宽肩台防波堤稳定性研究

刘志远，佟德胜，张文忠

（中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

总结国内外实际工程中诸多斜坡堤形式可发现，目前港口工程中常规斜坡式防波堤大多由堤心石、人工护面块体和防浪胸墙构成，而采用宽肩台斜坡式防波堤结构的工程较少。JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》中对宽肩台斜坡堤的定义为：肩台尺度较宽，在波浪作用下允许肩台和坡面产生一定变形并形成动态平衡剖面的块石护面斜坡堤。在波浪作用时，其容许堤身断面发生变形，直至外坡块石坡面达到稳定坡面为止，利用波浪长期冲刷作用后形成的最终动力平衡断面来抵御波浪作用。

美国、丹麦、冰岛等[1]利用当地石料资源建造宽肩台式抛石防波堤，防浪效果比较理想。各类人工护面块体在生产预制过程中需要投入大量人力物力，与其相比，在附近有充足石料来源的地区，宽肩台式防波堤无需提前预制人工块体，大大简化了施工工序，有效降低了工程造价（根据国外的工程实践[1]，其造价可为常规式斜坡堤的50%~70%），并缩短了施工工期。从节能、减排、低碳角度，亦具有积极的社会效益和环保效益。我国港口建设事业正在快速发展，对于石料资源较丰富地区，设计与建造宽肩台式抛石堤将是一种经济、合理的选择。

从国内已完成的工程实例[2-7]中发现，不同的块石级配和肩台宽度是影响防波堤抛石护面稳定性和防浪效果的主要因素，但目前国内宽肩台防波堤的实际工程及此类研究成果还较少，理论研究深度也不及国外。开展宽肩台防波堤立项研究将对以后的抛石堤工程建设具有积极的指导意义。为此，近年来经过大量的调查研究，总结吸收了近10多年来国内宽肩台式抛石防波堤工程的设计、科研和施工经验，通过理论分析，并结合水工物理模型试验研究，归纳块石级配、肩台宽度随波浪变化的规律性，寻求稳定的宽肩台式抛石防波堤的最终断面结构形式。

1 试验研究

1.1 内容

1） 对宽肩台抛石防波堤结构的初始设计断面，测定各水位及相应波浪作用下抛石防波堤内、外坡块石护面的稳定状态，并根据试验结果对初始断面进行修改；

2）确定形成动力平衡断面时外坡护面层的最小结构尺寸及满足稳定性要求的肩台宽度，给出抛石堤护面块石的稳定重量和级配，并提出合理的设计断面；

3）观察并测量在不同水位的波浪作用下波浪的爬高、越浪及抛石堤堤顶的冲刷状况；

4）对试验过程中给出的各种合理初始断面及相应的动力平衡断面进行综合性评述，提出结论性意见。

1.2 方法

1） 模型按重力相似准则及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》的有关要求进行设计。

宽肩台式斜坡堤模型均采用自然堆放的方式，应用工具抛填断面，避免人工摆放，以消除人为影响。

抛石护面由不同粒径块石混合而成，抛石防波堤除了几何尺度外，护面块石的重量和级配也至关重要。稳定试验中，防波堤护面块石的重量为200～2 500 kg，其级配应按满足（D85/D15）＜3选用。抛石防波堤试验所采用的各种块石均经过人工挑选，并将不同粒径级配的块石涂以各种不同颜色以便观测不同重量块石在波浪作用下的运动状态和规律。

2）抛石防波堤断面模型试验中，从极端低水位开始进行不同水位的循环试验，水位循环变化的顺序依次为：极端低水位→设计低水位→设计高水位→极端高水位→设计高水位→设计低水位→极端低水位。试验中每一种水位至少连续作用3 000个波，或原型作用时间不少于6.0 h，应保证坡面变形充分以确保坡面达到动力平衡，并采用网格量测的方法，记录块石护面在每个水位波浪作用后的动力平衡剖面状态。断面变化达到动力平衡时，采用现场目测和电测的方法测量波浪爬高及堤顶越浪水舌厚度。

3）试验依据的原始波浪要素在模型安放之前进行率定。根据《波浪模型试验规程》的要求，波高误差不超过±5%，周期误差不超过±2%。抛石堤结构断面在各种水位下均采用不规则波进行稳定性试验。不规则波能模拟天然海浪，试验结果更符合现场情况。不规则波以H13%及平均周期作为控制条件。

1.3 设备

试验在大型不规则波试验水槽中进行，水槽的长、宽、高分别为92.0 m、4.0 m、1.8 m。水槽尾部设有1∶15的抛石消波斜坡，其消浪效果良好。水槽中装备有日本“三井造船株式会社”制造的大型不规则波造波机。该系统由液压驱动装置、控制台及计算机构成，可根据试验要求产生规则波和不同谱型不规则波。

