以色列Ashdod港水文波浪特性及防波堤临时防护研究

封有德，冯先导

(中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040)

以色列Ashdod港水文波浪特性及防波堤临时防护研究

封有德，冯先导

(中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040)

依托以色列Ashdod港工程项目，分析总结了地中海的水文波浪特点及强浪详细统计数据。根据相关堤头防护物模试验，列举了不同护面块体在各级波况下稳定研究成果，并对比了规范经验公式护面块体稳定重量的计算结果。最后对现场防波堤临时防护结构进行介绍和防护效果总结。

地中海；水文特性；防护结构；物模试验；防波堤

1 以色列Ashdod港项目概况

以色列阿什杜德港扩建工程位于地中海东岸，是以色列的第二大深水港口。该项目包括：防波堤工程、码头工程、航道疏浚、陆域吹填和地基处理等。防波堤工程包括：长度600 m的抛石斜坡式离岸主防波堤，水深-20～-25 m；长度1 480 m的斜坡式LEE防波堤，水深0～-17 m。码头工程包括：18个沉箱及钢管桩结构组成的Q28码头，泊位长度434 m，港池浚深-17.5 m；H+AZ组合板桩结构的Q27集装箱码头，泊位长度800 m，港池浚深-17.5 m等。

2 水文波浪特性

图1 有效波高及周期分布玫瑰图Fig.1 Significant wave height and wave period rose

(2)潮汐特征值。大潮高潮位: 0.38 m，平潮高潮位: 0.18 m，平均海平面: 0.08 m，平潮低潮位: -0.12 m，大潮低潮位: -0.22 m。

(3)海流。地中海东岸海流较小且多由波生成。根据近岸浮标统计数据，90%的底部和表面流速都小于0.35 ms，最大流速发生在风暴期间，可达1 ms。

(4)波浪条件。以色列Ashdod港波浪主浪向及强浪向均为WNW，波浪周期多为6～8 s及以上，为中长周期波。根据波浪统计数据，全年有效波高小于1 m波高的出现频率为76%。4～10月，有效波高小于1 m波高的出现频率为84%，11月至次年3月为68%。有效波高及周期分布玫瑰图见图1。有效波高频率分布统计表见表1。

(5)冬季极端波浪记录。地中海沿岸全年波高分布具有鲜明的季风性特点，根据1992～2011年极端波浪(有效波高3.5 m以上)统计数据显示，总次数是91次，平均每年5次，最少2次，最多9次，均出现在11～3月，每次平均持续时间约47 h，最长100 h，最短18 h。数据统计显示，有效波高大于6 m记录发生在2002年12月，2008年1月和2010年12月，2015年1月，2017年1月。施工区域大浪方向均为WNW，现场实测极端波浪信息见表2及表3。

表1 有效波高的频率分布统计

注：本表根据2011年4月～2016年3月实测数据统计，测站坐标为(N31°52’31”，E34°38’58”)。

表2 2015年11月～2016年3月现场实测极端波浪记录Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

表2 2015年11月～2016年3月现场实测极端波浪记录Tab.2 Actual record of the wave height (201511～201603)

大浪编号波浪要素及发生时间Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向发生时间1#5．228．2711．8294°(WNW)2016∕1∕12#3．937．5312．5278°(WNW)2016∕1∕83#4．698．0012．5288°(WNW)2016∕1∕94#5．049．8711．8285°(WNW)2016∕1∕245#5．299．1212．5288°(WNW)2016∕2∕76#4．687．2512．5284°(WNW)2016∕2∕22

注：波浪测站位于主防波堤北侧5 km左右。

表3 2016年11月～2017年3月现场实测极端波浪记录Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

表3 2016年11月～2017年3月现场实测极端波浪记录Tab.3 Actual record of the wave heigh (201611～201703)

大浪编号波浪要素及发生时间Hs(m)Hmax(m)Ts(s)波向发生时间1#3．225．3710．0285°(WNW)2016∕11∕12#4．518．2510．8281°(WNW)2016∕12∕23#5．399．2510．5292°(WNW)2016∕12∕144#3．857．5910．5285°(WNW)2017∕1∕95#6．2411．3011．1292°(WNW)2017∕1∕27

