新型消浪块体在防波堤断面上坡度确定的试验研究

戈龙仔，高峰

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

新型消浪块体在防波堤断面上坡度确定的试验研究

戈龙仔，高峰

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

根据以往研究的成果和参考相关堤防设计规范，对于现有不同的消浪块体在防波堤工程设计应用时，均有对应的最佳边坡坡度。在2013年申请交通运输部应用基础研究项目“新型深水防波堤结构型式与消浪块体稳定性研究”子题三（新型消浪块体研究与开发）中开发了一种新型消浪块体，通过对该块体坡度与稳定性的影响试验中，得出了边坡坡度与块体稳定重量并不是如Hudson公式所体现的反比例关系，而是呈抛物线变化规律。试验结果可为新型消浪块体在工程上推广应用提供基础数据。

斜坡堤；护面坡度；新型消浪块体；变化关系

在2013年申请交通运输部应用基础研究项目“新型深水防波堤结构型式与消浪块体稳定性研究”子题三（新型消浪块体研究与开发）中提出并研发了一种新型消浪人工块体［1］。前期进行块体选型时，首先对现有常用护面块体外形特点、稳定性和经济性进行了对比分析［2-4］，利用《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）中块体稳定重量和混凝土用量公式，计算得出了不同类型单个块体稳定重量和混凝土用量分别关系见图1和图2。由图1可知，在相同的设计波高情况下，扭王字块的稳定性最好；而由图2可知X⁃bloc块体混凝土用量最少即最经济。基于上述块体对比，研究将最经济X⁃bloc块体与最稳定的扭王字块形进行组合作为本次新型消浪块体（图3），新型消浪块体暂命名为“十字”型块体。最终经前期的结构计算和外形类似的现有块体在使用过程中的经验总结，得出本专题块体结构尺寸见图4，新型块体体积V=0.229h3（h为块体高度），块体与其他现有钩连体摆放方式相同，均采用单层随机安放。

在子题三的试验研究过程中，分别开展了包括入射波高、周期、堤前水深和坡度等多种因素对于新型人工块体稳定性的影响试验，本文主要讨论防波堤、护岸边坡坡度m对人工护面块体稳定性的影响试验研究［5］，最终得出块体的最佳坡度m。

图1波高H（m）与护面块体稳定重量W（t）关系曲线Fig.1Curve of wave height H（m）and stable weight of armour block W（t）

图2护面块体重量W（t）与混凝土用量Q（m3）关系曲线Fig.2Curve of weight of armour block W（t）and concrete quantity Q（m3）

1 研究条件

1.1 试验条件

（1）试验波浪：由于本次模型试验的主要目的为讨论防波堤、护岸不同的边坡坡度m对人工护面块体稳定性影响系列研究，因此试验中考虑在水槽造波机的造波能力允许范围内，以及保证试验时堤顶不越浪和块体的失稳率等条件下，模型试验波要素确定详见表1。整体试验过程中，波浪采用不规则波进行作用。

（2）试验水位：根据上述确定的波要素，以及考虑水槽内断面高度，选定模型水位d=0.35 m。

1.2 试验断面

试验断面底面高程设为0.0 m，堤顶高设为0.75 m；护面采用60 g重量新型块体护面，摆放方式为随机安放，垫层块石重量为3～6 g，坡度分别设置了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四种，棱体块石为6～12 g，坡度为1：2；护底块石采用重为1～6 g块石，端部坡度为1：2，具体试验结构断面详见图5。

图3新型消浪块体的演变过程Fig.3 Evolution process of new dissipation armour block

图4新型消浪块体（十字块）结构尺寸图Fig.4Sketch of new dissipation armour block（cross block）

2 试验研究方法

2.1 波浪模拟

试验在交通运输部天津水运工程科学研究所试验水槽中进行，水槽长68 m，宽1 m，高1.5 m。试验采用单向不规则波，谱型为JONSWAP谱［6-7］。

模型中波浪作用时间取30 min，在此期间若断面破坏严重，则提前结束试验；若断面不发生破坏，则波浪继续作用30 min。

2.2 块体稳定性判定

块体稳定性主要通过观察其位移情况进行判断，试验中当位移变化在半倍块体边长以上、滑落或跳出，即判断为失稳。当波浪累积作用下出现局部缝隙加大至半倍块体边长以上，也判断为失稳。由于新型消浪块体与其他钩连体相同均采用单层随机摆放，因此对于该块体失稳仍采用上述标准进行判定。

另外模型中为了便于说明波高与失稳率之间的关系，因此试验中定义在波浪作用下，块体有轻微晃动，但未达到失稳时幅度，称该状态为临界，此时作用的波高为极限波高。

关于块体失稳率依据规范的相关规定，采用下式进行计算

式中：n为失稳率，%；nd为静水位上、下各1倍设计波高范围内失稳块体数；N1为静水位上、下各1倍设计波高范围内块体的总数，进行不同坡度断面试验，其块体数量N1则有所不同。

