鄧夕貴，朱穎濤，謝守鵬，王培志，劉鳴洋，欒英妮，陳漢寶

(1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

港口工程中防波堤大多采用由堤心石、墊層和人工護(hù)面塊體(有的包括防浪胸墻)組成的斜坡堤，而寬肩臺(tái)斜坡堤在工程實(shí)例中出現(xiàn)較少[1-2]。根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154-2018)，寬肩臺(tái)斜坡堤為肩臺(tái)尺度較寬，在波浪作用下允許肩臺(tái)和坡面產(chǎn)生一定變形并形成動(dòng)態(tài)平衡剖面的塊石護(hù)面斜坡堤。寬肩臺(tái)斜坡堤可以采用更輕的護(hù)面塊石重量，適用于現(xiàn)場(chǎng)附近有充足石料來源的地區(qū)。對(duì)寬肩臺(tái)斜坡堤穩(wěn)定性的研究大多為斷面物理模型試驗(yàn)[2-6]，不能反映斜向浪作用下塊石沿堤軸向形態(tài)的變化規(guī)律。因此，針對(duì)斜向浪作用下寬肩臺(tái)斜坡堤穩(wěn)定性開展三維(整體)模型試驗(yàn)，能夠提升對(duì)該防波堤韌性的認(rèn)識(shí)水平，進(jìn)而為其設(shè)計(jì)提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 概述

在諸多研究者中，謝世楞[1]對(duì)寬肩臺(tái)式斜坡堤的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中的主要問題，諸如堤身斷面尺度、外坡塊石重量和允許越浪時(shí)內(nèi)坡塊石重量的確定、動(dòng)態(tài)平衡坡面形狀、堤頭形式以及質(zhì)量控制要點(diǎn)等進(jìn)行了全面的論述。寬肩臺(tái)式斜坡堤外坡允許變形，且護(hù)面塊石重量較輕，可以充分利用當(dāng)?shù)厥?，施工?jiǎn)便且造價(jià)低。劉志遠(yuǎn)等[2]通過開展斷面物理模型試驗(yàn)研究，詳細(xì)歸納了塊石級(jí)配、肩臺(tái)寬度隨波浪變化的規(guī)律性，其斷面模型試驗(yàn)還觀察了不同水位波浪作用下波浪爬高、越浪及堤頂沖刷情況，并對(duì)初始斷面和動(dòng)態(tài)平衡斷面進(jìn)行了綜合性評(píng)述。劉子琪等[3]通過對(duì)大連北良糧食中轉(zhuǎn)港之寬肩臺(tái)防波堤穩(wěn)定性進(jìn)行斷面模型試驗(yàn)，闡述了寬肩臺(tái)式防波堤在不規(guī)則波及規(guī)則波作用下沖刷剖面的演變過程及其在設(shè)計(jì)條件下最終形成的動(dòng)態(tài)平衡斷面，且對(duì)寬肩臺(tái)式防波堤穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)程序等進(jìn)行了探討。鄭子龍等[4]對(duì)青島造船廠寬肩臺(tái)式防波堤在不規(guī)則波作用下的變形進(jìn)行了斷面試驗(yàn)研究，描述了最終動(dòng)態(tài)平衡斷面的形成過程，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)護(hù)面層越厚對(duì)塊石的穩(wěn)定性越有利。李珊等[5]采用了斷面物理模型試驗(yàn)對(duì)不同護(hù)面重量、不同級(jí)配的寬肩臺(tái)堆石防波堤進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，并用3種方法對(duì)斷面破壞結(jié)果進(jìn)行描述。通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，護(hù)面塊石形狀(粗糙度)和級(jí)配明顯影響護(hù)面破壞程度，護(hù)面層數(shù)越厚則護(hù)面越穩(wěn)定。陳謙等[6]將人工護(hù)面塊體斜坡堤與寬肩臺(tái)斜坡堤進(jìn)行了對(duì)比分析，得出兩種不同結(jié)構(gòu)形式在掩護(hù)效果、護(hù)面穩(wěn)定性、石料用量、工程造價(jià)等方面的不同特點(diǎn)和差異性。周雅等[7]通過具體工程波浪斷面物理模型試驗(yàn)，研究了不同波要素和斷面尺度對(duì)斜坡堤越浪量的影響，比較了隨機(jī)、規(guī)則兩種扭王字塊體擺放型式的消浪效果，發(fā)現(xiàn)相對(duì)肩臺(tái)及平臺(tái)寬度越大，越浪量越小，表明更大的肩臺(tái)寬度對(duì)波浪傳遞有衰減作用。戈龍仔等[8]對(duì)L型擋浪墻和反弧形擋浪墻、不同的擋浪墻頂高程和斜坡坡度，以及增加擋浪墻前護(hù)面塊體數(shù)量即肩臺(tái)寬度等措施進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)反弧形擋浪墻容易傾覆失穩(wěn)，增加擋浪墻前肩臺(tái)寬度可以減少越浪并增強(qiáng)擋浪墻的穩(wěn)定性。此外，諸多研究者[9-12]針對(duì)拋石堤的穩(wěn)定性、透射特征以及施工情況進(jìn)行了深入研究，對(duì)拋石斜坡堤的性能和穩(wěn)定性得到了規(guī)律性的認(rèn)識(shí)；另有研究者[13-15]對(duì)大型港區(qū)的波浪傳播特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究和機(jī)理分析；而關(guān)于描述結(jié)構(gòu)物三維輪廓的方法，已有研究者[16]利用三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)港口筒倉(cāng)內(nèi)壁磨損，可以作為本研究描述寬肩臺(tái)拋石堤三維形態(tài)變化的手段。

