陳德旺, 劉海源

(1.中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300451；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

寬肩臺(tái)式拋石防波堤是一種在波浪長期作用下，允許外坡變形，并利用最終形成的動(dòng)力平衡斷面來防浪的結(jié)構(gòu)?！斗啦ǖ膛c護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 154-2018)中對(duì)寬肩臺(tái)斜坡堤的定義為：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。由于允許外坡變形，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的條件比常規(guī)斜坡堤護(hù)面塊石的靜態(tài)穩(wěn)定條件低得多，因而所需的護(hù)面塊石重量亦較輕，同時(shí)其施工較簡(jiǎn)便，對(duì)于石料來源豐富的區(qū)域還可以充分利用采石場(chǎng)的石料，使得其經(jīng)濟(jì)性較好。寬肩臺(tái)斜坡堤自1983年冰島建成第一個(gè)以來[1]，世界各地建成或在建的就有幾十座。我國于1996年在大連北良糧食中轉(zhuǎn)港建成了第一座寬肩臺(tái)式防波堤[2]，從建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和使用效果來看取得了良好的效果。但自此以后，寬肩臺(tái)式防波堤在我國的港口海岸工程中建設(shè)的較少，開展的研究工作亦較少，對(duì)于其穩(wěn)定性的研究主要通過波浪斷面物理模型試驗(yàn)來進(jìn)行[3-7]。然而，實(shí)際工程中防波堤往往遭受斜向波的作用，并非斷面試驗(yàn)的正向作用，而斜向波作用寬肩臺(tái)斜坡堤，會(huì)引起坡面塊石的縱向輸移，會(huì)使得結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)和穩(wěn)定情況與斷面試驗(yàn)結(jié)果不同，因此通過三維穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[8-13]寬肩臺(tái)式防波堤的穩(wěn)定性是很有必要的。

本文以某寬肩臺(tái)式防波堤工程為例[14]，通過斷面模型試驗(yàn)，首先研究寬肩臺(tái)式防波堤在正向波浪作用下的動(dòng)力平衡斷面，再通過三維穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究寬肩臺(tái)式防波堤在斜向波作用下的穩(wěn)定性，得到了工程穩(wěn)定的寬肩臺(tái)斷面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)平面布置，并與斷面試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

工程總平面布置和典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面見圖1。防波堤工程包含東防波堤和南防波堤兩部分，南防波堤長150 m，東防波堤長605 m，均采用寬肩臺(tái)式拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)。斷面分為堤心和外部護(hù)面兩層，堤心石與傳統(tǒng)防波堤一樣，采用10～100 kg的碎石。外層采用1～3 t塊石護(hù)面，整個(gè)護(hù)面塊石平均重量為1.93 t，具體級(jí)配為1.0～1.5 t的塊石占22%，1.5～2.0 t的塊石占25%，2.0～2.5 t的塊石占40%，2.5～3.0 t的塊石占13%。護(hù)面層設(shè)置18 m寬的肩臺(tái)，肩臺(tái)頂面高程為+5.0 m，胸墻頂高程為+11.0 m，高程為+5.0～+11.0 m采用9 t扭王字塊護(hù)面。SE向波浪為工程區(qū)強(qiáng)浪向和常浪向，與東防波堤軸線夾角為65°，與南防波堤軸線夾角為23°，均為斜向浪。

1-a 工程總平面布置圖

1-b 典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面圖(尺寸:mm，高程:m)圖1 工程總平面布置和典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Project general layout and typical design cross-section

2 物理模型試驗(yàn)

針對(duì)寬肩臺(tái)防波堤進(jìn)行的斷面物理模型試驗(yàn)斷面位于東防波堤堤身處。針對(duì)南防波堤、南防波堤和東防波堤之間的過渡段以及東防波堤的一部分(過渡段以東100 m)進(jìn)行三維穩(wěn)定性試驗(yàn)，該部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)平面布置及模型布置分別見圖2和圖3。斷面試驗(yàn)和三維整體試驗(yàn)幾何比尺均為40。試驗(yàn)水位(當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面)包含：極端高水位為+5.12 m；設(shè)計(jì)高水位為+4.07 m；設(shè)計(jì)低水位為+0.36 m。試驗(yàn)波浪采用SE向重現(xiàn)期50 a波浪要素[15]，見表1(斷面試驗(yàn)和三維穩(wěn)定性試驗(yàn)均采用同一波浪要素)。

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave conditions of the test

圖2 設(shè)計(jì)防波堤結(jié)構(gòu)平面布置 圖3 防波堤三維模型布置Fig.2 Design layout of breakwater structure Fig.3 3D model layout of breakwater

