深水斜坡式防波堤结构形式及护面块体稳定性试验研究

2013-06-30柳玉良李贺青唐筱宁王海峰

中国港湾建设 2013年1期

柳玉良，李贺青，唐筱宁，王海峰

（海军工程设计研究院，山东青岛 266100）

1 概述

在以往的港口工程中，大多数的防波堤都建在-10～-15 m左右水深处，斜坡式防波堤护面在无特殊要求时，迎浪面一般都采取用同一重量的人工块体一护到底，港内侧护面块体有时仅护到水位以下一定深度处。这主要是由于水深相对较浅，迎浪侧1倍波高水深以下范围已经很小，换一种重量的块体做护面其经济意义已经不大，甚至还会增加施工成本，故以往设计的防波堤，内、外侧护面也多采用同一种块体一护到底的形式。

但是，随着船舶大型化和深水港建设的发展，防波堤的建设水深已经扩展到-20～-40 m，甚至更深的水域。深水斜坡堤的断面越来越大，设计水位以下还有几十米的深度，如果仍采用同一种重量的块体一护到底的结构形式，显然不够合理。这是因为在一定深度以下，波能已经减弱，已不再需要像静水位附近那样采用很大重量的护面块体了。

我国现行行业规范JTJ 298—98《防波堤设计与施工规范》[1]中4.2.12条有相应的规定：外坡在设计低水位以下1.0～1.5倍设计波高之间的护面块体重量可取按式 W =0.1（即Hudson公式）确定的块体重量的1/5。但在近年来一些深水大型港口的防波堤设计中发现，按照规范确定的这部分块体的重量，在波浪物理模型试验中不能满足稳定性要求，而需提高块体自重，至于增加多少合适只能通过物模试验来确定，并没有一个明确的标准作为设计依据。

深水斜坡式防波堤的结构形式选择，以及从设计低水位起算-1.0～1.5倍波高以下部分护面块体稳定重量的估算，已成为深水斜坡堤设计中所关注的课题。鉴于以往的工程实践较少，对这种复合结构断面的稳定性也很少研究，而且也没有成熟的设计计算方法可供使用，为满足深水防波堤建设的客观需求，开展这项研究是非常必要的。

2 斜坡堤的结构形式

本文所研究防波堤为斜坡式结构，静水位附近护面块体的稳定重量按规范计算采用较大的扭王字块体护面，不作为研究内容，研究对象位于静水位以下一定深度处护面块体的稳定性，试验中分别选用48 g及32 g扭王字块体和37 g的扭工字块体。断面一及断面二从戗台平面开始往下均为减小重量的同种块体，断面三减小重量的块体仅设在戗台以下，戗台平段及护肩仍采用大块体，结构断面详见图1～图3。扭王字块体护面为单层随机安放，扭工字块体为两层随机安放，试验过程中堤顶基本不越浪。

图1 试验研究防波堤断面一

图2 试验研究防波堤断面二

图3 试验研究防波堤断面三

3 试验研究方法

试验是在长86 m、宽1.4 m、高2.6 m的室内不规则波水槽中进行，斜坡堤模型设置在分隔出的0.8 m宽部分，试验中采用了入、反射波分离技术，以使入射波浪长时间作用保持稳定。

不规则波采用JONSWAP谱进行模拟，其谱方程如下[2]：

式中：H1/3为有效波高，m；

式中：Tp为谱峰周期，s，

式中：γ为谱峰升高因子，取3.3。

语文实践无处不在，无时不有。将实践与课堂教学隔离开来是片面的，错误的。课堂上教师要有意识地引导学生质疑，让学生从无疑处生疑。教学苏教版第十一册《积累运用1》中的《望洞庭》时，我让学生在自读的基础上说理解，提问题。有一位同学提出“为什么作者说‘镜未磨’呢？”初看平常，“镜未磨”的意思就是没有磨过的镜子；细细体会，如仅仅是说湖面平静，比作镜子即可，又何必说“未磨”呢？接下来我们一起就这个问题展开了讨论。学生品读诗句，互相启发，积极发言。最后体会到作者用“镜未磨”来比喻月光下的湖面是很准确的，更能表现月光下的洞庭湖独特的美。不难看出，质疑交流是培养学生实践能力，提高语文素养的重要途径。

试验波浪要素见表1。

表1 试验波浪要素

试验是在变化波高，并同时调整戗台高程的条件下进行的。每一组试验均保持戗台上水深与波高的相对关系。对每一波高又进行了不同周期组次的稳定性试验，临界稳定波高及相应的KD值是根据不同波高和不同周期条件下的系列试验获得的。