试验波浪的量测与分析由2000型波浪试验数据采集仪、2000型数据采集处理及分析软件及计算机来完成。

2 工程实例研究成果

2.1 盐田港东港区宽肩台式斜坡堤试验

2.1.1 试验依据的资料

宽肩台式斜坡堤断面形式为：斜坡堤泥面底高程-13.5 m，-13.5～+2.0 m高程之间堤前为宽7.5 m、坡度 1∶1的 300～900 kg护面块石，+2.0～+5.5 m高程之间护面块石的宽度为12.5 m，堤顶高程为+6.8 m，见下文图1。

2.1.2 主要试验结果

宽肩台式斜坡堤修改断面护面块石动力平衡剖面线与原1∶1坡面在-1.0 m处相交，最终的动力平衡剖面线可以看出，肩台被冲刷掉7.5 m左右，冲刷坡度约为1∶2，堆积坡度近为1∶1，其最终平衡剖面线距+2.0 m高程处堤心石最小厚度约1.0 m。其最终的动力平衡断面均满足稳定要求，宽肩台式斜坡堤设计断面的300～900 kg护面块石级配较合理。

设计高水位+2.26 m及极端高水位+3.56 m时，在该水位波浪作用下护面冲刷后达到的动力平衡断面均有越浪发生，其最大越浪水舌厚度分别为0.85 m、1.30 m；越浪水体对12.5 m宽肩台后面的+5.5 m高程肩台堤心石及堤顶60～100 kg护面块石造成局部冲刷，但+6.8 m高程堤顶整体基本稳定。

表1为盐田港宽肩台式斜坡堤护面块石的稳定重量和级配。

最终形成的动力平衡断面见图1。

表1 盐田港宽肩台抛石斜坡堤护面块石的稳定重量和级配Table 1 Thestability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubblebreakwater at Yantian Port

图1 盐田港宽肩台抛石斜坡堤的最终动力平衡断面Fig.1 The final dynamic equilibrium section of the wide-shouldered rubble breakwater at Yantian Port

2.2 营口港鲅鱼圈港区北堤宽肩台结构抛石斜坡堤试验

2.2.1 试验依据的资料

宽肩台抛石斜坡堤断面形式为：胸墙顶高程+8.0 m，底高程-6.00 m，-6.00～+7.50 m高程之间为坡度1∶1、护面块石重300～1 000 kg的堤前坡，宽肩台顶+7.50 m前坡角至胸墙立面前沿宽度为9.40 m。堤心顶高程+5.0 m，宽5.0 m；路面顶高程 +5.50 m，见下文图2。

2.2.2 主要试验结果

宽肩台结构方案设计断面达到各水位下的动力平衡状态时，堤前冲刷剖面无明显变化，冲刷剖面线与极端高水位的动力平衡剖面线相近。

北堤宽肩台结构方案设计断面最终动力平衡断面中堤前300～1 000 kg护面块石冲刷坡度平均约为1∶1.6，堆积坡度近为1∶1.5；护面平衡剖面线与原1∶1坡面在+1.5 m处相交，堤前最终平衡剖面线距堤心石最小厚度约3.10 m，前肩台被冲刷掉3.30 m左右，肩角处最大冲刷深度为3.30 m。不同水位及相应波浪的循环作用下，堤前护面块石的运动规律为：800～1 000 kg块石受波浪冲刷后下移速度比较快，堆积区内多为600～1 000 kg块石。重量偏轻的300～400 kg块石大部分都充填在大块石的缝隙中，使冲刷后的坡面变的比较密实。北堤宽肩台式设计断面满足稳定性和使用要求，堤前300～1 000 kg护面块石级配较合理。

表2为营口港北堤宽肩台抛石斜坡堤护面块石的稳定重量和级配，最终形成的动力平衡断面见图2。

表2 营口港宽肩台抛石斜坡堤护面块石的稳定重量和级配Table2 The stability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubble breakwater at Yingkou Port

图2 营口港宽肩台抛石斜坡堤的最终动力平衡断面Fig.2 The final dynamic equilibrium section of thewide-shouldered rubble breakwater at Yingkou Port

2.3 大连北良粮食码头工程宽肩台式抛石防波堤试验

2.3.1 试验依据的资料

宽肩台抛石防波堤断面形式为：堤顶高程8.5 m，堤顶宽度8.0 m，宽肩台设在外坡5.5 m高程，肩台宽14.0 m。肩台上段堤面坡度为1∶2、下段为1∶1。堤顶部位下面的堤心石顶高程5.0 m，坡度为1∶1.5，肩台下面堤心顶高程为-2.0 m，坡度亦为1∶1.5。另外护底-11.0 m，宽度15.0 m。堤顶部位块石护面层厚为3.5 m，肩台处块石护面层厚度为7.5 m，见下文图3。

