鄧夕貴，張亞敬，謝守鵬，金瑞佳，陳漢寶

(1.中國港灣工程有限責(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)國家工程研究中心 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

幾內(nèi)亞灣屬長周期涌浪作用為主的海灣，具有波浪周期長、波高大且浪向集中的特點(diǎn)。南大西洋在中高緯度區(qū)域受溫帶氣旋影響產(chǎn)生風(fēng)浪，在長距離傳播過程中，高頻波浪衰減較快，當(dāng)傳至幾內(nèi)亞灣時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚L周期涌浪以及熱帶(6°N～15°S)生成的短周期風(fēng)浪，形成了幾內(nèi)亞灣外海長周期涌浪為主、風(fēng)浪為輔的波浪特征[1]。眾多研究表明，長周期涌浪會(huì)穿過防波堤影響港內(nèi)泊穩(wěn)條件及破壞結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性。圍繞長周期波浪傳播對海工建筑物影響的研究很多，姜云鵬等[2-3]采用斷面物理模型試驗(yàn)，研究了長周期波浪沖擊對斜坡式結(jié)構(gòu)頂部胸墻的沖擊作用，結(jié)果表明國內(nèi)規(guī)范和美國CEM手冊經(jīng)驗(yàn)公式未充分考慮長周期波浪破碎對胸墻受力的影響。邴曉等[4]介紹了英國標(biāo)準(zhǔn)BS6349、美國陸軍工程兵團(tuán)《海岸工程手冊》、日本《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中直墻所受波谷力的計(jì)算原理，并對應(yīng)用范圍和參數(shù)選取進(jìn)行了推薦。戈龍仔等[5]針對印度洋海域深水涌浪條件下大型扭工字護(hù)面塊體在施工過程中多次出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，采用物理模型試驗(yàn)分析了深水涌浪條件下護(hù)面塊體破壞機(jī)理，揭示了搖動(dòng)導(dǎo)致桿件斷裂并引起防波堤破壞的原因。鄧夕貴等[6]研究了強(qiáng)浪向和其他不同方向波浪作用下，不同水位往復(fù)循環(huán)后防波堤堤身動(dòng)態(tài)平衡形態(tài)的形成規(guī)律。于定勇[7]采用物理模型試驗(yàn)通過對胸墻迎浪面的波浪壓強(qiáng)分布、總水平作用力和波浪作用高度的試驗(yàn)改進(jìn)了規(guī)范中斜坡堤胸墻波浪力計(jì)算方法。

綜上，長周期涌浪海域防波堤設(shè)計(jì)不能簡單地照搬國內(nèi)外規(guī)范，應(yīng)充分考慮其使用條件，在有條件的情況下采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。在中長周期波海域，當(dāng)越浪量較大時(shí)，越浪水體越過胸墻對背浪側(cè)護(hù)面塊石造成瞬間沖擊力非常大，極易造成塊石失穩(wěn)，導(dǎo)致防波堤破壞。本文以幾內(nèi)亞灣島式碼頭防波堤工程為例，通過三維物理模型試驗(yàn)對防波堤擋浪墻穩(wěn)定性及越浪量進(jìn)行分析，對防波堤設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，可為類似工程提供參考依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)資料

1.1 模型實(shí)例

模型試驗(yàn)以貝寧某離岸碼頭防波堤工程[8-10]為研究對象，該工程位于貝寧東南部迪法省，離岸距離約400 m。防波堤采用斜坡式防波堤，總長約352 m，防波堤頂高程7.0 m，擋浪墻頂高程同樣為7.0 m，堤心石采用1～500 kg塊石，堤外側(cè)采用700～1 300 kg 塊石墊層，墊層上部采用7 t人工塊體阻擋外海波浪，防波堤內(nèi)側(cè)采用500～1 500 kg塊石護(hù)面，堤趾同樣采用500～1 500 kg塊石防止人工塊體滑動(dòng)，護(hù)底塊石質(zhì)量為50～100 kg，防止沖刷破壞，堤身坡度為1：1.5，堤頭采用10 t扭王字塊阻擋外海波浪。防波堤平面布置如圖1所示，堤身及堤頭斷面如圖2所示。

圖1 防波堤平面布置Fig.1 Layout of the breakwater圖2 堤身及堤頭斷面圖Fig.2 Section of the breakwater

1.2 試驗(yàn)水位和波浪要素

本工程水文信息以當(dāng)?shù)乩碚摶鏋榛鶞?zhǔn)，極端高水位2.20 m，極端低水位-0.10 m。波浪方向選取為SSE、S、SSW三個(gè)方向。試驗(yàn)波浪要素如表1所示。

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave parameters

2 試驗(yàn)方法

2.1 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)場地為42 m×30 m×1 m的矩形水池，如圖3所示，采用幾何比尺λ=25，時(shí)間比尺λt=5，力比尺λF=15 625。模型中各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級配符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中對于斜坡堤的規(guī)定，同時(shí)滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T231-2021)[12]的要求。造波采用總長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)，為消除邊壁反射影響，在港池四周設(shè)置消波筐，模型制作完成效果圖如圖3所示。

