【摘 " "要】：為解決不同波浪要素條件下防浪堤的穩(wěn)定性問題，以山東省海陽(yáng)市順鑫漁港升級(jí)改造工程為研究對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法建立水工斷面物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研?種不同水工斷面的穩(wěn)定性及堤前最大底流速。結(jié)果表明，在極端高水位，H1%規(guī)則波及H13%不規(guī)則波波浪作用下，斷面A（頂高程7.7 m）胸墻不穩(wěn)定，越浪量較大，其余工況斷面胸墻、護(hù)面塊體及護(hù)底塊石均保持穩(wěn)定；在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位及設(shè)計(jì)低水位，H1%、H5%和H13%規(guī)則波及不規(guī)則波波浪作用下，斷面C（頂高程8.5 m）和斷面B（頂高程8.5 m）各結(jié)構(gòu)構(gòu)件均保持穩(wěn)定；A斷面、B斷面和C斷面的最大堤前底流速可達(dá)3.8 m/s，對(duì)應(yīng)的護(hù)底塊石穩(wěn)定質(zhì)量在150～400 kg，與試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。

【關(guān)鍵詞】：防波堤；漁港；升級(jí)改造；物理模型試驗(yàn)；水工斷面

【中圖分類號(hào)】：U656 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）04-32-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.008

Experimental Study on Physical Model of Hydraulic Section for Upgrading and Renovation of Fishing Port

LI Xiao

（Shandong Gangtong Engineering Management Consulting Co. Ltd.，Yantai 264000，China）

【Abstract】：In order to solve the stability problem of breakwaters under different wave element conditions， the upgrading and renovation project of Shunxin Fishing Port in Haiyang City， Shandong Province was taken as the research object. A physical simulation test model of hydraulic cross-sections was established using indoor testing methods， and the stability of three different hydraulic cross-sections and the maximum bottom flow velocity in front of the breakwater were studied. The results show that under extreme high water levels， H1% regular waves and H13% irregular waves， the breast wall of section A （top elevation 7.7 m） is unstable with a large amount of overtopping， while the breast wall， protective surface blocks， and bottom protection stones of section remain stable under other working conditions; Under the action of extreme high water level， design high water level， and design low water level， H1%， H5% and H13% regular and irregular waves， the components of section C （top elevation 8.5 m） and section B （top elevation 8.5 m） remain stable; The maximum bottom flow velocity in front of the embankment for sections A， B and C can reach 3.8 m/s， and the corresponding stable weight of bottom protection stones is 150～400 kg and is consistent with the experimental observation results.

【Key words】：breakwater; fishing port;upgrading and renovation; physical model testing; hydraulic section

水工斷面物理模型試驗(yàn)是針對(duì)海港升級(jí)改造項(xiàng)目進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵研究，旨在評(píng)估水文水力性能和安全性[1]。本文嘗試結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)的方法建立水工斷面物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研?種不同水工斷面的穩(wěn)定性及堤前最大底流速，試驗(yàn)考慮了不同的波浪要素、規(guī)則波和不規(guī)則波等因素，研究成果能夠?yàn)楹ｊ?yáng)市順鑫漁港升級(jí)改造提供重要的參考和指導(dǎo)，促進(jìn)改造工程的順利進(jìn)行。

1 工程概況

山東省海陽(yáng)市順鑫漁港建成時(shí)間較短，使用過程中存在以下問題：由于建成后未進(jìn)行港池疏浚，港池和航道水深不足，不能滿足大馬力漁船的正常航行和靠泊需求；因防波堤未建設(shè)擋浪墻，碼頭面上水較嚴(yán)重，曾發(fā)生過海浪將碼頭面上電線桿沖毀的情況；碼頭外側(cè)采用塊石護(hù)面，護(hù)面塊體大小不均勻，小塊石容易被掏蝕，目前防波堤堤頭段已經(jīng)出現(xiàn)塊石掏蝕現(xiàn)象，急需進(jìn)行防護(hù)；東側(cè)防波堤護(hù)面塊石頂部縫隙較大、垃圾較多，存在一定的安全隱患。結(jié)合存在的問題及發(fā)展要求，對(duì)順鑫漁港進(jìn)行升級(jí)改造和整治維護(hù)。為了驗(yàn)證、測(cè)量碼頭兼防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位與設(shè)計(jì)低水位波浪作用下的穩(wěn)定性，測(cè)定防波堤結(jié)構(gòu)在波浪作用下的堤前最大底流速，設(shè)計(jì)推薦斷面結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議，展開物理模型試驗(yàn)。