2.3.2 主要试验结果

设计断面在设计低水位相应的不规则波作用下，首先是+5.5 m高程的宽肩台前坡被波浪淘刷而坍落，打落的块石沿着堤坡面堆积，坡面变为反S形。随着波浪作用时间的延续，冲刷强度减弱，到达动力平衡时，宽肩台的宽度被冲刷掉7 m，堤坡脚处堆出7 m宽，冲刷断面中间段坡度为1∶2.5。再在设计高水位的不规则波作用下，波浪的冲刷区段在设计高水位附近，因此，+5.5 m的宽肩台冲刷加剧，到达动力平衡时，宽14 m的肩台全部被冲刷掉，此时坡面变得缓且直，中间段坡度大约1∶3.5～1∶4.5。防波堤断面在上述两个水位下形成的综合动力平衡断面，在校核高水位的不规则波作用下，冲刷部位再度上移，堤顶前坡1∶2的坡面继续被冲刷，断面达到动力平衡时，堤顶前肩被冲刷下0.5 m左右，宽肩台下部也继续冲刷，但远未冲到-2.0 m高程堤心石。

上述综合动力平衡断面回到设计高水位、设计低水位继续进行相应不规则波试验，堤顶前坡面继续冲刷，但冲刷强度不大。因此到达动力平衡时冲刷坡面无较大变化，此时部分块石被波浪带到水线以下，但也有少量块石被波浪推到水线以上。冲刷剖面与原堤坡面交点在-1.5 m附近。表3为大连北良宽肩台抛石防波堤护面块石的稳定重量和级配，最终形成的动力平衡断面见图3。

表3 大连北良宽肩台抛石防波堤护面块石的稳定重量和级配Table 3 The stability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubble breakwater at Dalian Beiliang Port

图3 大连北良宽肩台抛石防波堤的最终动力平衡断面Fig.3 The final dynamic equilibrium section of the wide-shouldered rubble breakwater at Dalian Beiliang Port

3 数据统计分析与结论

现行港口海岸工程JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》（以下简称《规范》）中有关宽肩台式防波堤合理断面形式设计标准是根据国外9座基本数据比较齐全的宽肩台式防波堤统计得出的。近年来对我国新建宽肩台式抛石防波堤进行了大量试验研究工作（包括盐田港、岚山港、营口港以及上世纪90年代大连北良粮食码头等系列宽肩台式抛石防波堤断面物理模型试验），并对有关防波堤的试验结果进行详细统计分析，丰富了国内相关的实验研究及工程实践经验，进一步揭示了相关规律，扩充了对宽肩台抛石堤的认识。

针对宽肩台式防波堤，在理论分析和模型试验结果基础上，经分析、推理、归纳，形成如下几点认识：

1）宽肩台式防波堤合理设计断面尺度的确定

宽肩台式防波堤设计断面的尺度主要包括肩台宽度和标高、肩台块石护面层厚度、肩台上、下边坡的坡度以及堤顶高程、堤顶宽度、堤顶护面厚度等。相关试验的数据资料见表4。

表4 宽肩台式抛石防波堤试验资料汇总Table 4 The test data of thewide-shouldered rubble breakwater

宽肩台式抛石防波堤在设计高水位以上采用较宽的肩台，肩台太窄不能起到宽肩台式斜坡堤的作用。《规范》规定：肩台宽度宜采用2.3~2.9倍设计波高值即（2.3～2.9） H13%且不小于6.0 m。根据对国内7个断面实例的试验结果统计，符合稳定性要求的肩台宽度多在2.68倍设计波高值以上，最宽达到设计波高4.46倍；肩台实际宽度多在9.0 m以上，最大宽度达到14.0 m。

对于肩台顶高程，《规范》规定其可定在设计高水位以上1.0~3.0 m处，且尽量取高值以保证堤顶不被冲蚀。试验研究结果证实了《规范》相关条文，各工程实例中的肩台标高超出当地设计高水位之上1.94~2.38 m。

宽肩台式防波堤肩台块石护面层厚度如果不足，波浪作用将引起堤心石外露，堤顶受冲刷，从而可能造成整体结构失稳。目前《规范》和文献中未见肩台护面层厚度的规定。通过试验总结发现：符合使用要求、合理的宽肩台块石护面层设计厚度大多在1.79~2.33倍设计波高值，实例中最大厚度达3.33倍设计波高值，而保证堤心石不露出的最小块石护面层厚度约为1.08~1.89倍设计波高值。工程实例中肩台护面层厚度为肩台宽度的0.4~1.0倍。

