Rock manual公式在防波堤季风期防护计算的运用

2020-07-01夏晓露冯宇子

港工技术 2020年3期

夏晓露，冯宇子，陈松

（中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510230）

引言

科伦坡港口城项目为填海造地项目，位于斯里兰卡西海岸，项目主要施工内容为水工结构（含防波堤及护岸等）的水上抛填及陆上推填作业，工程海域常年处于印度洋长周期强涌浪动力环境下，涌浪周期8～20 s之间，在每年的5月至9月受西南季风影响，涌浪波高2～4 m，常态涌浪2.5 m，防波堤等水工结构需停工和防护。

受兰卡石料市场供应影响，季风期来临前项目大规格石料（1～3 t及以上）备料有限，难以满足水工结构临时防护的需要。因而，如何更加安全，经济及实际的利用好现有石料或扭王块进行临时防护结构的施工是本文的研究重点。

本文在荷兰专业的设计咨询机构CDR（Coasts Deltas and Rivers）出具的工程海域波浪数模结果的基础上，结合工程实际，采用国际上公认的、比规范中更加详细的、包含石料的特性、水工结构设计、施工及物理模型应考虑的一系列参数等于一体的行业手册 Rock manual（岩石手册）中关于斜坡堤护面块体（块石和扭王块）重度计算公式（Van der Meer公式和 Hudson公式），计算出合理的防护块体选型。

1 概况

1.1 波浪条件

工程海域大浪的方向主要为W，SW，WSW。此外，根据近 20年的波浪资料及数值模拟分析，季风期间工程海域的波浪周期一般为9～11 s之间，本文中采用的波浪周期为平均周期10 s。

考虑到经济与实用性，为应对施工期间一个季风期的临时防护，保守起见，采用5年一遇的设计波浪要素。

1.2 已施工结构平面布置

在季风期来临前，现场已施工区域如图1所示。在季风期来临前将陆上已施工区域分为4个区，详见表1。

图1 施工海域现状及形象

表1 各区域划分及施工情况

拦沙坝施工典型断面如图2所示。根据数值模拟结果上述四个区域各个方向的波浪条件（5年一遇）如图3所示。

图2 区域3拦沙坝典型施工断面

图3 各区域各方向有效波高曲线

对比施工平面图及各个区域各方向的浪高条件，综合得到用于计算的设计有效波高及方向如表2所示。

表2 各区域波浪条件汇总

2 计算理论选择

Rock manual中关于护面块体重量的计算公式包括：Hudson及Van der Meer公式（具体公式见下文）。其中Hudson根据射流理论，计算护面块体的稳定性，其公式简单，需要考虑的因素较少，因而被广泛应用，但其公式是根据规则波试验得出的，且不太适用于坡度很陡和很平缓的情况，其稳定系数的取值也有待进一步确定；而Van der Meer公式是在 Hudson公式的基础上，将一次大浪的持续时间、波浪的周期、结构的渗透系数和破坏等级等相关参数考虑在内，通过大量的模型试验结合Thompson和Shuttler的研究得出的。该公式适用于深水结构（h＞3Hs-toe）斜坡护面块石的稳定性计算，对块石的应用优于 Hudson公式。但该公式是经验性的，且对护面块体的研究不比 Hudson有改进，英标中特别说明该公式不能超过试验条件应用；目前，该公式普遍被应用于天然块石的稳定性计算。

国内防波堤设计与施工规范（JTS 154-1-2011第 4.2.4节）中斜坡堤护面块体的重量计算公式为Hudson公式的演变公式。针对护面块石的稳定性计算，国标中的公式同Hudson公式一样不如Van der Meer更有针对性；而针对护面块体（扭王块）的重度计算，其稳定系数的取值比 Hudson公式中的系数大，从而导致其计算出来的护面块体重量比Hudson公式的小；而物模结果显示国标计算出来的护面块体重量不能满足稳定要求，一般需要在计算结果的基础上放大一定的安全系数后才能满足要求，相比之下 Hudson公式更适合运用在护面扭王块的稳定性计算中。

因而，本文中选择Van der Meer公式计算护面块体的计算，Hudson公式用于计算扭王块的稳定性计算，具体如下文所示。

2.1 护面块石计算

Rock manual中Van der Meer关于护面块石重量计算的经验公式如下：

当波浪条件为卷破波（ξm＜ξcr）计算公式（Rock manual-5.136）如下：

当波浪条件为激破波时（ξm＞ξcr）计算公式（Rock manual--5.137）如下：

式中：N为波浪的次数，与一次波浪潮持续的时间及波浪周期有关，根据此前的观测资料，季风期间一次大浪持续的时间不超过 6 h，根据波浪平均周期计算得N=2 634次；HS为有效波高，各区域见表2；mξ为碎波相似参数，与平均的波浪周期Tm相关，，根据观测资料Tm=0.82Tp；α为结构的角度；Δ为块体的浮重度，海水中块石为1.59 t/m³；P为结构的渗透系数，在0.1～0.6之间，根据Rock manual，结合现场实际，P取0.4；cpl、cs为结构经验系数，根据Rock manual表5.25平均取值分别为6.2、1；Sd为可接受的破坏等级，根据Rock manual推荐的破坏等级取值系数表取值。

判定波浪条件的另一个参数计算公式为：

公式适用于结构一段时间内仅受一次大浪袭击的情况，当计算期间有多个大浪叠加袭击结构时，计算更为复杂，此处不考虑；另，当坡度缓于1：4时，应使用公式Rock manual-5.136。

另考虑到波浪的斜向入射问题，Van Gent（2014）分析认为当波浪斜向入射时，防护块石的重量可以降低，并给出了斜向入射波条件下，护面块体稳定性计算的折减系数γB计算公式，其中β为入射波峰线与推填的轴线夹角：

2.2 护面块体（扭王块）计算

Hudson公式适用于单层混凝土护面块体的结构稳定性计算，需要说明的是当结构的坡度太缓时，部分混凝土护面块体稳定性将降低，上述公式并未考虑在内；另KD的取值更匹配于1：1.33的坡度，当坡度缓于1：2时，建议采用更小的安全系数。计算公式如下：

式中：Δ为块体的浮重度，海水中扭王块为1.3 t/m³；Dn为块体的理论直径；KD为结构的安全系数，Rock manual中的堤身的经验系数为15，堤头的经验系数是11.5。

2.3 垫层块石的选择

根据Rock manual中的垫层块石的取值表，当护面块体为扭王块时，垫层块石应重量应为扭王块重量的 0.07～0.14之间；当护面块体为块石时，垫层块石的重量应在护面块石重量的0.05～0.15之间。

3 防护块体计算及选型

3.1 防护结构的计算

防波堤及护岸设计坡比一般为1：1.5和1：1.33，综合考虑坡度对护面块石大小及工程量的影响（坡度越缓，需要的防护块石越小，但需要的块石量也越大），推填时理坡控制为 1：1.5，给定护面块体的破坏等级Sd=2，给定波浪平均周期10 s，代入上述的系数。护岸470～770海侧部分区域，防波堤海侧使用永久结构防护；护岸岸侧均已回填砂，无需额外防护。

计算得出各个区域的防护块石需求如表3。

从表3可以看出季风期见结构不安全区域分别为：防波堤岸侧及堤头，拦沙坝海侧/岸侧及游艇码头护岸770～880区域。上述区域防护所需的石料规格过大，石料来源难以满足要求。