以上關(guān)于防波堤穩(wěn)定性的研究成果全部采用斷面物理模型試驗(yàn)作為研究手段。實(shí)際上，寬肩臺(tái)防波堤動(dòng)態(tài)平衡斷面的形成不僅和斷面內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)輸移有關(guān)，還受沿防波堤軸向的物質(zhì)輸移影響。尤其在斜向浪作用下，沿堤物質(zhì)輸移現(xiàn)象非常明顯，而該現(xiàn)象是無法通過斷面模型試驗(yàn)來反映和描述的。因此，本文通過開展三維(整體)物理模型試驗(yàn)，對(duì)斜向浪作用下寬肩臺(tái)式斜坡堤的護(hù)面和護(hù)底形態(tài)變化過程進(jìn)行觀察，對(duì)比浪向的不同對(duì)防波堤最終動(dòng)態(tài)平衡形態(tài)的影響，觀察護(hù)面和護(hù)底最終穩(wěn)定形狀沿堤軸向的分布規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法

2.1 波浪模擬

根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001)[17]，寬肩臺(tái)式防波堤的斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)采用不規(guī)則波進(jìn)行，因此本研究的整體穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行。不規(guī)則波采用頻譜模擬，頻譜采用《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)[18]中的JONSWAP譜。其解析式為

(1)

(2)

(3)

(4)

波浪模擬按照先從低到高、再?gòu)母叩降偷乃谎h(huán)，模擬一次風(fēng)暴潮的持續(xù)過程。模型試驗(yàn)開始前，每個(gè)方向、每個(gè)水位先用小波連續(xù)作用一段時(shí)間，再正式試驗(yàn)。根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，每個(gè)試驗(yàn)水位的波浪作用時(shí)間以形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形態(tài)為準(zhǔn)，且不小于2 h(原體值)。

2.2 防波堤穩(wěn)定性判定

完成從低水位到高水位、再?gòu)母咚坏降退坏耐鶑?fù)試驗(yàn)后，對(duì)防波堤的最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定情況進(jìn)行記錄。每個(gè)試驗(yàn)水位造波結(jié)束后對(duì)防波堤的形態(tài)進(jìn)行照相和觀察，并采用三維激光掃描儀等進(jìn)行掃描和記錄，并與前一試驗(yàn)水位動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)于各級(jí)肩臺(tái)處的棱體塊石，參考寬肩臺(tái)式斜坡堤失穩(wěn)條件進(jìn)行判定，即堤心石外露時(shí)判定為失穩(wěn)。而對(duì)于某些工程實(shí)例，堤頂區(qū)域的堤心石上可能僅有1～2層護(hù)面塊石，堤頂更容易受波浪影響而失穩(wěn)，故本文對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)中堤頂區(qū)域1～2層護(hù)面塊石部分，按普通斜坡堤護(hù)面塊石失穩(wěn)率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失穩(wěn)判定。具體定義為：當(dāng)1～2層護(hù)面塊石失穩(wěn)率超過2%時(shí)判定為失穩(wěn)，處于1%～2%時(shí)判定為臨界穩(wěn)定，小于1%時(shí)判定為穩(wěn)定。