肩台上、下边坡坡度的确定应考虑作用波浪的大小和块石重量等因素，并参照工程实例统计归纳得出。《规范》规定：对宽肩台防波堤的外坡，肩台以上和以下的边坡坡度可分别取1∶1.5~1∶3和1∶1~1∶1.5。国内实际工程资料及有关模型试验成果均符合《规范》相关条文的规定。上部波浪作用区的坡度设置较缓，使波浪在坡面发生变形以后对堤顶的冲刷作用较小；下部堤较陡，可方便进行陆上施工。

由于堤顶和堤内侧坡面不允许在波浪作用下发生变形，因此宜按基本不越浪确定宽肩台式防波堤的堤顶高程。《规范》规定：堤顶高程一般不低于设计高水位以上1.0倍设计波高值，若要求不越浪，堤顶高程要继续提高。通过实际物理模型试验发现国内已完工的宽肩台防波堤堤顶高程为设计高水位以上1.1~1.7倍设计波高值。相关规范和文献尚无宽肩台防波堤堤顶宽度及堤顶厚度的规定，通过国内宽肩台防波堤试验归纳得出：合理设计的堤顶宽度应不小于1.0倍设计波高值，而堤顶护面厚度为0.5~1.0倍设计波高值。

通过试验验证，满足以上设计要求的宽肩台式防波堤才是合理的适用的。资料显示国外宽肩台防波堤作用波高均在4.0 m以上，而目前我国宽肩台防波堤设计波高均在4.5 m以下。随着技术的发展，我国将建造出可承受更大波浪作用的宽肩台式防波堤。

2）宽肩台式防波堤外坡块石重量与级配确定

设计宽肩台式防波堤外坡块石重量时，国内外均用稳定参数计算公式得出块石的中值粒径D50。其中：为块石的相对重度；γs为块石的重度；γ为水的重度。稳定参数的取值范围一般取2.4~3.5（3.5对应块石的最小重量）。

国内工程实例中发现：Hs≈2 m时，D50为0.5 m；Hs≈4 m时，D50为0.7 m。再根据公式D50=（W50/γ）s1/3得出块石的中值重量W50（重量分布曲线的50%值）。由此可见，块石重量的大小取决于设计波高的大小。计算D50和W50后，需要确定块石粒径（m）和重量（kg）的级配。大量研究结果证实，对于宽肩台斜坡堤，其护面块石重量比常规式防波堤轻，可取抛填块石稳定重量的1/20~1/5。国内相关工程实例的物理模型试验结果显示，块石重量随设计波高变化分布大致规律为：设计波高为2.0~3.0 m时，块石重量为0.1~1.0 t，设计波高为4.0~4.5 m时，块石重量为0.2~2.5 t。

为避免细颗粒堵住块石间的空隙，使波能更好地消散，外坡块石粒径级配D85/D15通常取1.25~2.25（D85与D15分别为块石粒径分布曲线上累积率85%和15%相对应的粒径）。总结国内相关工程实例的试验结果得出：D85/D15取1.25~1.70，护面块石的最大重量与最小重量之比为Wmax/Wmin=3.0~12.5。

[1]SIGURDARSONS，VIGGOSSONG.Berm breakwaters in iceland，practical experiences[C]//Proc.intern.conf.of hydro-technical engrg.for port and harbor construction.Yokosuka:PHRI,1994.

[2] 刘子琪，王振程，曲淑媛.宽肩台式防波堤稳定性的试验研究[J].海洋技术，1999，18（4）：88-102.LIU Zi-qi,WANG Zhen-cheng,QU Shu-yuan.The stableness testing study of the broad-shouldered riprap breakwater[J].Ocean Technology,1999,18(4):88-102.

[3] 谢世楞.宽肩台斜坡式防波堤设计[J].港工技术，1996（2）：1-8.XIEShi-leng.The design of bermbreakwater[J].Port Engineering Technology,1996(2):1-8.

[4]大连北良公司粮食码头工程宽肩台式抛石防波堤断面模型试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，1995，1996.Cross section model test report on the wide-shouldered rubble breakwater of Dalian Beiliang Company grain wharf project[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,1995,1996.

[5] 盐田港东港区宽肩台式斜坡堤试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2003.Test report on the wide-shouldered breakwater at east district of Yantian Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2003.

[6]岚山港宽肩台式防波堤内、外坡设计断面物理模型试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2003.Design section physical model test report on theinternal and external slopes of wide-shouldered breakwater at Lanshan Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2003.

[7]营口港鲅鱼圈港区A港池防波堤及护岸工程断面物理模型试验报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2005.Cross section physical model test report on the breakwater and revetment engineering in Bayuquan dock A of Yingkou Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2005.