三维稳定试验对港工设计安全的影响

周枝荣，姜云鹏

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海　200032；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津　300456）

三维稳定试验对港工设计安全的影响

周枝荣1，姜云鹏2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

现行防波堤设计与施工规范明确指出，防波堤结构应进行波浪模型试验验证。在工程实践中，由于地形地势、波浪条件、结构形式千差万别，规范没有明确具体采用何种模型试验对结构安全进行验证，需要根据工程具体情况具体分析。规范中考虑堤头和波浪破碎两大因素，块体重量为公式计算结果的1.6倍左右；通过三维稳定试验确定的非标准段块体稳定重量，达到最初设计的2～2.3倍。说明当波浪和地形条件比较复杂时，通过三维稳定试验验证护岸的稳定性是非常必要的，能够提前识别设计风险，保证工程安全。

设计安全；三维稳定试验；斜向浪；护面块体；波浪破碎

0　引言

近年来，随着港口海岸工程建设的快速发展，越来越多的工程需要面临环境较为恶劣的开敞海域，水深浪大的自然环境加大了结构的安全风险[1-2]。一些防波堤、护岸受大浪作用发生破坏的案例时有发生，特别是后方陆域布置有石化罐区等高危险品的项目，引起了工程界的高度重视和全社会的广泛关注。为保证安全，许多工程项目在传统的二维断面试验的基础上，还进行了三维稳定试验，用来验证设计方案的安全性和合理性，发现设计风险，消除安全隐患[3-5]。本文对三维稳定物模试验中反映出来的设计风险进行归纳，总结了三维稳定试验对港工设计安全的几点启示，希望与同行业者探讨。

1　工程背景

某护岸工程处于海湾湾口，水深浪大，湾口水深达30 m，50 a一遇最大波高接近8.0 m，平均周期9 s。拟建护岸总长2 100 m，轴线水深-3.0～-13.0 m。结构形式包括沉箱、斜坡式等。斜坡式护岸采用扭王字块护面，块体重量为10 t和15 t。护岸水下地形条件较为复杂，海底底质为坚硬岩石，坡度较陡，局部坡度达1：10～1：7。

2　研究条件与方法

一般三维稳定试验，由于比尺较大和场地的限制，仅能对局部建筑物（如堤头等）进行模拟。本次三维试验采用大场地，在保证比尺较大的前提下对全部护岸进行了模拟，将传统的整体试验与三维稳定试验“合二为一”，变2个模型为1个模型，既缩短了研究周期，又节约了费用。

试验采用不规则波，几何比尺为56，亦即波高比尺为56，周期比尺为7.483。港池宽40 m，长45 m，港池中配备有国际先进的L形造波机，可以实现180°多方向造波，实现造波方向的任意切换，跟传统的移动造波机来变换方向的方式相比，缩短50%的研究周期。

斜坡堤护面块体均为人工制作，块体数量与现场安放一致。重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程要求。

3　近岸设计波高与深水波高的比较

在设计过程中，对设计波要素预先判断时，一般认为近岸波高小于深水区。但在某些工程，近岸波高可能大于深水区。本次试验中，近岸处水下地形坡度较陡，水深变化剧烈，波浪浅水变形和辐聚效应显著，导致近岸处局部设计波高较深水处增大10%。

4　三维试验在护岸稳定方面的启示

4.1斜坡护岸浅水段与深水段稳定性的区别

斜坡段护岸长340 m，采用15 t扭王字块护面。为表述方便，本文把水深5～12 m称为浅水段；水深12～13m，称为深水段。

试验发现，50 a一遇波浪持续作用，护面块体稳定性随水深的变化差异较大。深水段护岸各部分保持稳定，浅水段护岸在击岸破碎波的作用下，护底块石被冲刷，护面块体严重失稳（见图1）。这一现象与前期预判有所偏差。

试验对块体失稳过程进行了分析，总结了以下主要特点：低水位时，波浪在陡坡附近破碎，形成击岸式破碎波，强烈的破碎流使护底块石被冲刷。在波谷作用下，底部块体首先失稳，顺着天然陡坡向外海滚落，然后扩展至中上部块体。故优化设计的焦点问题在于加强护岸底部块体的支撑。

图1　设计断面15 t块体浅水段失稳Fig.1　15 tblock ofdesign in shallow water failed in stability

试验先后采取了3种优化措施，包括加大底部块体重量、增加护岸底部块体支撑排数等。

优化措施1：单纯增加底部块体重量至21 t，块体仍失稳，不能满足要求，说明波浪破碎对护岸底部块体的冲击作用十分强烈，除增加块体重量外，还应增加块体的摆放排数，通过增加宽度来快速消散波能，同时底部块体之间互相倚靠，增加了整体稳定。