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 模型實(shí)例

模型試驗(yàn)以福建省某一級(jí)漁港東防波堤工程[19]為研究對(duì)象。該防波堤為寬肩臺(tái)斜坡堤，總長(zhǎng)1 550 m，由北段(AB)和南段(BC)組成，如圖1所示。主要波浪方向如圖2所示。BC段防波堤外坡肩臺(tái)寬18 m、高程為5.0 m，肩臺(tái)以上坡度為1:2，肩臺(tái)以下坡度為1:1.5，堤頂高程10.0 m，堤頂寬度為8.0 m，內(nèi)坡坡度為1:1.5；外坡設(shè)有二級(jí)壓載平臺(tái)，平臺(tái)寬20 m、高程為1.0 m，內(nèi)、外坡及肩臺(tái)拋填0.8～2.5 t塊石。整個(gè)東防波堤堤心拋填石料重量5～300 kg，BC段外坡坡腳設(shè)有35～45 m寬的150～300 kg拋石護(hù)底。除堤身外，南堤頭的4.5～5.0 m肩臺(tái)部分至1.0 m肩臺(tái)坡腳部分以及堤頂區(qū)域，表層為1～2層2.0～2.5 t塊石，護(hù)底塊石為0.5～2.0 t塊石，護(hù)底表面為1～2層1.0～1.5 t塊石。BC段南堤頭和堤身斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 防波堤平面布置

3-a 堤頭斷面

3.2 試驗(yàn)設(shè)施和模型制作

模型試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)廳中完成。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)、定床模型。試驗(yàn)場(chǎng)地為42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(圖2)，采用幾何比尺λ=40。模型中各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級(jí)配符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154-2018)[20]中對(duì)于寬肩臺(tái)斜坡堤的規(guī)定，同時(shí)滿足《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求。造波采用總長(zhǎng)40 m可移動(dòng)推板式不規(guī)則波造波機(jī)及其控制系統(tǒng)。防波堤形態(tài)變化，除進(jìn)行肉眼觀察和直接測(cè)量外，亦采用三維激光掃描儀獲得被掃測(cè)物體表面前后形狀變化。其原理是利用激光測(cè)距，記錄被測(cè)物體表面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息。

3.3 試驗(yàn)水位和波浪要素

結(jié)合本工程水文信息，以1985國(guó)家高程為基準(zhǔn)，試驗(yàn)水位如下：極端高水位(100 a)為4.65 m，設(shè)計(jì)高水位為3.15 m，補(bǔ)充水位為0.00 m，設(shè)計(jì)低水位為-2.76 m，極端低水位(100 a)為-3.79 m。

擬建漁港工程N(yùn)-S向朝向開敞大海，主要受到6個(gè)方向外海波浪的影響，其中SE-ESE向?yàn)榕_(tái)風(fēng)浪方向。SE向?yàn)榭刂评讼颍?00 a一遇極端高水位疊加重現(xiàn)期100 a波浪，計(jì)算點(diǎn)D處H1%為6.76 m，H13%為5.01 m，H5%為5.77 m。除SE向外，ESE向、E向、S向、SSE向波浪作用亦進(jìn)行了研究。波浪要素計(jì)算點(diǎn)D如圖2所示，計(jì)算點(diǎn)D波浪要素如表1所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 防波堤堤頭穩(wěn)定性

從控制浪向SE向開始，先后進(jìn)行SE向、ESE向、S向、SSE和E向浪試驗(yàn)；每個(gè)浪向均進(jìn)行從低水位到高水位、再?gòu)母咚坏降退坏难h(huán)往復(fù)試驗(yàn)；每個(gè)水位的波浪作用持續(xù)時(shí)間均使得該水位下堤頭形狀輪廓不再變化，再進(jìn)行下一水位的造波。每個(gè)浪向試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)寬肩臺(tái)防波堤南堤頭的最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行記錄和分析。

南堤頭試驗(yàn)前和各個(gè)方向波浪作用后的形態(tài)如圖4所示。寬肩臺(tái)部分的穩(wěn)定性判定以堤心石是否外露為標(biāo)準(zhǔn)。由于堤頭的堤頂至第一層肩臺(tái)之間區(qū)域?yàn)?～2層2.0～2.5 t塊石，其下部即堤心石，0.5～2.0 t護(hù)底塊石表面為1～2層1.0～1.5 t塊石，且考慮到堤頭的重要性，故上述區(qū)域的穩(wěn)定性判定以2.2節(jié)所述普通斜坡堤護(hù)面塊石失穩(wěn)率定義為標(biāo)準(zhǔn)。