4 试验结果及分析

通过对防波堤各研究断面进行稳定性观测，采集护面块体失稳数据，确定其临界稳定状态所对应的波高值，再利用Hudson公式计算出块体稳定系数KD。推荐设计采用的KD值考虑了一定的安全度，取值均小于临界值。各断面试验结果详见表2。

表2 各断面试验结果

从实测结果看，防波堤结构断面一戗台顶高程设置在静水位以下1.5倍波高处时，块体稳定性较差，原因是戗台水平面与斜坡面连接处块体间嵌固作用较弱，块体发生失稳破坏首先从这一位置开始，而且，一旦出现块体失稳，导致大面积破坏的概率非常大，因为坡肩及戗台平面上块体的状态及受力与坡面上完全不同，相互之间连接比较松散、相互间的嵌固作用较小，稳定性很差。个别块体失稳后，没有自我修复能力，易引起大面积的破坏。有研究表明，如果护面块体放置于倾斜度逐渐加大的斜面上，块体间的相互啮合作用会逐渐增强，护面块体的稳定性也随之增强[3]。

水面附近护面块体的稳定重量计算按规范规定KD值取18，断面一戗台位置护面块体的临界稳定系数为25，其稳定重量与上部相比小的有限，以此来确定整个下部坡面护面块体显然是很不经济的，故将戗台顶高程降低至静水位以下2.0倍波高处，进行了断面二的稳定性试验。根据断面二试验观测结果，计算戗台及以下块体的稳定重量，稳定系数KD可取30，也就是说，当确定静水位上下1倍波高范围内块体稳定重量时，KD值取18，戗台及以下块体可以取水位附近块体重量的0.6倍。

试验断面三针对断面一存在的问题进行了优化。研究对象为戗台以下坡面上的32 g扭王字块体及37 g扭工字块体的稳定性。试验结果表明，断面三的结构形式较为经济合理，戗台以下坡面上的护面块体稳定性较好。当戗台顶高程设在静水位以下1.5倍波高处时，计算下部坡面上扭王字块体的稳定重量时KD值可取72，即取静水位附近护面块体重量的1/4。当戗台顶高程设在静水位以下1.0倍波高处时，计算下部坡面上扭王字块体的稳定重量KD值可取54，即取静水位附近护面块体重量的1/3；采用扭工字块体护面时，因为是两层安放，容许有1%的失稳率，计算稳定重量KD可取36，1.0倍波高以下的扭工字块体重量取静水位附近护面块体重量的1/2即可满足稳定性要求。

5 深水斜坡式防波堤设计计算方法

5.1 戗台顶高程的设计

5.2 戗台以下护面块体稳定重量的设计

1）深水斜坡堤设计中若采用本研究中断面一的结构形式，戗台上及戗台以下坡面的块体重量不宜小于上部护面块体，我们不建议采用这种结构形式。如要采用，戗台顶高程不宜高于静水位下2倍波高（断面二），扭王字块体重量仅能减小至上部护面块体重量的0.6倍。

2）深水斜坡式防波堤设计宜采用本研究中断面三的结构形式。在波浪正向作用下，且堤前波浪不破碎，防波堤戗台以下护面块体的稳定重量仍可按公式W=0.1计算，但根据不同情况，KD取值应有所区别。

斜坡堤戗台位于静水位下1.0倍设计波高处，戗台以下坡面采用扭王字块体。计算静水位上、下一倍波高之间的护面块体稳定重量时块体稳定系数KD=18，确定戗台以下扭王字块体稳定重量时，KD值可取54，即戗台以下块体重量取上部块体重量的1/3。

若戗台高程降低至静水位下1.5倍设计波高处，相应KD值可取72，即戗台以下块体重量可取上部块体重量的1/4。

斜坡堤戗台位于静水位下1.0倍有效波高处，戗台以下坡面采用两层扭工字块体时，可允许有少量块体失稳，个别块体的失稳并不影响整个护面的稳定性。计算设计水位附近护面块体稳定重量时仍采用KD=18，戗台以下扭工字块体允许失稳率为1%时，确定其稳定重量KD值可取36，即戗台以下块体重量取上部块体重量的1/2。

在本试验研究过程中发现，在相同的结构断面中（断面三），重量相近的扭工字块体比扭王字块体稳定性差，因此计算两种块体稳定重量时不宜采用相同的稳定系数。