海堤前特殊地形对护面块体稳定性影响及对策

戈龙仔，刘海源，栾英妮

（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）

海堤前特殊地形对护面块体稳定性影响及对策

戈龙仔，刘海源，栾英妮

（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）

通过在波浪水槽内对海堤护面块体稳定性物理模型试验，发现在堤前存在特殊地形的条件下，波浪传播该区域后发生变形、破碎，形成的波能集中冲击范围内护脚人工块体，导致其失稳，进而使断面上整个护面块体向海侧滑移失稳。文章分析了块体失稳原因和影响因素，并从设计角度提出多种针对特殊地形下人工块体失稳的改善措施。

特殊地形；物理模型试验；波浪破碎；块体稳定性；工程措施

Biography：GE Long⁃zai（1977-）,male,associate professor.

在以往传统的水槽波浪断面物理模型试验中，考虑断面波浪正向入射和试验水槽场地规模限制，以及在设计院所提供的断面结构图显示，大部分防波堤、护岸工程断面前地形变化一般较小，且多数地形为泥或者沙，因此在试验时一般直接在波浪水槽平底上进行块体稳定性的验证，很少模拟堤前带地形的变化。在2011年台风浪“梅花”大连登陆后，大连海岸线有部分护岸工程出现人工块体出现破损失稳，并从护岸破坏的检测报告上表明，大量块体均出现向海侧滑移滚落而发生破坏，根据其断面破坏原因分析，发现大部分破坏的护岸断面均建立在有一定坡度基岩的特殊地形上，在台风浪“梅花”长周期波（原型观测到平均周期约11.0 s）作用下，波浪传至近岸，发生浅水变形波浪迅速增加产生破碎，破波作用最后导致护面块体被带至海侧而失稳。且试验结果表明，即使在加大人工块体重量满足设计波浪作用的情况下，因堤前特殊地形的影响，坡脚块体仍失稳，说明地形对块体稳定性影响明显。本文通过在波浪水槽中，模拟堤前带特殊地形［1］对大连新港沙坨子围堰加固改造工程原设计断面进行试验，复演了护岸断面破坏这一过程，分析特殊地形下破坏块体的破坏机理，最后通过加大压脚块体重量和延长护底长度，以及开挖不同深度基坑等多种修改和优化措施，找到能使该类型护岸断面块体稳定的对策。通过现场护岸破坏及试验中不同方案的验证发现，对于堤前存在特殊地形变化对块体的稳定性影响较大，需引起工程设计重视，必要时进行物理模型试验的验证和得出对应改善措施，可供类似工程设计参考。

1 模型试验概述

试验为大连港新港港区沙坨子海域回填及围堰工程，原设计断面堤前泥面高程为-7.0 m，堤顶高程为+9.5 m，采用5 t扭王字块护面，护面坡度1：1.5；护底均采用300～500 kg块石，断面前地形坡度为1：10～1：15，具体结构型式见图1。

试验在交通运输部天津水运工程科学研究院试验水槽中进行，水槽长68 m，宽1.0 m，高1.5 m。模型按重力相似准则设计制作，试验比尺选择为λ=30，力比尺为λF=27 000，时间比尺为λt=5.48，模型设计遵循重力相似准则，模型设计和试验方法、步骤均严格按照相应规范要求进行［2-4］。试验波要素见表1，另外考虑到台风浪因素，试验中增加平均周期11 s、13 s。试验采用单向不规则波，谱型为JONSWAP谱［5］。

2 模型试验结果及分析

在各水位波浪作用下，波浪传播至堤前带斜坡的特殊地形后，发生明显的浅水变形，波陡变大，最终导致波浪在堤前发生卷破，卷破波正好冲击作用5 t扭王字块护面与300～500 kg护底块石连接位置，连续作用1 h（原体值，下同），300～500 kg块石被带至5 t扭王字块护面斜坡上，同时5 t扭王字块被带至海侧滚落失稳，破坏形态与现场检测破坏断面形式基本相同，波浪卷破、模型块体破坏形态见图2。