4-a 試驗(yàn)前 4-b SE向浪作用后 4-c ESE向浪作用后

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象觀察，SE向浪作用下，經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)后，堤頂至海側(cè)5.0 m肩臺(tái)之間1～2層2.0～2.5 t護(hù)面塊石失穩(wěn)率介于1%～2%，為臨界穩(wěn)定；護(hù)底表層1.0～1.5 t塊石失穩(wěn)率介于1%～2%，為臨界穩(wěn)定；兩個(gè)肩臺(tái)中僅在4.5～5.0 m肩臺(tái)部分有局部被沖刷滾動(dòng)露出的0.8～2.5 t護(hù)面塊石，未露出堤心石，為穩(wěn)定。經(jīng)過一組試驗(yàn)水位循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)后，堤頭形狀輪廓未見明顯變化，無形成“S”形動(dòng)態(tài)穩(wěn)定剖面的趨勢(shì)。ESE向浪作用下，由于波高相較SE向有所減小，4.5～5.0 m肩臺(tái)上表層2.0～2.5 t塊石滾動(dòng)現(xiàn)象減弱；堤頂至4.5～5.0 m肩臺(tái)之間的1～2層護(hù)面塊石失穩(wěn)率小于1%，為穩(wěn)定；護(hù)底表層1.0～1.5 t塊石失穩(wěn)率小于1%，為穩(wěn)定。S向、SSE向和E向浪作用下，波高比SE向和ESE向浪明顯更小，作用在塊石上的波能減小，故堤頂、肩臺(tái)、護(hù)底三個(gè)區(qū)域的形態(tài)相較前一浪向試驗(yàn)后形態(tài)幾乎未發(fā)生可見的變化。

試驗(yàn)中觀察到堤頂和肩臺(tái)部分的塊石變化集中在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位，而護(hù)底的變化主要集中在設(shè)計(jì)低水位和極端低水位。另外，堤頂區(qū)域的1～2層2.0～2.5 t護(hù)面塊石，由于其厚度很小，其下即堤心石，故波能在堤頂區(qū)域的衰減程度明顯小于在透水性更好的寬肩臺(tái)區(qū)域。因此，在寬肩臺(tái)區(qū)域的塊石不再發(fā)生滾動(dòng)的工況中，堤頂區(qū)域的1～2層2.0～2.5 t塊石總能發(fā)生個(gè)別滾動(dòng)移位。

4.2 防波堤堤身穩(wěn)定性

從控制浪向SE向開始，先后進(jìn)行SE向、ESE向、S向、SSE向和E向浪試驗(yàn)；每個(gè)浪向均進(jìn)行從低水位到高水位、再?gòu)母咚坏降退坏难h(huán)往復(fù)試驗(yàn)；每個(gè)水位的波浪作用持續(xù)時(shí)間均使得該水位下堤頭形狀輪廓不再變化，再進(jìn)行下一水位的造波。每個(gè)浪向試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)寬肩臺(tái)防波堤南堤頭的最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行記錄和分析。試驗(yàn)中觀察到東防波堤堤身并無越浪現(xiàn)象，波浪由南側(cè)口門傳入港內(nèi)后迅速消散，因此對(duì)寬肩臺(tái)防波堤海側(cè)堤身的最終動(dòng)態(tài)穩(wěn)定形態(tài)進(jìn)行記錄和分析。海側(cè)堤身經(jīng)歷SE向、ESE向和E向波浪作用后的形態(tài)如圖5-a～圖5-c所示。選取肉眼觀察下堤身變化最明顯的位置(圖中虛線所示)，對(duì)形態(tài)三維掃測(cè)結(jié)果進(jìn)行斷面截取，如圖5-d～圖5-f所示。

