STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究

张慈珩，陈汉宝，耿宝磊，张 维

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究

张慈珩，陈汉宝，耿宝磊，张 维

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

文章通过对规范公式、断面物理模型及三维物理模型试验结果的对比，对STEM波作用下护面块体的稳定性进行验证，分析失稳原因，提出加强稳定性的措施。通过不同手段得到结果的对比，三维模型试验对表现复杂波浪对结构物的影响效果较好，得到的结果远大于公式计算和断面模型试验结果，可以有效保证工程安全。

三维物理模型试验；扭王字块；稳定性；STEM波

Biography：ZHANG Ci-heng（1981-），male，assistant professor.

波浪在建筑物附近传播，当来浪方向与直立式建筑物呈小于一特定角度入射时，波浪会沿直立表面形成STEM波，而不发生常规的反射［1］。STEM波在沿结构传播过程中波能迅速积聚，表现出来的波高及影响范围也随着传播距离的增加而加大。根据现有研究成果，STEM波的波高可达初始入射波高的两倍以上［2-3］，这种波浪如果遇到两种结构形式相交突起或结构边缘处会发生破碎，破碎波浪冲击作用强烈，严重威胁结构的稳定性。

随着目前港口建设向深水化发展，为建设成本、施工方法考虑，深水岛堤、码头、引堤等越来越多的采用不同深度多种结构分段的复合形式，如防波堤在深水采用直立复合结构而在浅水采用斜坡式结构，如此设计就会出现直立和斜坡两种结构相交的部分，在特定波浪入射角度下，STEM波的出现会成为工程中的危险因素，尤其在两种结构相交处的斜坡堤段，STEM波会对护面结构形成很大冲击。

图1 STEM波示意图Fig.1 Sketch of STEM wave

在目前港口工程设计中，斜坡式结构护面块体稳定性的判断一般通过公式计算或波浪断面物理模型试验确定［4-5］，但这两种方法均有其局限性：规范公式可以对计算波高参数进行调整，但无法反映斜向入射波浪破碎后破波水流对块体的作用；而在断面物理模型中，受造波限制，有可能很难复演出STEM波的波高，进而无法准确模拟该类波浪作用。因此在针对诸如防波堤堤头［6］、转角或结构相接处等复杂情况下的结构稳定性的判断时，采用三维波浪模型是十分必要的。

对于STEM波的研究之前多集中在数学模型模拟上，对其对结构稳定性影响的研究并不多见［7-16］。本文依托烟台西港区码头起步工程的相关模型研究，由于其特殊的工程布置，在试验中出现了STEM波对斜坡式结构护面结构的冲击，为该类问题的研究提供了很好的素材，在本文中对STEM波作用下防波堤护面块体的失稳原因以及强化其稳定性的优化措施进行研究，并与常规断面试验和相关公式计算结果对比，论证了采用该类型模型在解决复杂波浪条件下块体稳定的必要性。

1 试验工程简介

本文依托的烟台西港区码头起步工程位于烟台以西套子湾内，模型研究范围位于整个规划港区的东侧，水工设施包括引堤、码头等。试验研究主要针对布置方案进行波浪稳定物理模型试验。在该工程布置中矿石码头海侧为直立式结构，与之相连的接岸引堤海侧水深较浅，采用斜坡式结构。本文主要针对码头海侧直立结构与斜坡结构相交处在NNE向波浪作用下的块体稳定性进行分析研究。

在本文的研究区域中，码头水深为-26.0～-21.0 m，直立码头海侧胸墙顶高程为+11.5 m；接岸引堤斜坡式结构护面采用6 t扭王字块体，护面坡度1：1.5，上部挡浪墙墙顶标高+9.5 m。

图2 烟台西港区布置形式Fig.2 Layout of Yantai Western Port

图3 试验直立结构及斜坡结构图Fig.3 Sketch of vertical and slope structure

2 试验条件及模型设计

2.1 试验水位

设计高水位：2.46 m；极端高水位：3.56 m。

2.2 试验波浪要素

码头端部三维模型和断面模型试验波浪条件见表1和表2。

2.3 模型设计

三维模型和断面模型均为正态模型，按重力相似准则设计，三维模型选用几何比尺λ=50，时间比尺为λt=7.07；断面模型选用几何比尺λ=36，时间比尺λt=6。三维模型布置见图4。波浪入射角度与结构物夹角为22.5°。

表1 三维稳定模型试验波浪条件（码头端部）Tab.1 Wave condition of 3D stability model

表2 断面物理模型试验试验波浪条件Tab.2 Wave condition of 2D stability model

3 试验结果

3.1 块体稳定重量计算

根据《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）中相关公式计算

式中：W为单个块体重量，t；γb为块体材料的重度（混凝土为23 kN/m3）；H为设计波高（采用4.35 m）；KD为块体稳定系数，新规范要求扭王字块为18；γ为海水重度，γ=10.25 kN/m3；ctgα 为斜坡堤坡度（原设计坡度 1：1.5）。