2 水工斷面水槽物理模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 物理模型試驗(yàn)斷面

海陽(yáng)市順鑫漁港升級(jí)改造斷面物理模型試驗(yàn)在寬斷面波流水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)60.0 m、寬3.0 m、深1.5 m。測(cè)試斷面工況有3種，分別為斷面A（頂高程7.7 m）、斷面B（頂高程8.5 m）、斷面C（在斷面A的胸墻穩(wěn)定性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，調(diào)整頂高程至8.5 m）。見圖1。

主要測(cè)試內(nèi)容包括在設(shè)計(jì)高水位、極端高水位條件下，采用H1%波要素（規(guī)則波）測(cè)定斷面胸墻及護(hù)面塊體的穩(wěn)定性[2～3]；在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位條件下，采用H5%和H13%波要素（規(guī)則波）測(cè)定斷面5 t扭王字塊體護(hù)面、蹬腳棱體、塊石墊層、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性[4]；在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位條件下，采用不規(guī)則波測(cè)定斷面塊體護(hù)面、蹬腳棱體、塊石墊層、護(hù)底塊石等的穩(wěn)定性及給出波浪作用下的堤前最大底流速[5～7]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

水槽底部、槽首造波機(jī)安裝段及槽尾消能區(qū)均為混凝土結(jié)構(gòu)，中間試驗(yàn)段采用鋼架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)邊壁鑲嵌15 mm厚的玻璃。造波機(jī)安裝在水槽的首端，為低慣量伺服電機(jī)推板式造波機(jī)，另一端為消能設(shè)施。見圖2。

試驗(yàn)波高測(cè)試采用交通運(yùn)輸部天津水科院生產(chǎn)的BG2008型數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和配套的電容式波高傳感器（浪高儀）；該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)試分辨率1 mm，誤差在±1.0%F.S，滿足試驗(yàn)要求。底流速測(cè)定采用聲學(xué)多普勒流速計(jì)ADV，性能穩(wěn)定滿足試驗(yàn)要求[8]。

為得到所需的波浪要素，需在水槽內(nèi)試驗(yàn)位置布置高精度浪高儀，將測(cè)得的波面時(shí)間序列進(jìn)行譜分析，與相應(yīng)的理論波譜進(jìn)行比較，以制造符合實(shí)際條件的造波信號(hào)。在入射波率定過程中，務(wù)必使造波機(jī)產(chǎn)生的波形平穩(wěn)、波浪重復(fù)性好，波高儀的線性允許偏差在±2%之內(nèi)，率定波浪的平均波高與周期的允許誤差控制在±5%。在波浪穩(wěn)定的條件下，連續(xù)采集的規(guī)則波波浪數(shù)不少于11個(gè)，取其平均值作為代表值；不規(guī)則波不少于100個(gè)，H1%、H5%、H13%和T允許誤差控制在±5%之內(nèi)[9～10]。見表1和表2。

穩(wěn)定性試驗(yàn)中，胸墻模型、護(hù)面塊體、墊層、護(hù)底塊石等要滿足縮尺1∶25的要求。需要驗(yàn)證穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)部分，模型的重心和質(zhì)量滿足與原型相似的要求，重心位置允許偏差為±2 mm，質(zhì)量允許偏差為±3%。單個(gè)護(hù)面塊體質(zhì)量允許偏差為±5%。

綜合考慮試驗(yàn)水槽的條件及塊體數(shù)等要素，試驗(yàn)前將3 m寬水槽沿寬度方向分成2格，分別為0.8、2.2 m。寬度0.8 m的窄水槽放置模型，另一側(cè)用于消能，以減少造波機(jī)推板二次反射的影響。在模型前方的水槽底鋪設(shè)一緩坡地形，使模型處可產(chǎn)生規(guī)定要求的波浪要素。試驗(yàn)時(shí)，為使波浪有足夠時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定傳播狀態(tài)，造波機(jī)與建筑物模型的間距應(yīng)＞6倍平均波長(zhǎng)，兼顧試驗(yàn)室條件，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶卜旁诰嚯x造波板34 m處。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞑捎妙A(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝組合的方式，模型尺寸、質(zhì)量等滿足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》要求。

首先，按照重力相似原則制作上部胸墻的混凝土模型；在水槽中拋填經(jīng)過清洗篩選過的堤心石（0.64～6.4 g）并修筑與原型相同坡度的碎石斜坡；在斜坡底部依次鋪設(shè)護(hù)底塊石（19.2～32 g），護(hù)底塊石滿足幾何相似與重力相似準(zhǔn)則；在斜坡上安裝胸墻，鋪設(shè)塊石墊層（19.2～32 g）及護(hù)面塊體（320 g扭王字），胸墻、塊石墊層與護(hù)面扭王字塊也均滿足幾何相似與重力相似準(zhǔn)則。見圖3。