图1 护岸断面结构详图Fig.1 Sketch of cross⁃section of revetment

表1 试验波浪要素Tab.1 Wave parameters of model test

图2 波浪卷破及块体破坏失稳情况Fig.2 Situation of wave breaking and unstability of armor block

参考《防波堤设计与施工规范》JTS154-1-2011规定，在给定设计波要素的条件，对失稳断面的护面块体稳定重量进行验算，计算式如下

式中：W为单个块体的重量，t；棱体块石重量按照规范规定取该值的0.3～0.4倍，本次取0.3;γb为块体材料的重度，kN/m3；护面块体取23，棱体块石取26.5；H为设计波高，m；护面块体计算取H5%，棱体块石计算取H13%；KD为块体稳定系数，可按表查询，护面块体计算取18，棱体块石计算取4.0；α为斜坡与水平的夹角；γ为水的重度，kN/m3，取10.25。

采用式（1），计算得到不同水位波浪作用下护面块体、棱体块石重量结果见表2，从表2护面块体重量可知，除极端低水位波浪作用下，设计断面块体重量能满足要求外，其余均超设计块体重量，因此块体重量不足也是导致失稳的原因。而对于棱体块石，则全部不满足要求。

表2 不同水位波浪作用下护面块体、棱体块石重量Tab.2 Weight of armor block and prism stone under different water levels and wave action

根据上述原设计断面破坏的形态，按照加大护面块体、坡脚棱体重量思路［6-8］，提出修复加固方案。

（1）修复加固方案1：在原5 t扭王字块上加安一层10 t扭王字块，外坡坡比维持原坡比1：1.5，另外在300～500 kg护底块石平台安放扭王字块，缩短护底块石宽度，其他与原设计相同。试验结果表明：在卷破波冲击作用下，护面10 t扭王字块滚落海侧，失稳。

（2）修复加固方案2：由修复加固方案1试验结果可知，虽然10 t护面块体重量能满足入射波浪的冲击作用，但因基岩斜坡上棱体块石失稳，从而导致整个护面块体滑移失稳。因此提出仍采用10 t扭王字块护面，但在+5.45 m高程处（即护面块体1：1.5斜坡）设置宽度为11.1 m的护面肩台，另外护底采用2排10 t扭王字块体，且直接置于海底岩基斜坡上，取消300～500 kg护底块石（图3）。试验结果表明：断面仍失稳。主要因坡脚处扭王字块直接安放在基岩上，其本身自重沿海侧方向产生一个向下的分力，从而使自重本身减弱，另外块体间咬合嵌固及与基岩的摩擦也相应减弱，因此波谷作用时，加速块体向海侧滑移，导致护面整体滑移［9-10］。

图3 修复加固方案2结构详图Fig.3 Sketch of modified and reinforcement case 2

图4 修复加固方案3结构详图Fig.4 Sketch of modified and reinforcement case 3

图5 修复加固方案4结构详图Fig.5 Sketch of modified and reinforcement case 4

通过试验发现因护底块体滚落，而导致整个断面失稳，对此在该方案基础上继续加大2排护脚扭王字块的重量，用以加强其支撑作用。即分别加大至16 t和30 t扭王字块，甚至直接采用混凝土压脚块（方块长3.84 m（原体值），宽3.84 m，厚2.1 m，居中为一直径1.8 m的空心圆柱，单个块体重量为59 t），结果表明：在波谷作用下，16 t、30 t扭王字块和混凝土压脚块体仍整体向海侧滑移失稳。说明在该区域特殊地形影响和波谷拖曳力作用下，直接安放人工块体，难以使断面得以稳定。

（3）修复加固方案3：针对波浪作用下块体向海侧滑移，因此在坡脚采用炸礁形成的基槽方式，在基槽中安放两排13 t扭王字块体作为护底（图4），从而对人工块体增加一个向岸支撑力。试验结果表明：各水位波浪作用下，断面各部均能稳定。

但考虑到工程实际情况，若采用修复加固方案3即炸礁形成基坑可能对原断面整体稳定性产生影响，以及后期施工难度大，因此设计提出采取其他措施，但采用堤前基坑方式是有效保证块体整体滑移方式。