通过计算，计算所需块体重量为3.7 t，而在设计中采用6 t块体，大于计算重量，原则上应可满足护面稳定的要求。

图4 三维模型布置图Fig.4 Layout of 3D model

3.2 断面物理模型试验结果

直立码头与引堤连接处护面采用6.0 t扭王字块，斜坡坡度为1：1.5，中部戗台高程为-2.0 m。在试验波浪作用下，原设计护面块体稳定。

综上所述，原设计块体重量大于公式计算结果且通过断面试验验证，可满足常规条件下的稳定性要求。

3.3 三维物理模型试验成果

（1）原设计方案试验成果。在设计波浪作用下，波浪在防波堤外侧形成STEM波，直立和斜坡结构相接处比波高接近2.0，波浪冲击斜坡后破碎，形成的破波水体继续沿斜坡堤戗台传播，造成斜坡结构失稳。

分析该处块体失稳的原因，主要有以下两方面：第一由于STEM波的波能积聚作用，使该处受到了远大于原设计波浪的直接冲击，试验中最大实测比波高为1.83；第二为波浪冲击破碎后形成的破波水体的冲刷作用，破波水体夹带大量气泡，且速度与波速接近，冲击作用强。

（2）优化方案试验成果。根据原设计方案试验成果，连接段原设计6 t块体无法满足稳定要求，同时根据试验观察，原设计断面结构及块体尺寸与实际需要相差较大，因此需要从不同角度对断面结构进行优化，主要优化方法为：加大块体尺寸、优化块体坡度、在连接段前局部增加潜堤丁坝促使波浪提前破碎减小对连接段的冲击，具体优化方案如下。

优化方案一（加大块体重量）：分别采用9 t、16 t两种尺寸的扭王字块体进行对比试验；

优化方案二（优化断面坡度）：根据规范公式，放缓坡度可增加块体的稳定性，因此将坡度优化为1：2，分别采用19 t、16 t和12 t三种尺寸扭王字块进行试验；

优化方案三（增加潜堤丁坝）：利用当地现场2个富裕沉箱，采用在连接段前布置若干道潜堤，促使STEM提前破碎。第一道潜堤距连接段100 m，第二道潜堤距连接段为200 m。该优化方案进行了2组潜堤顶高程组合方案进行对比，第一组为第一道潜堤顶高程为-5.0 m，第二道潜堤顶高程为-10.0 m；第二组为第一道潜堤顶高程为-2.5 m，第二道潜堤顶高程为-7.5 m。在该优化方案中，连接段护面块体采用12 t扭王字块体，护面坡度为1：2。

根据优化方案试验结果：优化方案一在重现期为50 a波浪连续作用下，9 t和16 t扭王字块均无法保持稳定，由此可见单纯采用加大块体尺寸的方法进行优化，效率较低。在优化方案二中护岸坡度改为1：2之后，19 t的扭王字块在波浪连续作用4 h后可保持稳定；优化方案三中在第二组潜堤高程组合后，12 t扭王字块可保证稳定性要求。

4 主要结论与展望

通过对本文中物理模型试验的研究，并结合规范公式计算结果对比，得出如下主要结论：

（1）随着港口向深水化发展，多种结构形式复合的工程布置形式越来越多，例如本文中列举工程的布置形式，多种结构形式复合结构物与岸线垂直或呈大角度相交，易出现STEM波，在规划布置阶段即应注意避免类似布置的出现。

（2）STEM波的破坏作用主要表现为两个方面，一是波能聚集形成了远超设计条件的波浪对结构物的直接冲击；二是冲击破碎后形成的高速夹气破波水体的冲击作用。

（3）防止STEM波的破坏，应从不同方面对结构进行优化：首先应对STEM波的出现概率及可能的波高大小进行预测，此为进行块体防护的先决条件；针对块体稳定性除采用加大块体重量、优化坡度等直接增加块体自身的稳定性的方法外，还可通过沿直立结构修建潜堤丁坝或采用开孔沉箱等方法，防止波能积聚或促使其提前破碎，以减轻STEM波对结构的作用。

（4）波浪传播及对建筑物的作用是一个十分复杂的过程，采用常规的断面模型及公式计算，对常规情况可以得到比较可信的结果，但对本文中出现的复杂波浪情况，这两种方法得到的结果无法保证工程的安全，且与采用三维模型试验的结果存在较大的差别，因此在堤头或结构布置较为复杂的条件下，宜用三维稳定模型来判断工程结构的稳定性及安全性。

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Physical model on stability of sloping breakwater armor unit under STEM wave action

ZHANG Ci-heng,CHEN Han-bao,GENG Bao-lei,ZHANG Wei
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

In this paper,based on the comparison of formula,2D physical section model and 3D physical model,the stability of armor unit under STEM wave action was verified,and the reasons and improvement method were analyzed.According to the results of different methods,the 3D physical model is more suitable for simulating complex wave action on structure.The stable size of armor unit from 3D model is larger than 2D model and formula result,which can ensure the construction safety.

3D physical model;accropode;stability;STEM wave

TV 139.16；U 656

A

1005-8443（2013）06-0488-05

2012-09-26；

2013-02-21

张慈珩（1981-），男，天津市人，助理研究员，主要从事波浪数学及物理模型试验工作。