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 斷面模型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行，每個(gè)水位下按造波序列輪回打波，每隔1 h(原體)測(cè)量斷面坡面的變化并觀測(cè)塊石的穩(wěn)定情況，當(dāng)前后兩次測(cè)量的坡面形狀基本一致，認(rèn)為該水位下斷面達(dá)到動(dòng)力平衡。設(shè)計(jì)低水位波浪作用，僅大浪作用沖刷至肩臺(tái)，肩臺(tái)外端在波浪作用下護(hù)面塊石塌落并在靜水位下方坡面堆積，剖面呈反S形，隨著作用時(shí)間延長，沖刷作用減弱，當(dāng)作用4 h后，達(dá)到動(dòng)力平衡。設(shè)計(jì)高水位和極端高水位波浪作用，肩臺(tái)被沖刷，肩臺(tái)寬度減小，一部分塊石被波浪上推至9 t扭王字塊護(hù)面處堆積，一部分在波谷作用時(shí)被帶至坡面中部和坡腳堆積，坡面中間段坡度變緩，整個(gè)試驗(yàn)過程中護(hù)面塊石隨著波浪作用在垂向范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過重現(xiàn)期50 a波浪作用從設(shè)計(jì)低水位至極端高水位1個(gè)循環(huán)后，護(hù)面塊石斜坡形狀仍有變化，從極端高水位開始進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)作用，經(jīng)過設(shè)計(jì)高水位至設(shè)計(jì)低水位波浪作用后，護(hù)面斜坡形狀變化很小，此時(shí)形成的最終動(dòng)力平衡斷面見圖4。此時(shí)墊層和堤心未外露，9 t扭王字塊護(hù)面一部分被塊石所掩埋，保持穩(wěn)定，最終動(dòng)力平衡斷面滿足使用要求。

圖4 動(dòng)力平衡斷面(高程：m)Fig.4 Dynamical equilibrium profile

3.2 三維穩(wěn)定性模型試驗(yàn)

對(duì)于三維穩(wěn)定性試驗(yàn)，按照斷面試驗(yàn)同樣的試驗(yàn)方法，在每個(gè)水位下寬肩臺(tái)防波堤各部分達(dá)到動(dòng)力平衡后再進(jìn)行下一個(gè)水位的試驗(yàn)。按照設(shè)計(jì)低水位、設(shè)計(jì)高水位、極端高水位，再回至設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位，波浪作用一個(gè)循環(huán)后對(duì)各部分的穩(wěn)定情況進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)寬肩臺(tái)防波堤坡面露出堤心石或者扭王字塊、胸墻等出現(xiàn)位移時(shí)，則判定防波堤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

設(shè)計(jì)低水位重現(xiàn)期50 a的SE向波浪作用下，1～3 t護(hù)面塊石在波浪作用下有少量滾落至護(hù)面斜坡中部和坡腳處，同時(shí)東、南堤過渡段處的塊石在波浪連續(xù)作用下，有少量被波浪搬運(yùn)至南防波堤堤身處。波浪連續(xù)作用4 h，護(hù)面形狀基本不變，達(dá)到動(dòng)力平衡，此時(shí)寬肩臺(tái)防波堤堤心未露，各部分保持穩(wěn)定。設(shè)計(jì)高水位波浪繼續(xù)作用，此時(shí)寬肩臺(tái)被沖刷，過渡段大量塊石被波浪輸移至南防波堤堤身處，波浪連續(xù)作用4 h，防波堤各部分基本達(dá)到動(dòng)力平衡，斷面呈現(xiàn)反S形，此時(shí)過渡段的動(dòng)力平衡斷面被沖刷的肩臺(tái)寬度與斷面試驗(yàn)相比較要大得多。在經(jīng)過設(shè)計(jì)高水位波浪連續(xù)作用后南防波堤形成的動(dòng)力平衡斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用。與設(shè)計(jì)高水位試驗(yàn)現(xiàn)象相類似，過渡段處的1～3 t護(hù)面塊石在波浪作用下繼續(xù)向南防波堤堤身處輸移，而該位置護(hù)面塊石得不到補(bǔ)充，整個(gè)肩臺(tái)被沖刷掉，從而導(dǎo)致了該處9 t扭王字塊體墊層被淘刷，9 t扭王字塊在波浪作用下發(fā)生滾落失穩(wěn)(圖5)，并且在SE向波浪作用下，滾落的9 t扭王字塊甚至可被輸移至南防波堤堤頭處，波浪作用2 h時(shí)，30塊扭王字塊發(fā)生失穩(wěn)，并且隨著波浪持續(xù)作用，有更多扭王字塊發(fā)生失穩(wěn)。

圖5 過渡段失穩(wěn)試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Failure in the transition segment