注：波浪测站位于主防波堤北侧5 km左右。

3 防波堤堤头临时防护标准

根据波浪统计数据，施工区域在夏季(4～10月)期间，有效波高1.5 m以下约占97%，统计资料中未出现Hs>3 m的情况，防波堤施工过程仅需要考虑在Hs>2 m情况下堤心石的防护。另根据设计说明，冬季期间应考虑10 a一遇波浪条件。因此，根据设计波要素，主防波堤完全位于外海，应取Hs=6.2 m；LEE防波堤随施工进度推进，水深逐渐加大，海底坡度约为1:200，根据《海港水文规范》[1]，不规则波浪的破碎波高与破碎水深存在一定关系，波高与水深最大比值约为0.69。因此，无论外海多大波高，依照该理论，7 m水深处的堤头最大有效波高Hs=4.83 m。据此，得出不同阶段和位置的防波堤堤头防护标准(表4)。

图2 主防波堤示意图Fig.2 Sketch of main breakwater

部位设计波要素重现期主防波堤(23m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇LEE堤CH450(7m水深)Hs=4．8m；Ts=12s∕LEE堤CH850(11m水深)Hs=6．2m；Ts=12．3s10a一遇

4 防波堤堤头防护结构及物模试验情况

根据现场实际施工进度，2015年11月20日前，LEE防波堤全断面施工至CH+450里程；2016年11月20日前，LEE防波堤全断面施工至CH+850,主防波堤全断面施工到CH+100。本文将主要介绍主防波堤相关防护情况，LEE防波堤简要叙述防护效果。越冬临时防护方案将以CH+100断面为基准进行临时结构设计。主防波堤标准断面见图2。

4.1物模试验成果

对于中长周期波浪条件，斜坡堤护面稳定重量应根据物模试验确定[2]。天津水运工程科学研究院对主防波堤堤头越冬临时防护进行了相关物理模型试验[3]。物模试验首先对防波堤施工过程堤心石和护面块体稳定极限标高进行了试验研究。护面的稳定性主要通过目测来判定[4]，试验结果见表5。

表5 堤心石及护面块体稳定极限标高试验结果[3]Tab.5 Test results of different types of rock[3]

根据试验结果得出结论：当波浪有效波高大于2.0 m时，需要对堤心石进行临时防护，或将堤心石施工标高降低至-5.0 m以下；当有效波高大于3.0 m时，需要对第一层护面块石(1～3 t)进行防护；当有效波高大于4.5 m时需要对第二层护面块石(3～6 t)进行防护。

同时进行了10 a一遇波浪条件下的堤头防护物理模型试验研究。分别模拟了32 t石笼防护和40 t Antifer块两种防护方案试验。试验成果表明：①对于钢丝绳网兜石笼防护方案[5]，当重现期为10 a一遇的波浪作用时，需对堤头坡面采用单个32 t石笼防护，堤头顶端采用单个16 t石笼防护，堤头可保持稳定；②对于使用Antifer块防护方案，当重现期为10 a一遇的波浪作用时，需对堤头坡面采用40 t Antifer防护，堤头顶端采用16.8 t Antifer防护，整个堤头可基本保持稳定。物理模型试验成果表明，较易破坏位置一般处于水面上下一倍波高作用位置。

表6 护面块体稳定重量与波高及坡比的关系[1]Tab.6 Relationship between armour stability with wave height and slope[1]

注：LEE堤堤头坡度为1:1.5；主堤堤头坡度为1:2。

4.2规范经验公式计算护面块体稳定重量

在制定防波堤施工过程方案时，仍然参考了《海港水文规范》8.2.6章节关于斜坡建筑物护面块体稳定重量的经验计算公式(表6)。计算结果未考虑堤头部位块体重量需要增加20%～30%。表中坡比1:2计算结果与试验结果对比得知，规范中的稳定可理解为完全稳定至个别块石移位滚动的状态。对于堤头临时防护不考虑20%～30%的重量增加，规范公式计算结果仍偏保守。

4.3现场防护结构

依据物理模型试验相关研究成果和工程实践案例，最终确定在主防波堤堤头采用单层40 t Antifer块防护方案，为增强Antifer的稳定性，在水面附近使用钢丝绳将Antifer块串联。堤头斜坡前端，堤心石(0～1 t)抛至-8.0 m标高，并延伸30 m长度。为防止堤头越浪对堤后坡的冲刷，在堤后坡与设计断面衔接处放置16.67 m3的Antifer块，堤顶规则摆放3～6 t块石防止越浪破坏堤顶。