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

图5模型试验断面示意图Fig.5Sketch of cross⁃sections of breakwater

表2斜坡堤边坡坡度Tab.2Slopes of sloping breakwater

3 试验结果及分析

3.1 现有护面块体与坡度m关系论述

由《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）中块体稳定性计算式Hudson公式为

式中：W为单个块体的稳定重量，t；γb为块体材料的重度，kN/m3；γ为水的重度，kN/m3；H为设计波高，m；KD为块体稳定系数；α为斜坡与水平面的夹角，（°），此时式中斜坡堤坡度m=ctgα。

依据式（2）可知，块体的稳定重量与坡度m成反比例关系，即坡度越缓，则要求的稳定重量则越小。但参考国内外其他已有研究成果来看［8-11］，例如四脚空心方块、条石和螺母块体等都是斜坡坡度越陡反而越稳定；在《防波堤设计与施工规范》（JTS154-1-2011）中4.1.10节也给出了不同护面块体在斜坡堤最为合适的边坡坡度规定［12］（表2）。由表2中规定可知工程上常用的安放人工块体最合适的边坡坡度为1：1.25～1：2.0。

3.2 新型消浪块体与坡度试验

为探求新型消浪块体稳定条件下的最合适的边坡坡度m，本次试验研究过程中分别进行了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四种不同护面坡度试验，在不同入射波浪作用下，分别测定其坡度m和块体失稳率n（%）、极限波高H（m）的关系，最终得出新型消浪块体合适的边坡坡度m。

图64种坡度断面上护面块体失稳情况Fig.6Instability rate of armor block in four slope cross⁃sections

表3不同坡度m与失稳率n（%）、极限波高的关系Tab.3Relationship of different slope m and instability rate n（%），limited height

图7不同坡度m和极限波高H（m）关系曲线Fig.7Curve of different slope m and limited height H（m）

在堤前水深d=0.35 m，不同波浪试验条件作用下，通过对新型消浪块体4种不同坡度m断面试验现象观测发现，块体失稳机理主要为：当波浪冲击护面块体时，部分水体沿堤坡上爬，另外部分水体则透过块体进入其内部，波谷时波浪沿坡面下落，渗入护面块体内部的水体也向外排出，此时外流的水体对护面块体产生一个离岸的浮托力；随着波浪的连续作用，当块体浮托力增大至大于块体本身的自重后，块体失重被挤出，失去块体间的钩连，从而导致块体滚落失稳。失稳范围主要集中在静水位附近，不同坡度块体失稳现象具体见图6。在不同入射波浪作用下，分别测定不同坡度m和块体失稳率n（%）、极限波高的变化关系，具体见结果分别见表3和图7、图8。

通过图7、图8断面坡度m与极限波高H、块体失稳率的关系可知，新型消浪块体既不是斜坡坡度越陡越好，也不是越缓越好，变化而是一个抛物线的过程，由两组周期不同波高作用均得出设计时采用1：1.5坡度较合适。

4 结语

通过对防波堤、护岸不同边坡坡度m与护面新型消浪块体稳定性的系列试验研究，得到主要结论如下：

（1）坡度与新型消浪块体稳定性的影响关系，并不适用Hudson稳定性计算公式所体现的结果，即块体不是斜坡坡度越陡越好，也不是越缓越好，而是一个抛物线的过程，结果表明在1：1.5较合适。

（2）通过系列试验得到防波堤、护岸坡度m与极限波高、失稳率间的变化关系，根据其变化趋势结果，可为《防波堤设计与规范》（JTS154-1-2011）中稳定重量计算式的完善提供试验基础数据。

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Experimental study of new dissipation block to determine slope on breakwater sections

GE Long⁃zai，GAO Feng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

According to the results of previous studies,and reference to design specification of the relevant dike design codes,there was the best slope corresponding to the application for the existing different dissipation blocks when the breakwater engineering is designed.In 2013,a kind of new dissipation block was developed in the application of basic research projects,which is based on the application of basic research projects,"the new type and the stability of deep water breakwater".Through experimental study of the influence about the slope and stabi⁃lized weight of block,it is concluded that the slope and stabilized weight of block is not such as embodied in the Hudson formula simple inverse proportion,but showed a parabolic variation.The test results can provide basic data for the generalization and application of the new dissipation blocks in engineering.

sloping breakwater;armor slope;new dissipation blocks;relationship

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0486-04

2015-07-28；

2015-10-28

交通运输部应用基础研究项目（2013329224230）

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。

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