复杂型宽肩台堆石防波堤破坏机制试验研究

李　姗，张先波，解鸣晓

（1.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；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏　南京　210029；3.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，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津　300456）

复杂型宽肩台堆石防波堤破坏机制试验研究

李姗1，张先波1，解鸣晓2，3

（1.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；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；3.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，港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

采用断面物理模型试验对不同护面重量、不同级配的宽肩台堆石防波堤进行试验，研究影响该类型防波堤断面稳定性的主要因素，对于断面破坏结果采用3种不同方法进行描述，对不同方法的合理性加以阐述。试验结果表明，护面块石的形状、重量和级配是影响护面稳定性的决定性因素，采用等效冲刷宽度和平均冲刷宽度更能准确描述护面破坏程度。

宽肩台堆石堤；块石级配；护面变形；摩擦系数

0　引言

宽肩台堆石防波堤建造简单，在北欧地区被采用，国内该类结构也在盐田港、营口港等港区被采用。自20世纪90年代至今，天津港研院、天科院等单位开展了宽肩台堆石堤稳定性研究，并获得一定的研究成果[1-5]，但研究结果大多只限于描述防波堤最终断面的稳定形态，对于试验中选用的护面块石外形及摩擦系数与现场的相似度、采用的块石级配是否合理、描述最终剖面形态的方法是否恰当并未详细阐述，JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》对于上述内容也并未做出明确要求。本文以斯里兰卡Hambantota人工岛防波堤断面试验为例，对90组试验结果采用统计方法进行对比，对上述内容进行分析比较。

1　复杂型宽肩台堆石堤定义及形态描述

1.1宽肩台堆石堤分类

丹麦、冰岛等国利用当地石料建造了宽肩台抛石防波堤，该类型堆石堤通常称为Icelandic berm breakwater（IC）冰岛型防波堤。国内的宽肩台堆石堤护面层块体按照一定比例级配施工，但其各层块石复杂程度要低于冰岛型防波堤。本次试验所使用的防波堤结构及块石级配类似于冰岛型防波堤，为了便于与国内的宽肩台防波堤区分，将其称为复杂型宽肩台堆石防波堤。国际航运协会PIANC（2003）依据稳定性参数H0=Hs/ΔDn50之间的关系定义将堆石堤定义为3种类型，见表1。

表1　PIANC对宽肩台堆石堤分类Table 1　Wide-berm rubble mound breakwaters classified by PIANC

因此根据堆石堤变形程度可将其分为3种类型，即：几乎不变形（Hardly reshaping）HR，部分变形（Partly reshaping）PR，完全变形（Fully reshaping）FR。

1.2肩台变形宽度定义

肩台变形宽度及平衡断面冲刷形态是设计关心的重点，也是稳定性研究评价的重要指标。对于肩台变形宽度的测量，现行JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》并无明确规定，第1种传统方法是将波浪作用后的肩角位置与试验前进行比较，变形的宽度即为冲刷宽度，或给出整个剖面最深冲刷深度。

第2种方法是Sigurdarson和Van der Meer将肩台冲刷宽度进一步引申，定义出等效冲刷宽度[6]，其核心是将堤顶至静水位之间断面进行均化，见图1，但这种定义方法更适用于破坏程度为HR和PR的堆石堤，对于FR适用性不好。

第3种定义方法见图2，将变形等分成为几部分，最后给出其平均的剖面变形，此方法定义为肩台平均冲刷宽度，其有效性与方法2类似。

图1　传统型及等效剖面的定义示意图Fig.1　Schematic diagram for defining traditional and equivalent profile

图2　肩台平均冲刷宽度定义方法示意图Fig.2　Schematic diagram for defining average scour width of a berm

2　物理模型试验研究

2.1试验断面

试验采用了9个不同的堆石堤断面，断面1、断面9为对比试验，根据H0计算4个试验断面为FR型，其余均为PR型。鉴于文章篇幅，仅给出断面1的结构形式图（图3），其他各断面与断面1相似，主要参数见表2。

图3　试验1断面结构形式图Fig.3　Structural pattern of Cross Section 1

表2　不同试验断面的主要参数Table 2　Main parameters for different cross sections

护面块石被分为3类，表层的5～10 t、7～12 t、1～10 t，里层的1～5 t和0.3～1 t。

2.2试验波浪选择及波浪模拟

1）波浪选择

根据工程所在地的实际情况，当地波浪主要包含风浪（sea）、涌浪（swell）及台风（cyclone）引起的波浪，断面1～断面3、断面9采用波浪见表3，其余试验波要素见文献[6]。