5-a SE向浪作用后 5-b ESE向浪作用后 5-c E向浪作用后

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象觀察，SE向100 a一遇浪作用下，經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)后(如圖5-a和圖5-d所示)，海側(cè)150～300 kg護(hù)底塊石部分向北沿堤沖刷推移，部分被波浪攜帶沖刷到堤身護(hù)面塊石上；5.0 m和1.0 m肩臺(tái)的0.8～2.5 t塊石部分被沖刷至此的護(hù)底塊石覆蓋，肩臺(tái)對(duì)應(yīng)高程的堤心石未露出；堤頂至5.0 m肩臺(tái)之間1～2層0.8～2.5 t護(hù)面塊石個(gè)別滾動(dòng)移位，其失穩(wěn)率小于1%，為穩(wěn)定。ESE向浪作用下，150～300 kg護(hù)底塊石繼續(xù)被波浪攜帶沖刷至肩臺(tái)上，堤頂區(qū)域護(hù)面塊石以及肩臺(tái)塊石仍然穩(wěn)定(如圖5-b和圖5-e所示)。E向浪作用下，由于波浪方向幾乎垂直于防波堤BC段軸線，護(hù)底塊石被波浪攜帶向北沿堤輸移現(xiàn)象幾乎不存在，而是主要自東向西被沖刷至肩臺(tái)上(如圖5-c和圖5-f所示)。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和激光掃測(cè)輪廓形狀，海側(cè)的輪廓變得高于波浪作用前，穩(wěn)定輪廓曲面并非通常斷面試驗(yàn)所觀察到的“S”形，且除了護(hù)底外側(cè)區(qū)域其他地方并無凹陷。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)低水位(-2.76 m)和極端低水位(-3.79 m)時(shí)，波浪作用于高程為-2.0 m的150～300 kg護(hù)底塊石，導(dǎo)致其被持續(xù)推向肩臺(tái)方向，又在高水位(3.15 m和4.65 m)時(shí)繼續(xù)攜帶并沉積至肩臺(tái)上，最后在肩臺(tái)位置形成了凸起(見圖5-d～圖5-f)。除了斷面內(nèi)發(fā)生向肩臺(tái)上的物質(zhì)輸移外，沿堤方向(縱向)也同樣發(fā)生了護(hù)底塊石的輸移現(xiàn)象，這是因?yàn)樾毕蚶藢?duì)堤身不僅有橫向作用，亦存在縱向作用。波浪方向與防波堤軸向越接近，則這種輸移越明顯；反之則是斷面內(nèi)的輸移越明顯。

試驗(yàn)中觀察到的堤身輪廓的凸起或凹陷變化，基本來自護(hù)底塊石的輸移，而每個(gè)浪向下肩臺(tái)塊石在經(jīng)歷足夠長(zhǎng)時(shí)間的波列作用后，并未觀察到其沿堤軸線方向或在斷面內(nèi)有明顯位移現(xiàn)象，而主要呈現(xiàn)的是原位置翻滾現(xiàn)象。針對(duì)此現(xiàn)象，對(duì)塊石的穩(wěn)定重量進(jìn)行分析和討論。根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》，寬肩臺(tái)斜坡堤在設(shè)計(jì)中其護(hù)面塊石的穩(wěn)定重量為一般斜坡堤拋填塊石穩(wěn)定重量的1/20～1/5。一般斜坡堤護(hù)面塊石穩(wěn)定重量計(jì)算公式如下

(5)

式中：W為單個(gè)塊石的重量，t；γb為塊石材料重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；H為設(shè)計(jì)波高，m，在這里取H5%；KD為塊石穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)于拋填2層取4.0；α為斜坡與水平面夾角，(°)。

表2 護(hù)面塊石穩(wěn)定重量

計(jì)算結(jié)果表明，100 a波浪條件下，寬肩臺(tái)防波堤的肩臺(tái)護(hù)面塊石重量取0.8～2.5 t或2.0～2.5 t，重量合理。但從試驗(yàn)現(xiàn)象分析，防波堤護(hù)面塊石的穩(wěn)定重量不僅與塊石本身重量有關(guān)，還與護(hù)面層厚度有關(guān)。護(hù)面層越厚，其相應(yīng)的透水性能就越好，波浪作用于防波堤時(shí)，波能的損失亦越大，從而有利于護(hù)面塊石的穩(wěn)定。這也是試驗(yàn)中觀察到在極端高水位和設(shè)計(jì)高水位時(shí)，堤頂至5.0 m肩臺(tái)之間1～2層2.0～2.5 t護(hù)面塊石總會(huì)發(fā)生個(gè)別滾動(dòng)移位的原因，即若按一般斜坡堤護(hù)面塊石穩(wěn)定重量計(jì)算，僅1～2層的2.0～2.5 t塊石是不滿足要求的。

