某码头工程斜坡式防波堤断面稳定性试验研究

1. 引言

防波堤工程通常建设于港湾口门位置，用于保障港区内码头泊位前沿的船舶装卸作业满足安全性和适用性。本文依托某实际海港工程中口门位置所建立的防波堤开展波浪作用下的防波堤结构稳定性和防浪效果研究。防波堤工程平面布置如图1所示。

防波堤结构形式通常采用斜坡堤形式，一般包含护面、垫层、堤心和堤脚等。国内外学者针对斜坡堤护面块石稳定性做了大量研究工作。目前欧美国家主要参考Rock Ma nua l中推荐的Va n der meer公式，而国内防波堤建设标准《防波堤与护岸设计规范》采用Hudson公式进行校验。

除了采用上述公式外，各国规范均推荐采用物理模型试验的方法验证断面各组成块体的稳定性，以确保设计结果更为直观、可靠。因此本工程针对所涉及的防波堤建设方案开展波浪断面物理模型试验研究。模型试验中研究了不同设计水位、不同入射波浪作用下，防波堤扭王字块护面块体、坡脚抛石棱体、护底块石的稳定性，同时观测波浪爬高、测量堤顶越浪量，并根据试验结果，对防波堤设计提出优化建议，为本工程的防波堤断面设计提供科学的参考依据。

2. 防波堤断面结构

防波堤物理模型试验中共计验证两种护面块体方案断面结构在波浪作用下的稳定性，分别对应18t和22t扭王字块。不同块体断面的参数特征如表1所示，断面结构示意图如图2所示。

3. 试验方案设计

3.1 试验条件设置

物理模型试验在波浪水槽中进行，水槽长、宽、高分别为76m、1.2m、1.5m。试验水槽如图3所示。

模型安放位置距造波机的距离为6倍平均波长之外，后方距消波体的距离大于2倍平均波长。水槽两端均设置多孔介质斜坡消浪设施，用于消除波浪在端部的二次反射。试验布置如图4所示。

模型试验中，波浪重现期考虑了50年和2年一遇，波浪方向考虑了ENE-E和ESE-SE向。水位考虑极端高水位（3.75m）、设计高水位（2.53m）和设计低水位（0.48m）。试验组合如表2。

图1 防波堤工程平面布置 

图2 防波堤工程结构断面示意图   

试验中采用JONSWAP谱模拟不规则波。在模型安放之前在波浪水槽中对所需模型波浪要素进行率定。控制总能量偏差小于±10%，有效波高偏差小于±5%，谱峰周期偏差小于±5%。

3.2 试验模型设计

模型试验在综合考虑波浪水槽尺寸、断面结构以及设计波浪要素、水位等因素的影响下，参考《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）的有关要求，以重力相似准则为基础，确定本次断面模型试验采用正态模型，几何比尺λ=30.7。

图3 试验水槽   

断面模型试验中的扭王字块由水泥砂浆混合适量铁粉浇制而成，坡脚抛石棱体、垫层块石、护底块石等均采用天然块石。模型几何尺寸允许偏差控制在±1.0mm以内，重量允许偏差小于±3%。为了便于观测，试验断面所使用的块体和块石均涂有不同颜色，如图5所示。

每个水位条件下波浪持续作用时间不小于原型2小时，以便观察防波堤断面在波浪累积作用下的变化情况，为保证试验结果的可靠性及稳定性，每个组次的试验至少重复三次。

在波浪作用下，大型护面块体累积位移超过块体zui大几何尺度一半时即判定为失稳；非控制作用的块石未发生明显变形判定为稳定。

4. 试验结果

4.1 方案一护面块石稳定性试验结果

1）扭王字块护面块体稳定性。外海侧：在50年波浪+极端高水位作用下，试验中观测到静水面高程附近4～5个18t扭王字块发生晃动，个别扭王字块之间产生约2cm左右的位移缝隙，18t扭王字块模型zui大几何尺度为9.3cm，所以扭王字块移动距离尚未达到其zui大几何尺度的一半，即尚未达到规范规定失稳条件。试验结果如图6所示。