圖3 模型制作完成效果Fig.3 Completed model圖4 波高傳感器布置圖Fig.4 Layout of wave height sensors圖5 設(shè)計(jì)方案壓力傳感器布置圖(單位:mm)Fig.5 Layout of the wave pressure sensors

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)[13]中的JONSWAP譜。波浪力采用SG2008型微型點(diǎn)壓力采集系統(tǒng)，波況采用SG2008型波高傳感器，傳感器布置如圖4～圖5所示。

2.2 試驗(yàn)方法

進(jìn)行整體穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)水位條件下模擬原體波浪作用時(shí)間取3 h(原體值，下同)，以便觀察斷面在波浪累積作用下的變化情況。根據(jù)《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T231-2021)規(guī)定，護(hù)面塊體的穩(wěn)定性試驗(yàn)每組至少重復(fù)3次。當(dāng)3次試驗(yàn)現(xiàn)象差別較大時(shí)，增加重復(fù)次數(shù)，每次試驗(yàn)護(hù)面塊體均重新擺放。

(1)護(hù)底塊石穩(wěn)定性判斷。

在波浪累積作用下觀察護(hù)底形狀改變情況，依據(jù)其表面是否發(fā)生明顯變形、是否失去護(hù)底功能判斷其穩(wěn)定性。

(2)護(hù)面塊體穩(wěn)定性判斷。

試驗(yàn)過程中通過觀察扭王字塊位移情況進(jìn)行判斷，在試驗(yàn)中當(dāng)位移變化在半倍塊體邊長以上、滑落或跳出，即判斷為失穩(wěn)。當(dāng)波浪累積作用下出現(xiàn)局部縫隙加大至半倍塊體邊長以上，也判斷為失穩(wěn)。

(3)越浪量測量。

通過觀察找到三維試驗(yàn)中越浪最嚴(yán)重位置，用寬度為0.2 m的接水槽對越浪量進(jìn)行收集，隨后通過測量重量或體積得到模型的越浪量。按相似準(zhǔn)則，將模型越浪量換算成原體越浪量。單寬平均越浪量按下式計(jì)算

(1)

式中：q為單寬平均越浪量，m3/(m·s)；V為1個(gè)波列作用下的總越浪水量，m3；b為收集越浪量的接水區(qū)域?qū)挾?，m；t為1個(gè)波列作用的持續(xù)時(shí)間，s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SSE、SSW向浪條件下試驗(yàn)結(jié)果

由于入射波高較小，SSE向波浪作用下，防波堤外側(cè)最大波高位于東堤頭和堤身拐角處#10附近，極端高水位時(shí)有效波高2.23 m，極端低水位時(shí)有效波高2.03 m，防波堤內(nèi)側(cè)最大波高位于東堤頭內(nèi)側(cè)#16附近，極端高水位時(shí)有效波高0.30 m，極端低水位時(shí)有效波高0.28 m。堤頂未形成越浪，堤身及堤頭各部位均保持穩(wěn)定。試驗(yàn)照片見圖6所示。

SSW向波浪作用下，極端高水位時(shí)有效波高4.48 m，極端低水位時(shí)有效波高4.08 m，防波堤內(nèi)側(cè)最大波高位于東堤頭內(nèi)側(cè)#14附近，極端高水位時(shí)有效波高0.50 m，極端低水位時(shí)有效波高0.45 m。極端高水位時(shí)堤身有兩處發(fā)生越浪，越浪量為2.05 L/(m·s)、0.34 L/(m·s)，堤身及堤頭各部位均保持穩(wěn)定。試驗(yàn)照片見圖7所示。

圖6 SSE向試驗(yàn)Fig.6 Test of SSE-wave direction圖7 SSW向試驗(yàn)Fig.7 Test of SSW-wave direction

3.2 S向波浪條件下試驗(yàn)結(jié)果

S向波浪作用下，防波堤外側(cè)最大波高位于東堤頭和堤身拐角處#12附近，極端高水位時(shí)有效波高5.41 m，極端低水位時(shí)有效波高4.93 m，防波堤內(nèi)側(cè)最大波高位于東堤頭內(nèi)側(cè)#16附近，極端高水位時(shí)有效波高0.67 m，極端低水位時(shí)有效波高0.61 m。

在極端高水位，重現(xiàn)期50 a不規(guī)則波(H13%=3.92 m，Tm=15.78 s)連續(xù)作用3 h下，堤身外側(cè)護(hù)底塊石、堤趾塊石、扭王字塊及擋浪墻均穩(wěn)定，波浪傳播至防波堤前大量越過擋浪墻，直接作用于后方護(hù)面塊石上，造成塊石失穩(wěn)，經(jīng)過約450個(gè)波，折合原型時(shí)間約2 h后失穩(wěn)嚴(yán)重，已經(jīng)露出堤心石(圖8)，其他地方也有部分塊石發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，經(jīng)過測量越浪量達(dá)47 L/(m·s)。

圖8 S向波浪作用下塊石失穩(wěn)Fig.8 Instability of block stone under S-wave direction action

