某援外工程码头及接岸段三维结构稳定试验研究

吕迎雪，张先波，黄宣军（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）



某援外工程码头及接岸段三维结构稳定试验研究

吕迎雪，张先波，黄宣军
（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

通过三维物理模型试验手段研究工程海域涌浪对某援外码头及接岸段护面块体的稳定性和冲刷情况，优化局部护面块体稳定重量为8t，并最终确定了接岸段护面结构型式。同时测量了码头两侧的底部流速和护底块石稳定性。模型试验结果对码头、接岸段结构设计调整及完善提供了可靠的数据支持。

友谊港；物理模型试验；护面稳定性；涌浪

引　言

本文示例港地理位置在非洲大陆以西偏北，其海岸面对大西洋。常浪向为NW向（频率为48.64%），强浪向为W向（频率为4.87%）。原建有东北至西南向的防波堤约836m，引桥北侧建有约500m长钢管桩堵口，对港内泊位以及4#、5#泊位、5 000t级油码头形成掩护和挡砂作用。4#、5#泊位平面布置为东西走向的突堤式码头，突堤总长650m。其中，码头长450m，宽69m，顶高程5.50m，西端挡浪墙顶高程7.30m，南、北两侧设计底高程-12.0m；码头后方的接岸段长200m，与原有丁坝相连接，为抛石堤结构。

工程海区波浪周期较长，大于12 s的频率约为9.67%，并且大浪期周期均较长，涌浪多分布在NW～W方向上，由于一期工程防波堤的掩护作用，4#、5#泊位主要受W向浪的作用。涌浪增加了码头的施工难度，并且从码头及接岸段护面结构的稳定性设计来说，现有规范未包含相应内容，因此需要采用整体物理模型试验来验证该工程设计方案的合理性，并且为码头接岸段型式及其断面尺度的调整和完善提供建议。

1　模型试验依据资料

1.1水位

工程区域以当地建港零点为高程基准面，设计水位如下：

设计高水位1.69m；

设计低水位0.25m。

1.2波浪

试验为了模拟工程海域波浪情况，采用了不规则波及相应特征波高下的规则波进行，以-9.5m等深线处波要素作为最初试验的入射波要素，波浪频谱采用JONSWAP谱。W向浪的波浪要素见表1。

表1　W向浪外海-9.5m等深线处波要素

1.3码头总平面布置

4#、5#泊位平面布置为东西走向的突堤式码头，突堤总长650m。其中，码头长450m，宽69m，码头面顶高程 5.50m，在码头两侧另设有高程为5.75m，宽0.22m的道牙，西端挡浪墙顶高程7.30m，南、北两侧停泊水域设计底高程-12.0m，北侧为4#、5#泊位，长450m，码头南侧泊位长250m，其余200m为天然地形；码头后方的接岸段为抛石堤结构，长200m，路面宽19m，胸墙顶高为5.5m，在其基础上另设有高程为5.75m，宽0.22m的道牙，堤身采用扭王字块体护面。并且码头接岸段南侧为现有丁坝结构，采用5t扭工字块护面，整体平面布置如图1所示。

图1　工程平面布置

2　试验设备

本次模型试验在长40m、宽30m、深1.0m的波浪水池中进行，水池中安装了由丹麦（DHI）引进的可移动式不规则造波机成套设备。造波机可按要求造规则波和不同谱型的不规则波。波浪水池及造波机系统见图2，图3为可测量三个自由度的声学多普勒流速仪。

图2　大型试验水池及不规则波造波机系统

图3　2D/3D声学多普勒流速仪

3　物理模型的建立及试验方法

3.1物理模型

按重力相似律进行模型设计，并依据《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）的有关规定进行模拟，综合考虑试验水池和建筑物结构的尺度、模型应包括的范围、波浪要素与试验仪器测量精度等因素，并根据试验技术要求，确定块体的稳定重量等，综合考虑确定模型的几何比尺为λ=34。模型布置如图4所示，图中造波机摆放位置模拟的是W向来浪。地形塑造是根据工程总平面图进行的，考虑了航道及港池的开挖以及沿岸陆地的地形，地形塑造中，首先按照地形等深线布置测量控制点，并对各个测量控制点进行高程测量。各个控制点的高程测量误差不能大于±1 mm。然后铺砂，再用水泥砂浆抹面。为了保证试验的准确性，模型外围边界设置了消浪设施。

图4　物理模型试验布置

试验按原型码头、接岸段的外形尺寸和高程按设计图纸进行模拟。其模拟精度符合《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）的要求。护底块石和垫层块石均按模型重量进行挑选，并涂以颜色便于稳定性试验的观测。