港内侧：各工况下18t扭王字块基本稳定，未观测到明显运动迹象，满足规范要求。

2）坡脚抛石棱体稳定性。外海侧：在50年波浪+设计低水位作用下，900-1800kg坡脚抛石棱体表层个别晃动，大部分晃动幅度不大，部分大浪作用时出现个别滚动，表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

图4 波浪水槽布置图（平视）   

表1 模型试验断面方案及特征参数  

表2 试验波浪要素（原型）  

港内侧：900～1800kg坡脚抛石棱体未见晃动，表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

3）护底块石稳定性。外海侧：在50年波浪+设计低水位作用下，100～200kg护底块石表层可见少量晃动，个别滚动，滚动距离zui大达3～5cm，整体未发生明显变形，晃动的护底块石大部分位于护底斜坡处，未见整体失稳。

港内侧：在50年波浪+设计低水位作用下，100～200kg护底块石表层少量晃动，个别滚动，滚动距离zui多4～5cm，护底斜坡末端大浪时出现小部分位置失稳，未见整体失稳。

图5 试验断面布置图   

表3 方案二断面各工况越浪量对比  

4.2 方案二护面块石稳定性试验结果

1)22t扭王字块护面块体稳定性。所有设计工况下，22t扭王字块未见显著晃动，块体附着可靠，稳定性满足规范要求。

2）坡脚抛石棱体稳定性。外海侧：1100-2200kg坡脚抛石棱体表层个别晃动，大部分晃动幅度不大，部分大浪加高水位工况出现个别滚动，但是滚动块石数量明显少于方案一，棱体表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

港内侧：1100～2200kg坡脚抛石棱体未见块体发生晃动，表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

3）护底块石稳定性。外海侧：在50年波浪+设计低水位作用下，100～200kg护底块石表层zui多可见10多个晃动，2～3个左右滚动，晃动的护底块石大部分位于护底斜坡处，护底上表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

港内侧：在50年波浪+设计低水位作用下，100～200kg护底块石表层zui多可见5个晃动，1～2个滚动，滚动距离约2～3cm，表面未发生明显变形，整体处于稳定状态。

4.3 块石及抛石棱体稳定重量确定

对于试验中出现晃动幅度较大或滚动的坡脚抛石棱体和护底块石进行重新调整重量，直至试验中不发生超过颗粒直径一半的显著晃动后，取出并称重并换算成原型质量后可以得到结论，对于外海侧坡脚抛石棱体的稳定重量不应小于2000kg，对于外海护底块石稳定重量不应小于300kg，对于港内侧坡脚抛石棱体稳定重量不应小于900kg，对于港内侧护底块石稳定重量不应小于200kg。

4.4 越浪量试验结果

根据前面扭王字块稳定性结果，对方案二对应的22t的扭王字块防波堤断面进行越浪量试验，越浪量采用在堤顶后用不透水土工膜袋接水，对一个波列中出现的总越浪量进行测量，并折算成单宽平均越浪量，结果如表3所示。

通过试验结果与经验公式计算结果对比可知，两者结果较为接近。ENE-E向作为平面上主要垂直于防波堤结构的浪向，其越浪量要大于ESE-SE向，zui大越浪量为0.54m³/m/s，数值相对较大，由于本工程位于外海湾口处，防波堤后方紧临区域无陆域工程及附属建筑物，所以影响较小。

5. 结语

本文针对某码头项目防波堤工程的结构可靠性和适用性开展波浪断面物理模型试验研究，并基于断面试验结果对结构方案进行优化设计，研究主要结论如下：

(1）在极端工况下，18t扭王字块体产生小幅度晃动，提高至2 2 t后，护面块体稳定性有效提高。

图6 波浪作用前后扭王字块位置情况   

(2）通过物理模型试验可以确定，为保障极端工况下外海侧坡脚的稳定性，坡脚棱体块石zui小重量需由1100kg提高至2000kg，坡脚护底块石zui小重量需由100kg提高至300kg；港池内侧坡脚护底块石zui小重量需由100kg提高至200kg。

(3）由于本工程波高较大、波周期较长，为了确保工程安全，建议进一步开展防波堤三维整体物理模型试验以验证结构稳定性。