表3　断面1、断面2、断面3、断面9采用波浪要素表Table 3　Wave Parameters for Cross Sections 1,2,3,and 9

2）波浪模拟

试验采用正态模型，试验几何比尺λL为38，不规则波谱型为JONSWAP谱，试验水槽宽度为1 m，长度98 m。率定采用入反射分离方法，防波堤建成前深水造波位置处波要素、拟建防波堤堤位处浅水波要素各布置3个波高计监测深水及浅水位置波高。

2.3护面块石选择及级配

对于块石级配国内相关规范并无明确要求，试验和设计时只是根据多年来的经验，护面级配D85/D15取1.25～1.70，最大重量与最小重量之比Wmax/Wmin=3.0～12.5[7-8]，护面层不同级配的块石质量允许偏差为±10%[9]。本次试验所采用护面及垫层块石均按照“The Rock Manual”相关要求进行计算，根据现场采石场石料形状，全部护面块石进行磨圆处理，断面1作为对比试验采用未磨圆块石。块石按级配选择后，随机抽取超过100块块石称重，将实际采用块石的级配曲线与理论曲线进行拟合，拟合结果符合较好，见图4。

图4　试验采用块石级配与理论计算曲线对比Fig.4　Comparison of calculated curve and grading of armor rocks in the test

3　试验结果及分析

3.1不同冲刷宽度统计方法结果分析

根据稳定参数H0的计算结果，试验断面1、断面2、断面3及断面9均为FR，但本次试验水位变动小，9个试验断面按照相关波浪组合进行试验后，对肩台冲刷宽度分别采用了1.2节中3种方式进行统计。数据统计时将水槽沿宽度10等分测量变形，将10组结果平均，给出平均变形结果，见图5。通过对比，三种定义方式的结果略有差异，其中方法2、3结果比较接近，方法1结果略大于其余两种方法，也属较接近，但此种接近仅限于沿水槽宽度方向块石均匀剥落及精确控制测量误差，若沿水槽宽度方向块石掉落不均匀，方法2、3要优于方法1。在试验中断面6、断面7由于护面层局部有部分块石未完全掉落，方法1的测量结果要远大于其它2种方法，部分组次变形值相差达2.5倍。

图5　肩台冲刷宽度不同定义方法的结果比较Fig.5　Test results of scour width of berms defined with different methods

3.2稳定性结果分析

稳定性分析具体给出断面1、断面2和断面9三个对比断面肩台冲刷宽度试验数据，其余断面试验详细数据见文献[6]。

如图6，断面1与断面2除趾部形态略有区别，其余各部位均相同，工况条件也完全一致。

图6　波浪作用后不同断面冲刷状态Fig.6　Scouring at different cross sections under wave actions

但由于断面1中采用未磨圆5～10 t块石，块石的摩擦系数较大，2个试验断面结果有着明显的差异。断面1肩台在Hs=8.3 m， Tp=12.5 s波浪作用后肩台冲刷宽度约5 m，断面2在Hs= 6.4 m，Tp=11.5 s波浪作用后肩台冲刷宽度约4.5 m，二者破坏程度基本一致，而在整个试验结束后，断面2的破坏程度要远大于断面1。

断面9为断面2的对比试验，将护面块石的重量变大，研究其对护面变形的影响。表4为3个试验断面在表2中工况1～9累积作用后10个剖面的变形及平均值。

表4　对比试验肩台冲刷宽度Table 4　Scour width of berms in contrast tests m

对应相同工况断面9的冲刷宽度要明显大于断面1、断面2，尽管断面9中包含了5～10 t护面块石，由于1～5 t块石的掺混，护面层的中值粒径及对应的重量下降，护面的破坏程度随之明显加强。

试验中断面1的结果要比预料的趋于稳定，根据Van der Meer提出的理论[10]，采用表3工况10台风工况计算，肩台变形宽度应该达到约10倍块石的中值粒径，但实际试验中却只有3倍约4.4 m。寻找影响试验结果的原因发现，块石的形状以及块石表面的摩擦系数是重要的影响因子。试验初始阶段所采用的块石棱角比较突出，增加了彼此之间的摩擦效应，发现这些问题后在断面2中将块石磨圆，其余试验条件均保持不变，此时肩台变形宽度达到5倍块石直径尺度，而断面10中将级配改变后，护面破坏进一步加剧，最终冲刷宽度为10.63 m，与理论计算值接近。