然后，在結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)位置放置浪高儀測(cè)定波浪，得到模型試驗(yàn)依據(jù)波的波要素；觀察胸墻結(jié)構(gòu)、護(hù)面結(jié)構(gòu)、護(hù)底結(jié)構(gòu)等是否在波浪作用下失穩(wěn)。

最后，在堤腳前設(shè)置流速計(jì)測(cè)量裝置測(cè)量堤前底流速，探頭測(cè)量位置在水底上方2 cm，相對(duì)實(shí)際海底上方50 cm；每個(gè)試驗(yàn)組次至少進(jìn)行3次，穩(wěn)定性試驗(yàn)每次護(hù)面塊體均重新擺放，最大流速取3組試驗(yàn)最大流速值的最大值，試驗(yàn)全程錄像。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性試驗(yàn)共8種工況。

3.1.1 A斷面

在極端高水位H1%波高作用下，胸墻出現(xiàn)明顯晃動(dòng)，失穩(wěn)，越浪量較大，濺浪距離較大。極端高水位H5%波高及設(shè)計(jì)高水位H1%、H5%波高作用下，斷面整體穩(wěn)定；護(hù)底塊石、護(hù)面塊石以及扭王字塊護(hù)面塊體均保持穩(wěn)定。見表3。

3.1.2 B斷面

在波浪作用下整體穩(wěn)定，胸墻、護(hù)底塊石、扭王字塊護(hù)面塊體均保持穩(wěn)定。見表4。

3.1.3 C斷面

在波浪作用下整體穩(wěn)定，胸墻穩(wěn)定，護(hù)底塊石、扭王字塊護(hù)面塊體均保持穩(wěn)定。見表5。

3.2 最大底流速度

A斷面測(cè)試的最大底流速度為0.68 m/s，B斷面測(cè)試的最大底流速度為0.68 m/s，C斷面測(cè)試的最大底流速度為0.69 m/s；原型最大底流速度按相似性原則進(jìn)行反算，假設(shè)物理模型中的最大底流速度（Vm）和長(zhǎng)度比尺（Lr），則原型的最大底流速度（Vp）可以通過Vp=Vm/Lr計(jì)算得出，原型A斷面測(cè)試的最大底流速度結(jié)果為3.40 m/s，B斷面測(cè)試的最大底流速度為3.80 m/s，C斷面測(cè)試的最大底流速度為3.45 m/s。見圖4。

根據(jù)JTS 208—2020《防波堤與護(hù)岸施工規(guī)范》護(hù)底塊石的穩(wěn)定質(zhì)量與堤前波浪底流速對(duì)應(yīng)表，原型所有斷面的最大底流速度介于3～4 m/s，穩(wěn)定質(zhì)量介于150～400 kg，與穩(wěn)定性試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。

3 結(jié)論

1）在極端高水位，H1%規(guī)則波及H13%不規(guī)則波波浪作用下，斷面A胸墻不穩(wěn)定，越浪量較大，建議優(yōu)化胸墻結(jié)構(gòu)及頂高程。在極端高水位，H5%規(guī)則波；設(shè)計(jì)高水位及設(shè)計(jì)低水位，H1%、H5%和H13%規(guī)則波及不規(guī)則波波浪作用下，斷面A胸墻、護(hù)面塊體及護(hù)底塊石均保持穩(wěn)定。

2）在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位及設(shè)計(jì)低水位，H1%、H5%和H13%規(guī)則波及不規(guī)則波波浪作用下，斷面C和斷面B的胸墻、扭王字護(hù)面塊體、護(hù)底塊石均保持穩(wěn)定。

3）斷面B、斷面C在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位工況，護(hù)底300～500 kg塊石個(gè)別有輕微晃動(dòng)和微量位移，后趨于穩(wěn)定，未喪失護(hù)底功能，判斷為穩(wěn)定；在極端高水位、設(shè)計(jì)高水位及設(shè)計(jì)低水位規(guī)則波及不規(guī)則波波浪作用下，斷面A、斷面B的最大堤前底流速可達(dá)3.8 m/s，對(duì)應(yīng)的護(hù)底塊石穩(wěn)定重量在150～400 kg，300～500 kg能夠滿足設(shè)計(jì)要求，與試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。

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