從測力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每延米擋浪墻受到最大水平力為137.5 kN，最大垂向力為93.75 kN，以擋浪墻底摩擦系數(shù)為0.6考慮，通過下式計(jì)算證明擋浪墻是穩(wěn)定的

0.6×(G-FV)>FH

(2)

式中：G為擋浪墻重量；FV為擋浪墻所受最大浮托力；FH為擋浪墻所受最大水平力。

通過模型試驗(yàn)觀察到的實(shí)際發(fā)生的防波堤內(nèi)側(cè)塊石失穩(wěn)導(dǎo)致的擋浪墻失穩(wěn)，與按規(guī)范計(jì)算所得的擋浪墻未失穩(wěn)的判斷相悖。這是因?yàn)榉啦ǖ掏鈧?cè)護(hù)面塊體質(zhì)量通常明顯大于內(nèi)側(cè)護(hù)面塊體或塊石，而規(guī)范公式并未考慮越浪對防波堤內(nèi)側(cè)護(hù)面塊石的淘刷引起的擋浪墻失穩(wěn)，因此規(guī)范公式不再適用于反映和判斷因內(nèi)側(cè)塊石失穩(wěn)導(dǎo)致的擋浪墻失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)

針對S向波浪作用后，擋浪墻后側(cè)塊石失穩(wěn)情況，對防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加高防波堤?hào)|西走向段擋浪墻頂高程，由7.0 m提高為8.6 m，且增長擋浪墻后方底座，保證越浪不會(huì)破壞后方護(hù)面塊石，見圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，仍有越浪現(xiàn)象，但較原頂高程為7.0 m情況大大改觀，越過防波堤波浪直接作用到擋浪墻平臺(tái)上，有效地保護(hù)了護(hù)面塊石，經(jīng)過測量，越浪量為4.62 L/(m·s)，滿足不高于5 L/(m·s)設(shè)計(jì)要求，越浪高度約為0.5 m，經(jīng)過約2 h后發(fā)現(xiàn)后方護(hù)面塊體穩(wěn)定，未發(fā)生失穩(wěn)破壞，如圖10所示。

圖9 擋浪墻優(yōu)化方案Fig.9 Optimization scheme of crown wall圖10 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Optimization scheme test result

重新測試優(yōu)化的擋浪墻在波浪作用下的受力情況，傳感器布置如圖11所示。測試位置為斜坡堤身中間位置，極端高水位、波浪重現(xiàn)期50 a不規(guī)則波作用下，擋浪墻受到的水平波浪力和垂直波浪力時(shí)間歷程曲線如圖12～圖13所示。

圖11 優(yōu)化方案壓強(qiáng)傳感器布置圖(單位：mm)Fig.11 Layout of pressure sensor

圖12 水平力時(shí)間歷程曲線Fig.12 Horizontal force time course curve圖13 垂直力時(shí)間歷程曲線Fig.13 Vertical force time course curve

每延米擋浪墻受到的最大水平力時(shí)刻為822.5 s，此時(shí)的水平力為191.34 kN/m，浮托力為29.90 kN/m，受到最大浮托力時(shí)刻為790.5 s，此時(shí)水平力為58.53 kN/m，浮托力為96.74 kN/m，為保證擋浪墻在波浪作用下不發(fā)生水平滑移，需要比較擋浪墻受到的水平力和底部摩擦力，擋浪墻受力見表2。從受力校核來看，擋浪墻處在臨界失穩(wěn)的狀態(tài)，從試驗(yàn)中觀察可以看出，擋浪墻并沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞，將擋浪墻后方水平板加厚保證擋浪墻的穩(wěn)定性[14-15]。

表2 極端高水位擋浪墻受力計(jì)算表Tab.2 Force of crown wall in extreme high water level

4 結(jié)論

本文基于貝寧島式碼頭防波堤項(xiàng)目，針對幾內(nèi)亞灣長周期波浪作用下結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，通過三維波浪整體物理模型試驗(yàn)分析防波堤護(hù)面塊體、墊層和擋浪墻穩(wěn)定性以及防波堤的越浪量得出如下結(jié)論：

(1)S向波浪作用下，越浪量達(dá)47 L/(m·s)，越浪水體越過擋浪墻，直接作用于后方護(hù)面塊石上，造成塊石失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)趵藟κХ€(wěn)。擋浪墻測力結(jié)果滿足規(guī)范公式，規(guī)范公式并未考慮越浪對防波堤內(nèi)側(cè)護(hù)面塊石的掏刷引起的擋浪墻失穩(wěn)，該現(xiàn)象值得關(guān)注。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明：在長周期波浪海域，在允許越浪的防波堤設(shè)計(jì)中應(yīng)注意擋浪墻的穩(wěn)定性不能僅用規(guī)范公式計(jì)算。本文再次驗(yàn)證了三維港池整體物理模型試驗(yàn)在研究防波堤穩(wěn)定性、堤頂越浪量等方面的必要性。

(3)文章研究成果可為長周期涌浪作用下島式防波堤設(shè)計(jì)提供參考。