4.4防护效果总结

2017年1月27日Hs=6.24 m(与10 a一遇波况一致)大浪过后对主堤堤头临时防护结构进行了检查。具体检查内容包括堤头16.7 m3Antifer防护状态及堤顶防护块石状态，-8.0 m以下堤心石冲刷情况等。

(1)堤头Antifer 块。此次风浪未对堤头防护结构产生较大影响，检查组重点统计了现场标记的7块Antifer，测量发现有部分Antifer块出现一定位移，有个别40 tAntifer位移超过1倍块体尺寸，西北角顶面Antifer块连接的钢丝绳被拉紧,见图3。

图3 大浪过后主堤堤头防护结构情况Fig.3 Situation of breakwater head protection after storm

(2)堤顶防护块石。现场进行堤顶防护时，未采取物理模型试验中需要平铺16 t石笼或16.8 t Antifer，而是使用3～6 t块石规则摆放50 m范围进行防护。实践证明，防护效果非常良好。而现场检查发现，未进行堤顶防护的一段堤身，在顶部内侧出现一条冲刷沟槽，宽度1～2 m，深度0.5 m，为堤顶越浪冲刷造成。

(3)-8m以下堤心石。风浪前，主堤北端0～1 t堤心石料(-8.0 m标高)已抛填至CH+170，大浪后及时进行多波束测量，堤心石基本无变化。对比风浪前后堤心石断面，测图显示堤心石断面呈现外低内高形态，迎浪侧坡顶有微小削角并雍高至波浪传播方向。抛石断面坡底周围未明显发现堤心石。

5 总结

地中海海域波浪条件具有鲜明的季风性特点，冬季常有大浪袭击，防波堤建设期必须考虑堤头临时防护。根据试验和现场实践总结如下：(1)该施工海域采用10 a一遇波浪条件作为施工过程防护标准，比较合适；(2)防波堤施工过程防护应考虑浅水区域波高折减，以减小防护标准；(3)防波堤堤顶主要考虑越浪冲刷防护即可，3～6 t块石规则摆放满足防护要求；(4)防波堤堤头水面附近防护，采用钢丝绳将Antifer串联具有良好的效果，40 t块体在1:2坡面上移位不超过1倍的块体边长；(5)水下-8.0 m堤心石在大浪中几乎未受影响，断面呈现微小外低内高形态。

[1]JTS145-2-2013,海港水文规范[S].

[2]张先武.长周期涌浪作用下斜坡式防波堤结构优化设计[J].水运工程，2015 (1):58-62. ZHANG X W. Structure optimization design of mound breakwater under action by long period swell[J].Port & Waterway Engineering，2015 (1):58-62.

[3]交通运输部天津水运工程科学研究院.以色列Ashdod项目防波堤施工过程和临时防护物理模型试验研究报告[R]. 天津: 交通运输部天津水运工程科学研究院,2015.

[4]杨欣.斜坡堤护面稳定性的试验研究[J].水资源与水工程学报，2014(3):209-212. YANG X.Experiment on stability of protection surface on slope breakwater armor[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2014(3):209-212.

[5]曹兵.印尼Adipala防波堤施工期波浪与堤头防护分析[J].水运工程，2014(1):188-191. CAO B. Wave analysis and research on protection of breakwater head under construction period for Adipala breakwater, Central Java,Indonesia[J].Port & Waterway Engineering，2014(1):188-191.

Hydrologic characteristics of Israel Ashdod Port and temporary protection of breakwater

FENGYou-de,FENGXian-dao

(CCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,China)

The Mediterranean hydrographic and wave characteristic was summarized based on the construction of Ashdod (HADAROM) Port Project, and the tests of armour stability under several wave heights were carried out for comparison between the tests and calculation of empirical equations. As a conclusion, the temporary protection structure design of breakwater on site during winter was proposed with the implemented results after storm.

Mediterranean; hydrologic characteristics; protection structure; physical model test; breakwater

U 656.2

：A

：1005-8443(2017)04-0357-04

2017-01-05；

：2017-02-16

封有德(1975-)，男，江苏镇江人，高级工程师，主要从事水运工程项目及技术管理。

Biography：FENG You-de(1975-), male, senior engineer.