)具有良好的效果，40 t塊體在1:2坡面上移位不超過1倍的塊體邊長；(5)水下-8.0 m堤心石在大浪中幾乎未受影響，斷面呈現(xiàn)微小外低內(nèi)高形態(tài)。

[1]JTS145-2-2013,海港水文規(guī)范[S].

[2]張先武.長周期涌浪作用下斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].水運工程，2015 (1):58-62. ZHANG X W. Structure optimization design of mound breakwater under action by long period swell[J].Port & Waterway Engineering，2015 (1):58-62.

[3]交通運輸部天津水運工程科學研究院.以色列Ashdod項目防波堤施工過程和臨時防護物理模型試驗研究報告[R]. 天津: 交通運輸部天津水運工程科學研究院,2015.

[4]楊欣.斜坡堤護面穩(wěn)定性的試驗研究[J].水資源與水工程學報，2014(3):209-212. YANG X.Experiment on stability of protection surface on slope breakwater armor[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2014(3):209-212.

[5]曹兵.印尼Adipala防波堤施工期波浪與堤頭防護分析[J].水運工程，2014(1):188-191. CAO B. Wave analysis and research on protection of breakwater head under construction period for Adipala breakwater, Central Java,Indonesia[J].Port & Waterway Engineering，2014(1):188-191.

Hydrologic characteristics of Israel Ashdod Port and temporary protection of breakwater

FENGYou-de,FENGXian-dao

(CCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,China)

The Mediterranean hydrographic and wave characteristic was summarized based on the construction of Ashdod (HADAROM) Port Project, and the tests of armour stability under several wave heights were carried out for comparison between the tests and calculation of empirical equations. As a conclusion, the temporary protection structure design of breakwater on site during winter was proposed with the implemented results after storm.

Mediterranean; hydrologic characteristics; protection structure; physical model test; breakwater

U 656.2

：A

：1005-8443(2017)04-0357-04

2017-01-05；

：2017-02-16

封有德(1975-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，主要從事水運工程項目及技術(shù)管理。

Biography：FENG You-de(1975-), male, senior engineer.