优化措施2：将底部块体重量增为35 t，并设置为5排，结果最外1排失稳。

优化措施3：将底部块体排数增加至9排，自深水区开始铺设，一方面减轻了低水位波浪破碎对最外排块体的冲击作用，同时增强了最外1排块体的支撑。试验结果表明，优化措施3的块体稳定，见图2。

图2　优化措施3断面在波浪作用下保持稳定Fig.2　Optim ized step 3 block keptstable in shallow water

4.2斜直过渡段护岸的稳定要求

该护岸有一段为方沉箱与斜坡段的交接过渡段。除外海波浪直接作用外，另一部分波浪沿沉箱传播与外海波浪叠加，形成波能集中和水体汇集。由于堤头处坡度较陡，波浪在过渡段发生急剧破碎，形成强烈的破碎水流，对护面块体造成强大冲击（见图3），设计方案10 t扭王字块体在低水位时有多块滚落，在波浪持续作用下呈持续发展态势，失去护面功能，判断为失稳。由此可以看出，波浪叠加和破碎是过渡段块体失稳的主要原因。将堤头处10 t块体调整为12 t（见图4），堤头处块体仍然难以稳定。

图3　沿沉箱段传播至斜直过渡段堤头的上冲水体Fig.3　Thew ave lashed against transitional section alongcaisson

图4　优化方案12 t块体仍然失稳Fig.4　Optim ized 12 t block failed in stability

块体重量优化为20 t并加棱体支撑后，块体有少量晃动但无明显位移，保持稳定（见图5）。经极端高水位和设计高水位验证后，堤头段护面块体保持稳定。因此，堤头处护面块体应加大至20 t，块体重量是原设计值的2倍。

图5　块体改为20 t，并加棱体支撑，块体稳定Fig.5　Optim ized 20 t block w ith prism support kept stable

5　块体失稳原因分析

现行JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[6]，给出的单个块体的稳定重量计算公式为：W=0.1γbH3/[KD（Sb-1）3cotα]（1）式中：W为护面块体单个重量，t；γb为块体材料的重度，取23.0 kN/m3；H为设计波高；KD为块体稳定系数；Sb为块体材料重度与水重度的比值，Sb=γb/γ；γ为水的重度，kN/m3；α为斜坡与水平面的夹角，（°）。

同时，规范[6]4.2.4条也指出，该公式的限定条件是波向线与斜坡堤纵轴线法线的夹角小于22.5°，且堤前波浪不破碎。

按照规范规定，斜坡堤堤头部分的块体重量，应增加20%～30%。位于波浪破碎区的堤身和堤头的块体重量，均应相应再增加10%～25%。若考虑堤头和波浪破碎两个因素，块体重量应为公式计算结果的1.6倍左右。

5.1浅水段与深水段块体

按式（1）计算，浅水段和深水段扭王字块的稳定重量为10～15 t。深水段堤前波浪不破碎，属于正向作用，符合公式使用的前提条件，块体是稳定的，因此，试验结果与规范公式的计算结果是一致的。

但对浅水段护岸而言，波浪在堤前发生破碎，且属于斜向作用，不符合规范关于波浪形态和角度的要求。

换言之，深水段属于护岸设计的标准段，可以使用规范公式对块体重量进行初步确定；浅水段属于非标准段，不符合规范公式的使用要求，不能直接通过公式计算来确定块体的稳定重量。

浅水段块体失稳原因为：强烈的破碎流使护底块石被冲刷，底部块体失去支撑向外海滚落，然后扩展至中上部块体。优化设计的焦点问题在于加强护岸底部块体的支撑。通过试验确定的块体稳定重量，是最初设计的2.3倍。

5.2斜直过渡段护岸块体

对于斜直过渡段护岸，由于波浪方向特殊，与直立段沉箱形成一定的夹角，波浪在沉箱与斜坡堤过渡段发生急剧破碎，形成强烈的破碎水流，对护面块体造成强大冲击。因此，也不符合规范公式的使用要求。波浪叠加和破碎是过渡段块体失稳的主要原因。试验优化后的块体重量，是原设计值的2倍。