（4）修复加固方案4：根据修复加固方案2各种重量块体失稳的形态，因此增加块体护底长度，即由2排10 t扭王字块体增加至10排（即方式一，图5）。试验结果表明：在设计波要素波浪作用下，则稳定，但加长周期至11 s时，波谷在回落过程中，由于波浪水平拖曳力加大。靠海侧第一排扭王字块有一块向海侧滚落失稳。

因此在方式一失稳断面基础上，将前两排人工块体重量由10 t加至16 t（即方式二），在设计和加长周期至11 s条件下，断面稳定，但再加大周期至13 s时，波浪连续作用0.5 h，靠海侧第一排16 t扭王字块护底有2块向海侧翻滚而失稳。最终采用30 t扭王字块替换靠海侧前两排的16 t扭王字块（即方式三）进行试验，在设计波高和加长周期条件下，断面各部分均能保持稳定。

由试验结果表明加固方案3（方式三），断面稳定，但工程上为节省加固修复成本，从设计角度上对其进行了优化，提出进一步优化加固方案。

（5）优化加固方案1：考虑缩短护脚扭王字块排数，由10排扭王字块缩短为7排，且靠近海侧前两排首先仍考虑为16 t扭王字块（即优化方案一），试验结果表明：在波浪作用下，尤其波谷作用下，靠海侧第一排16 t扭王字块向海侧翻滚失稳。

（6）优化加固方案2：由10排扭王字块缩短为2排，且全部采用30 t扭王字块进行护底，试验结果表明：在波浪作用下，仍出现晃动，但没有滚落和跳出，仍判定其临界稳定。

综上，由于堤前地形的影响，导致波浪形态和水流流态紊乱［11］，通过多种改善和优化措施找到经济合理加固方案，另外上述10余种修改措施和块体稳定性结果计算也表明，对于复杂波态条件下，即使在加大人工块体重量满足设计波浪作用的情况下，因堤前特殊地形的影响，坡脚块体仍失稳，在此显示物理模型的必要性。

图6 不同加固方案，波浪作用护面块体破坏失稳情况Fig.6 Situation about armor block stability in different modification cases

3 结语

通过对波浪水槽试验中堤前带特殊地形对护面块体稳定性和改善措施的试验研究，主要结论如下：

（1）堤前特殊地形对入射波产生变形，导致在堤前发生卷破，形成复杂波态，冲击护脚块体，尤其波谷时表现明显，影响了块体稳定性。

（2）由断面护面块体失稳形态可知，堤前地形和破碎产生的较强浮托力和挟带力是造成护脚块体失稳的主要原因。

（3）针对堤前带特殊地形对护脚块体稳定性影响，通过试验提出多种改善措施，可采用坡脚开挖基槽，以及适当延长护脚块体宽度和加重块体重量等。且开挖措施效果明显，可供类似工程设计参考。

（4）因堤前特殊地形的影响，即使在加大人工块体重量满足设计波浪作用的情况下，坡脚块体仍失稳，在此显示物理模型的必要性。

（5）本研究再次说明水运工程中采用物理模型试验验证和优化设计方案的重要性，在某些情况下，模型试验可能是有效解决问题的唯一手段。

［1］天津：交通运输部天津水运工程科学研究所.大连港矿石码头#2堆场护岸修复工程断面波浪物理模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所,2012.

［2］JTS154-1-2011,防波堤设计与施工规范［S］.

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Influence of complex terrain in front of seawall on armor block stability and its countermeasures

GE Long⁃zai，LIU Hai⁃yuan，LUAN Ying⁃ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Based on physical model test of armor block in wave flumes,it is found that deformation and break⁃ing of waves occur under the condition of special terrain.Then the artificial block within the range of possibilities is impacted by the concentration of wave energy,which results in the instability of toe protection armor block and the slippage of the whole armor blocks.In this paper,the reasons of block instability and the influence factors were ana⁃lyzed.From the point of harbor construction design,some improvement measures were put forward to solve the prob⁃lem of block instability owing to the special terrain.

special terrain;physical model test;wave breaking;block stability;engineering measures

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0125-05

2013-04-11；

2013-05-16

戈龙仔（1977-），男，江西省临川人，副研究员，主要从事港口航道及近海工程研究。