对于断面3，随着肩台变短，护面层数由3层变为2层，在工况9结束后，肩台基本处于完全冲刷状态。断面4、断面5结构类似但护面块石重量分别为5～10 t和7～12 t，尽管块石级配跨度均为5 t，但随着中值粒径增加，块石重量对护面的影响效应十分显著。

4　结语

综合上述试验，宽肩台防波堤护面破坏程度主要由以下几方面因素决定：

1）护面块石的形状，即块石表面的粗糙程度，天然块石形状越圆滑则其表面摩擦系数越小，外力对于护面破坏作用越明显。

2）块石重量和级配是决定护面稳定性的因素之一，尽管包含相同重量的护面块石，级配不同，会对稳定性产生明显影响。

3）护面层数也是影响稳定的重要因素，护面层越厚，波浪作用于防波堤波能损失越大，块石之间相互咬合越好，护面越稳定。

此外，对于护面变形的统计方法，建议采用方法2或方法3进行等效描述，以获得更为精确和便于分析的试验数据，而在试验中建议充分考虑块石形状的影响，以获得更精确的结果。

[1]中交天津港湾工程研究院有限公司.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].1996.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section model test report on the wide-berm rubble breakwater for Grain Terminal of Dalian Beiliang Co.,Ltd.[R].1996.

[2]中交天津港湾工程研究院有限公司.盐田港东港区宽肩台式斜坡堤试验报告[R].2003.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section model test report on the wide-berm rubble breakwater in the east district of Yantian Port[R].2003.

[3]中交天津港湾工程研究院有限公司.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].2003.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Design section physical model test report on the internal and external slopes of wide-berm breakwater at Lanshan Port[R].2003.

[4]中交天津港湾工程研究院有限公司.营口港鲅鱼圈港区A港池防波堤护岸工程断面物理模型试验报告[R].2005.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section physical model test report on breakwater and revetment for Basin A in Bayuquan of Yingkou Port[R].2005.

[5]郑子龙，刘海源，戈龙仔.青岛造船厂宽肩台式防波堤稳定性试验研究[J].水道港口，2011，2（1）：39-42.

ZHENG Zi-long,LIU Hai-yuan,GE Long-zai.Test research of rubble mound berm breakwater of Qingdao shipyard[J].Journal of Waterway and Harbor,2011,2(1):39-42.

[6]LI Shan.Report on cross sectional physical model test for Sri Lanka Hambantota Port artificial island and public terminal project[R]. Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Ltd.,2013.

[7]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.

[8]谢世楞.宽肩台斜坡式防波堤设计[J].港工技术，1996（2）：1-8.

XIE Shi-leng.The design of berm breakwater[J].Port Engineering Technology,1996(2):1-8.

[9]JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S].

JTJ/T 234—2001，Wave model test regulation[S].

[10]SIGURDARSON S,VAN DER MEER J W,BURCHARTH H F,et al.Optimum safety levels and design rules for the Icelandic-type berm breakwater[C]//Coastal structures conference.Venice,2007: 53-64.

Model test and research of failure mechanism of complex rubble mound berm breakwater

LI Shan1,ZHANG Xian-bo1,XIE Ming-xiao2,3
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute,Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222, China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing,Jiangsu 210029,China;3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

Physical model tests with different weight of armor units and different gradations of rock materials for a rubble mound berm breakwater have been carried out to investigate the main factors that affect the sectional stability of this type of breakwater.Three different methods are used to describe the sectional failure and the reasonableness of the different methods is described.The experimental results show that the shape,weight and grading of armor rocks are the critical factors for stability. The equivalent and average scour width can be more accurate for describing the extent of surface damage of armor protection.

wide-berm rubble mound breakwater;rock grading;armor deformation;friction coefficient

U656.2

A

2095-7874（2016）05-0030-05

10.7640/zggwjs201605008

2015-12-03

2016-02-01

国家自然科学基金青年科学基金（41306033）；交通运输部应用基础研究项目（2014329224330）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放项目（2014492211）

李姗（1983— ），女，天津市人，硕士，工程师，主要从事港口水工模型研究。E-mail：lishan@tpei.com.cn