3.2试验方法、数据采集及统计分析

1）波浪要素测量

模型试验前，首先进行在原始地形情况下的波浪要素率定。有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之内。造波机产生的波浪在波浪率定点满足要求后，再对地形进行开挖，使得航道、港池、船池水深与设计图纸一致。

2）沉箱码头前底流速测量

为了验证沉箱码头前护底块石的稳定性，试验采用2D/3D Vectrino+声学多普勒点式流速仪，对不同水位波浪作用下，两侧底部基床流速进行测量，底流速测量的水深为沉箱基床上部0.6m位置处。

3）护面块体稳定性观测

接岸段抛石堤断面稳定性的观测试验采用不规则波方式进行测定，不规则波模拟的波浪连续作用时间不少于原型 2 h。通过数据采集分析和试验现场观测、录像等方法进行波浪作用下防波堤各部位稳定性的试验测试。根据规范规定，扭王字块体的失稳率是0。

4）试验数据的统计分析

在波浪平稳条件下，不规则波连续采集的波浪个数大于 100个，规则波波浪采集个数至少为 10个，每组试验至少采集三次，取其平均值作为试验的结果。流速测量时，分别各工况下每个测点重复3次取平均值。

4　试验结果分析及讨论

通过整体模型试验验证涌浪作用下码头抛石堤接岸结构护面块体的稳定性，并确定抛石堤护面块体稳定性的最优方案；测量抛石基床顶面的底流速最大值，验证抛石基床护面大块石的稳定重量以及码头上水情况。

4.1接岸段抛石堤护面稳定性试验结果

1）初始设计方案

4#、5#泊位码头采用直立式沉箱结构，其与原港池东护岸及丁坝轴线之间距离为182m，该处接岸段的断面形式为抛石斜坡堤，堤顶高程5.50m，泥面高程最深处为-9.7m，最浅为0.2m，护面坡度1：1.5。其初始平面布置如图5所示。其中从码头顶端向东方向99.13m采用3t扭王字块护面，尔后继续向东延伸采用200～300kg护底块石护面，直至与原护岸及丁坝相连接。

图5　接岸段初始设计方案

根据《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）中扭王字块体稳定重量与设计波高的关系估算3t的扭王字块体可以抵抗约4.3m的设计波浪，与本工程附近波况基本一致。因此接岸段抛石堤按照现有规范计算其护面体块应该是稳定的。但是该公式在应用时有一定的局限性，即当设计波浪平均周期大于10 s时，并且波浪入射角度与斜坡堤纵轴法线夹角大于22.5°时，块体稳定重量应通过模型试验验证。

试验在设计高水位1.69m时，采用50年一遇H13%=4.6m、=24 s的不规则波，对接岸段两侧的抛石堤护面块体以及护底块石的稳定性进行验证，并用50年一遇H5%规则波进行校核。接岸段北侧波浪受到地形的影响在距离码头端部向东34～60m区间内出现漩涡，并且由于地形坡度较陡，且接岸段所在位置地形低于北侧原始地形，因此出现了图 6箭头所示的回水现象。由于回水位置正好作用于北侧堤根处的扭王字块体处，因此坡底处外排块体出现了随波摆动的现象，并经过相当于原型2.5 h的波浪作用过后，回水区域内的扭王字块体滚落到距离码头顶端向东约30m处，如图7红色圆圈所示。未出现滚落的块体也因为缺少相邻块体的咬合作用而出现松动，扒缝等现象。除堤根处部分块体失稳外，堤身其他位置3t扭王字块未出现块体失稳现象。在设计高水位1.69m时，在50年一遇H5%= 5.3m、=24 s对应的规则波作用下，波浪变形情况与不规则波类似，波浪浅水变形破碎冲击作用表现明显，冲击区域为接岸段北侧距离码头端部60～132m处，堤根处出现少量块体随波向西滚落。

图6　接岸段波浪形态（接岸段北侧）

图7　接岸段初始方案失稳情况（接岸段北侧）

接岸段南侧地形较北侧略平缓，且由于南侧现有丁坝的消浪作用，在 50年一遇波浪作用下波浪沿程衰减，如图8所示。但由于波浪浅水变形的作用，接岸段南侧堤根处3t扭王字块体在波浪的冲击作用下外排也出现了部分块体滚动。块体失稳区域为距离码头端部46～99m处，块体失稳状态如图9所示。