基于此現(xiàn)象，針對(duì)堤頭結(jié)構(gòu)降低堤心石高程以增大堤頂區(qū)域護(hù)面塊石厚度，再次觀察波浪作用后堤頂塊石的穩(wěn)定性。修改后的堤頭結(jié)構(gòu)斷面如圖6所示，其中堤心石頂高程降至4.5～5.0 m肩臺(tái)高程。主浪向SE向浪，所有試驗(yàn)水位循環(huán)往復(fù)進(jìn)行波浪作用后，堤頂塊石的形態(tài)如圖7所示。由圖7可以看出，堤頂護(hù)面塊石加厚后其穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，幾乎未見任何原位置滾動(dòng)現(xiàn)象。因此，在維持堤頂高程不變的前提下，通過降低堤心石頂高程增大堤頂區(qū)域護(hù)面塊石厚度，可增強(qiáng)防波堤的穩(wěn)定性。

圖6 增厚堤頂護(hù)面塊石的堤頭斷面(尺寸：mm，高程：m)

圖7 增厚堤頂護(hù)面塊石后的堤頭形態(tài)變化

從南堤頭起始，沿防波堤BC段向北依次布置若干觀察點(diǎn)(圖8)，依次對(duì)堤身海側(cè)的150～300 kg護(hù)底塊石損失量進(jìn)行測(cè)量，其中1～4號(hào)點(diǎn)觀察堤頭區(qū)域，19號(hào)點(diǎn)觀察B點(diǎn)區(qū)域。結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，防波堤海側(cè)護(hù)底塊石在6～9號(hào)點(diǎn)處其寬度損失達(dá)到最大，超過了44 m，但其仍保持了護(hù)底功能，護(hù)面未出現(xiàn)下滑。另外，堤身護(hù)底寬度損失程度并不一致，呈現(xiàn)出沿堤軸線方向由南向北先增大后減小的特征。出現(xiàn)此形態(tài)特征的原因，一方面是護(hù)底寬度損失最大處其護(hù)底塊石沿堤軸向遷移后，沒有物質(zhì)補(bǔ)充；另一方面是BC段北側(cè)其護(hù)底塊石除了沿堤軸向輸移損失外，還有來自BC段南側(cè)損失的護(hù)底塊石被波浪沖刷攜帶至此補(bǔ)充。因此，當(dāng)護(hù)底塊石運(yùn)移達(dá)到平衡形態(tài)時(shí)，其寬度損失最終形成了由南向北先增大后減小的特征。

圖8 護(hù)底塊石變化觀察點(diǎn)

表3 護(hù)底高程和寬度變化

5 結(jié)論

本文針對(duì)寬肩臺(tái)防波堤穩(wěn)定性，開展了三維物理模型試驗(yàn)研究。研究了不同方向波浪作用下，防波堤堤身動(dòng)態(tài)平衡形態(tài)的形成規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)斜向浪作用下，寬肩臺(tái)防波堤的護(hù)底塊石除了發(fā)生斷面內(nèi)的物質(zhì)輸移外，沿防波堤軸向也存在明顯的物質(zhì)輸移。波浪方向從與防波堤呈約45°夾角至近乎垂直于防波堤軸向，護(hù)底塊石沿軸向輸移程度減弱，在斷面內(nèi)向肩臺(tái)推移的現(xiàn)象增強(qiáng)。

(2)設(shè)計(jì)低水位和極端低水位下，護(hù)底塊石的沖刷變形更加明顯；設(shè)計(jì)高水位和極端高水位下，堤頂區(qū)域護(hù)面塊石和肩臺(tái)塊石形態(tài)分別發(fā)生個(gè)別位移及原位置滾動(dòng)，且并未出現(xiàn)“S”形剖面，而是局部被推移至此的護(hù)底塊石覆蓋。

(3)寬肩臺(tái)斜坡堤的肩臺(tái)塊石穩(wěn)定重量遠(yuǎn)小于一般斜坡堤1～2層護(hù)面塊石穩(wěn)定重量，這是因?yàn)楦竦募缗_(tái)塊石使波能損失更大，故堤頂部分的護(hù)面塊石厚度在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大。

(4)斜向浪作用下，堤身護(hù)底沖刷損失程度并不一致，其寬度減小量呈現(xiàn)出沿堤軸線方向先增大后減小的特征。