6　三维稳定试验对设计安全的启示和探讨

防波堤规范[6]3.1.6条明确指出，防波堤是边界条件复杂、风险性和重要性较高的工程，计算理论尚有不完善之处，规定防波堤结构应进行波浪模型试验验证。该规定再次强调了波浪模型试验对确保设计安全的重要意义。

在工程实践中，由于地形地势、波浪条件、结构形式千差万别，规范没有明确具体采用何种模型试验对结构安全进行验证，需要根据工程具体情况具体分析。

三维稳定试验对港工设计安全具有以下几点启示：

1）特定地形条件下近岸处波高会大于深水处波高，值得设计在对设计波要素进行预先判断时特别注意。

2）低水位对应的波高一般较小，但低水位的破坏作用可能大于其他水位，并产生破坏。

3）工程设计需要特别注意击岸破碎波的影响，并加强护岸底部的防护，对结构过渡段应予以重点关注。

4）斜向浪对扭王字块护面块体的作用比正向浪偏于危险，尤其是护岸（防波堤）的拐弯段和堤头段。

5）通过规范公式对块体重量进行初步确定，需要一定的使用条件；对于结构设计的标准段，可以使用公式来计算。对于非标准段或者不符合规范公式的使用要求，不能直接通过公式计算来确定块体的稳定重量。

6）规范中考虑堤头和波浪破碎两大因素，块体重量为公式计算结果的1.6倍左右，通过试验确定的块体稳定重量，可达到最初设计值的2～ 2.3倍。

7）当波浪和地形条件比较复杂时，通过物理模型试验验证护岸的稳定性是必要的。本研究再次体现了三维稳定试验在验证护岸（防波堤）稳定和优化设计方面的必要性。

[1]俞聿修.斜坡式与直墙式防波堤技术的新进展[J].港工技术，2000（4）：1-4. YUYu-xiu.A new progress in technology of rubblemound breakwaterand verticalwallbreakwater[J].PortEngineering Technology, 2000(4):1-4.

[2]俞聿修.随机波浪及其工程应用[M].大连：大连理工大学出版社，2002. YU Yu-xiu.Random wave and its application to engineering[M]. Dalian:Dalian University of Technology Press,2002.

[3]姜云鹏，刘昌兴，彭程.波浪作用下陡坡和缓坡地形对护岸工程的影响[J].水运工程，2015（4）：61-65. JIANG Yun-peng,LIU Chang-xing,PENG Cheng.Influence of steep slope and mild slope on revetment under wave action[J]. Port&Waterway Engineering,2015(4):61-65.

[4] 姜云鹏，张晔，郑子龙.波浪作用下护岸三维稳定试验研究[J].水道港口，2014（1）：15-18. JIANGYun-peng,ZHANG Ye,ZHENG Zi-long.Research of 3D stabilitymodel teston revetmentunder wave action[J].Journal of Waterwayand Harbour,2014(1):15-18.

[5]郭文鑫，赵刘群.对规范JTJ298—1998的几点建议[J].水运工程，2011（7）：58-60. GUOWen-xin,ZHAO Liu-qun.Suggestions on code JTJ 298—1998[J].Port&Waterway Engineering,2011(7):58-60.

[6]JTS154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S]. JTS154-1—2011，Codeofdesign and construction ofbreakwaters [S].

Im pact of three dim ensional stability tests on port engineering design safety

ZHOU Zhi-rong1,JIANGYun-peng2
（1.CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China; 2.Tianjin Research Institute forWater TransportEngineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

It is clearly stipulated in the existing Code of Design and Construction of Breakwaters,the breakwater structure should be validated by wave model tests.In engineering practices,considering the diversified terrain,wave conditions and structural types,the code doesnotexplicitly specifymethodsofmodel tests for structuralsafety verifications,so specific analysis should be carried out according to project conditions.Considering the two factors of breakwater head and wave breaking,the weight of armor block is about 1.6 times of calculating results by formula.However,the stabilized weight of armor block in nonstandard structure segment,determined by testwavemodel,can be as high as 2-2.3 times that of the original design.It demonstrates the great significance of physical model test in verifying the stability,especially under complex wave and topography conditions.Thewavemodel testsare capable of forecasting design risks,so as to ensure the safety of the projects.

design safety;three dimensional stability tests;obliquewaves;armor block;wave breaking

U656.111

A

2095-7874（2016）10-0056-04

10.7640/zggw js201610013

2016-01-29

2016-08-21

周枝荣（1983—），男，湖北洪湖人，硕士，高级工程师，注册土木工程师（港航），港口、海岸及近海工程专业。E-mail：zhouzhirong_2004@126.com