图8　接岸段波浪形态（接岸段南侧）

图9　接岸段初始方案失稳情况（接岸段南侧）

2）优化设计方案

通过对接岸段初始设计方案进行稳定性试验验证，在近岸地形较陡，并且波浪周期较长的情况下，规范中设计的稳定重量偏于危险，需要适当加大块体重量。试验中分别进行了两次优化测试，首先把接岸段北侧从码头端部向东10～99m堤根位置处的原3t扭王字块均改为5t，宽度仍为5m，由99～132m处的200～300kg块石改为3t的扭王字块体，宽4m。接岸段南侧从码头端部向东46～99m堤根位置处的原3t扭王字块改为5t，宽度保持不变，原从码头端部向东99～123m位置处的200～300kg护坡块石改为3t扭王字块体，块体摆放宽4m。

图10　接岸段5t修改方案失稳情况（接岸段北侧）

图11　接岸段5t修改方案（接岸段南侧）

经过50年一遇波浪的作用，接岸段北侧仍有4块扭王字块体失稳，南侧块体未失稳，如图10、图11所示。考虑到现场块体制作模板的问题，把该修改方案中南北两侧的5t扭王字块体均改为8t，其他位置不变。经过测试最终8t扭王字块体在相应波浪作用下均稳定。图 12为经过试验优化后最终修改的接岸段平面结构型式。

图12　接岸段最终优化设计方案

4.2抛石基床底流速测量试验

突堤采用的是直立式沉箱结构，护底块石设计重量为200～300kg，根据规范规定堤前护底块石的稳定重量可根据表2来确定。在50年一遇波浪条件下对突堤两侧底流速进行测量，每个测点位置设在距码头前沿线2m处、抛石基床顶部（-12.0m）向上0.6m处。底流速测量分别在码头南北两侧各设3个测点，其测点位置如图4中N1～N3、S1～S3所示。

表2　堤前护底块石的稳定重量

表3　沉箱码头两侧抛石基床底流速

表3为各水位下码头前底流速大小的实测值。从码头前抛石基床底流速的测值可以直观地看出，其底流速的大小随水位而变化。设计高水位时，码头前实际底流速北侧略大于南侧，最大流速出现的北侧N1点处，流速V=3.7m/s。设计低水位时，码头前实际底流速最大，流速V=3.82m/s。综合分析，由于N1点位于码头西端绕射区域，波浪底流速加大。

试验中观察码头两侧重量 200～300kg护底块石在波浪作用下是稳定的，实测流速在3～4m/s之间，与表2设计的150～400kg稳定重量范围基本一致。通过试验验证当波浪作用到直立堤基础前未破碎时，护底块石的稳定重量与规范中估算的一致。

5　结　语

本文利用整体物理模型试验探讨了毛里塔尼亚友谊港4#、5#泊位建设工程码头整体平面布置及结构稳定性，旨在研究涌浪作用下，接岸段护面块体稳定重量、直立堤前护底块石稳定重量，并提出优化布置方案，为该工程码头结构设计提供技术依据。经分析得到以下主要结论：

1）码头接岸段斜坡堤护面块体全部采用3t扭王字块体的初始设计方案，在设计高水位50年一遇不规则波作用下，南北两侧堤根处出现部分块体滚落现象。其中北侧较南侧破坏程度严重。北侧涌浪受到地形坡度较陡的影响，波浪破碎后在斜坡堤前形成漩涡回流区域，块体冲刷较为严重，规范计算的稳定重量不满足实际情况；

2）通过试验确定优化的接岸段的平面布置型式，护面块体采用8t及3t的组合方式，在各工况下接岸段结构均处于稳定状态；

3）涌浪作用下，当直立堤前波浪未破碎，抛石基床护底块石的稳定重量可用规范中相应估算方法进行设计。

［1］夏益民.沙质海岸波浪动床模型设计—毛里塔尼亚友谊港下游冲刷试验模型［J］.海洋工程，1994，（3）：42-53.

［2］郭旬，高鸿富，顾民权.毛里塔尼亚友谊港（努瓦克肖特自治港）自建设以来的泥沙淤积与海岸演变（一）［J］.港工技术，2013，50（1）：1-5.

3D Structural Stability Experiment of Wharf and Shore Approach in One China-aided Project

Lyu Yingxue，Zhang Xianbo，Huang Xuanjun
（Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

3D physical model test has been used to study the surge impact on the stability and scouring condition of the concrete armor blocks which protects the wharf and shore approach in one China-aided project.The stabilizing weight of concrete armor block is optimized as 8 tons，and the type of shore approach armor structure is finally determined.Meanwhile，the survey work has been done to obtain the velocity of flow under both sides of the wharf and the stability of bottom protective blocks.3D model test results will provide reliable data for adjusting and improving the structural design of the wharf and shore approach.

friendship port； physical model test； stability of armor block； surge

TV139.2+6

A

1004-9592（2016）04-0007-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160402

2015-11-26

吕迎雪（1984-），女，工程师，主要从事海岸水动力学模型研究。