分析寬肩臺(tái)過渡段9 t扭王字塊失穩(wěn)的原因在于寬肩臺(tái)防波堤護(hù)面塊石在斜向波作用下存在縱向移動(dòng)，而對(duì)于過渡段東側(cè)的東防波堤而言，波向與堤軸線的夾角較大，波浪作用時(shí)接近正向作用，此處塊石只是在垂向范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并沒有輸移至過渡段來補(bǔ)充過渡段被波浪輸移至南防波堤堤身的塊石，在寬肩臺(tái)斷面達(dá)到動(dòng)力平衡之前，導(dǎo)致了過渡段寬肩臺(tái)完全被波浪沖刷掉，9 t扭王字塊護(hù)面失去支撐而失穩(wěn)。此時(shí)要使過渡段保持穩(wěn)定，需要加大肩臺(tái)的寬度，使得過渡段斷面達(dá)到動(dòng)力平衡時(shí)，寬肩臺(tái)還部分保留，保證扭王字塊護(hù)面的支撐存在。據(jù)此，對(duì)過渡段斷面肩臺(tái)加寬，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)平面見圖6。東、南防波堤軸線相交處的斷面結(jié)構(gòu)見圖7，該處肩臺(tái)寬度最大為36 m。調(diào)整后的防波堤在經(jīng)過設(shè)計(jì)低水位、設(shè)計(jì)高水位、極端高水位再回至設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位波浪作用達(dá)到動(dòng)力平衡后，過渡段肩臺(tái)還有所保留，沒有出現(xiàn)扭王字塊失穩(wěn)的情況，寬肩臺(tái)結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)堤心外露的情況，過渡段動(dòng)力平衡剖面見圖7。

圖6 優(yōu)化后的防波堤結(jié)構(gòu)平面布置Fig.6 Optimization of the layout of breakwater structure

圖7 肩臺(tái)加寬后的過渡段斷面(4-4)及最終動(dòng)力平衡剖面曲線(尺寸：mm，高程：m)Fig.7 Adjusted cross-section in the transition segment and final dynamical equilibrium profile

從過渡段最終動(dòng)力平衡斷面的形狀來看，其仍舊呈反S形，但與斷面試驗(yàn)所形成的動(dòng)力平衡剖面相比較，護(hù)面塊石沖刷和堆積的量是不平衡的，原因在于過渡段塊石在斜向波作用存在縱向的輸移，一部分塊石被波浪輸移至南防波堤堤身處。南防波堤堤身、東防波堤堤身及斷面試驗(yàn)最終動(dòng)力平衡剖面對(duì)比見圖8。東堤堤身軸線由于與來浪方向夾角較大，近似正向作用，堤身處的動(dòng)力平衡斷面與斷面試驗(yàn)結(jié)果接近，而南堤堤身由于過渡段塊石在波浪輸移作用下在肩臺(tái)處推積，肩臺(tái)保留的寬度較大，有利于肩臺(tái)上扭王字塊護(hù)面的穩(wěn)定。

圖8 不同動(dòng)力平衡斷面對(duì)比(尺寸：mm，高程：m)Fig.8 Comparison of different dynamical equilibrium profiles

4 結(jié)語

本文針對(duì)某工程寬肩臺(tái)式防波堤結(jié)構(gòu)在斜向波作用下的試驗(yàn)研究，并通過對(duì)比分析斜向波與正向波作用寬肩臺(tái)式防波堤最終動(dòng)力平衡剖面，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)斷面試驗(yàn)是正向波作用寬肩臺(tái)式防波堤斷面，寬肩臺(tái)處護(hù)面塊石在波浪作用下發(fā)生沖刷變形，經(jīng)過低水位、高水位再回至高水位的循環(huán)作用最終形成動(dòng)力平衡斷面。塊石的運(yùn)動(dòng)是在垂向范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖刷掉的塊石分向上和向下堆積，沖刷掉的塊石量與堆積的塊石量是相當(dāng)?shù)摹?/p>

(2)三維穩(wěn)定性試驗(yàn)中，由于斜向波的作用，護(hù)面塊石除了在垂向范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，還存在縱向的輸移，當(dāng)破壞處的塊石得不到補(bǔ)充時(shí)，會(huì)使該段的防波堤在波浪作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)對(duì)于寬肩臺(tái)式防波堤，除了要進(jìn)行斷面試驗(yàn)研究其最終動(dòng)力平衡剖面以外，斜向波作用亦是考慮其穩(wěn)定性的重要因素。

(4)本文中寬肩臺(tái)式防波堤過渡段以圓弧型式銜接?xùn)|、南防波堤，過渡段處在波浪作用下的水流現(xiàn)象只有在三維試驗(yàn)中才能得以反映，正是由于該處的水流復(fù)雜才導(dǎo)致了過渡段斷面變形形態(tài)與東、南防波堤堤身存在較大的差異，使得該處防波堤發(fā)生失穩(wěn)。

(5)三維試驗(yàn)中，東防波堤堤身軸線與來浪方向夾角為65°，接近正向作用，其最終的動(dòng)力平衡剖面與斷面試驗(yàn)結(jié)果相接近；而南防波堤堤身軸線與來浪方向的夾角為23°，波浪表現(xiàn)為順浪，對(duì)護(hù)面塊石的作用減小，其最終的動(dòng)力平衡剖面變形較小。這些均說明寬肩臺(tái)式拋石防波堤的變形與波浪的作用角度有關(guān)。

(6)本文只是針對(duì)某工程試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的總結(jié)分析，對(duì)于斜向波作用下寬肩臺(tái)式拋石防波堤具體的影響規(guī)律，與波浪作用的浪向、防波堤護(hù)面塊石的重量及配比、水位以及波浪要素都有關(guān)系，需要在今后進(jìn)行系統(tǒng)的研究。