深水防波堤新型消浪护面块体开发及其性能参数测试研究

戈龙仔,高 峰,陈汉宝

(1.交通运输部 天津水运工程科学研究所,天津300456;2.港口水工建筑技术国家工程实验室,天津300456;3.工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456)

近年来随着我国港口建设的快速发展,近岸优良海岸线资源日趋枯竭,港口建设的选址不得不向深水迈进,天然水深超过20 m 的港口选址情况不断增多。外海水深越深,伴随着的风、浪、流影响往往也就越大,从而可能导致防波堤的护面块体直接面对更大外海波浪冲击而破碎,波能在其表面集中释放,易出现块体滚落或断裂现象。对于深水防波堤的设计,柳玉良等[1]提出在水深20 m 及其以深水域,需设计安全性和耐久性较好的斜坡式结构;王美茹[2]在波浪作用下深水斜坡堤和深水直立堤结构选型等某些关键性技术问题方面提出了相应建议;柳玉良[3]提出,在深水条件下按照现行行业规范确定的稳定重量往往偏轻,需要加大重量;李炎保等[4]统计国内外防波堤损坏原因得到不同条件块体失稳形式的概率;李贺青和柳玉良[5]提出了深水防波堤不同位置护面块体重量取值问题的建议。通过对以往的相关研究资料统计分析可知,较浅水情况,深水护面块体尺寸和结构构造的尺寸会随深度增加,设计的结构断面用料也会大幅增加。外侧防护主要表现在块体重量增加,一般将超过20×103kg,如中国石油和委瑞内拉石油公司广东石化2 000×107kg/a重质原油加工工程原油码头工程护面块体采用了63×103kg扭王字块,有些工程扭王字块用量甚至达到70×103kg以上,如日本和韩国在防波堤工程中都有应用80×103kg的Sea Lock块体和100×103kg 的Dimple块体的实例。另外,深水防波堤的建造及破坏案例证明,往往是由于最外层护面块体丧失了护坡功能,而最终导致整个防波堤破坏。在20世纪70年代建造的世界上最大水深50 m 的葡萄牙锡尼斯港斜坡式堤,其主堤在1978年2月的一次风暴潮期间受到了严重破坏,之后又分别于1978年12月和1979年2月被风暴潮袭击造成了更加严重的破坏,调查发现均是由于Dolos块体护面断裂、缺失,最后上部胸墙基底被淘空后,发生倾倒坍塌。修复该堤时,在原破坏断面基础上,将内、外坡度放缓,改为铺设90×103kg槽形和锥形混凝土方块。

综上所述,对于外海深水防波堤建设,为保证防波堤稳定性,采用重量大和自身结构稳固的消浪护面块体已成为必然趋势,因此交通运输部对“新型深水防波堤结构型式与消浪块体稳定性研究”基础研究项目开展专题研究,提出结合深水防波堤的环境特点,遵循块体设计中的消浪性、稳定性与施工便利性三大因素,开发了一种适合深水大浪条件下的新型护面消浪块体。结合这一研究专题,在考察国内外常见块体形状演变规律及对现有块体在外观、经济性和稳定性对比分析的基础上,最终提出新块体开发的思路。针对新块体开展了包括主要性能参数、失稳和消浪机理等物理模型试验研究,并通过与现有扭王字块的全方位对比,分析了新块体在工程领域的应用前景。

1 新块体提出思路

在开发新型块体选型前,首先对已用人工护面块体的发展过程及现状应用情况分别进行调查和统计,参考以往研究成果,朴正等[6]对不同类型常用人工块体的发展过程做了简要的回顾和介绍;薛瑞龙等[7]针对涉外项目常用的人工护面块体分别从稳定性、经济性、强健性、环保性和外观性等方面进行了统计对比分析进行阐述;王美茹等[8]重点介绍一种用于直立式岸壁的新型消浪块体,并对其结构特点、适用条件、消波原理、消波效果以及和天力消波块的对比试验结果进行分析。基于调研统计分析得出,块体的稳定性和经济性是衡量块体主要指标,为了找出新块体开发思路,因此首先对原有块体其经济性和稳定性进行对比分析,找出以往块体的优缺点,为新开发块体选型提供参考指导。护面块体层所需人工块体数量(N)和混凝土总量(Q)在工程上对工程材料和施工周期有很大的影响,块体数量越多,护面层部分的施工周期越长;反之,则施工周期越短,是工程上确定是否采用该块体影响因素,为经济性方案衡量的重要指标;稳定性指标即采用选取相同波高作用下,所需块体的稳定重量大小进行衡量。本研究利用现有常用的四角锥体、扭工字块、扭王字块、Core-Loc和Xbloc块体,采用《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)[9]中规定的如下公式进行计算对比分析:

式中:N为人工块体个数;Q为人工块体混凝土用量(m3);W为单个块体的稳定重γ为水的重度(k N/m3),γb为块体重度(k N/m3);n'为护面块体的层数;c为块体形状系数;P'为护面块体层的空隙率;KD为块体稳定系数,即稳定性;A为块体所占面积;H为设计波高;α为斜坡与水平面的夹角(°)。

根据式(1)～式(3)计算得出单个块体的稳定重量(W)、混凝土总量(Q)以及与设计波高(H)的关系见图1。由图1a可见,在护面块体重量相同的条件下,四脚锥体所需的混凝土用量最多,Xbloc块体的混凝土用量最少,扭王字块略大于Xbloc块体的混凝土用量。由图1b可见,设计波高相同条件下,所需稳定重量四脚锥体最大,扭王字块最小,Xbloc块体略大于扭王字块。从经济性和稳定性来看,Xbloc块体和扭王字块均属于一种稳定性较好且经济的人工护面块体。另外结合本次新开发块体将应用深水又大浪条件,与浅水防波堤的不同,其深水防波堤的断面设计有明显的坡脚、斜坡、戗台和坡顶,因此需考虑该块体对坡脚的适应性、斜坡最多块体的个数和相互咬合的特性。由于大块体本身结构应力也相应增加,则在形状上需考虑设计得更粗壮,即周围支撑的杆件尽可能短而粗。

图1 设计波高、块体混凝土用量和稳定重量之间关系Fig.1 Relationship among designed wave height,volume of block concrete and stable weight

结合上述关于现有块体经济性和稳定性对比分析结果,提出新开发的人工块体在现有Xbloc块体与扭王字块相结合基础上进行改良的思路。以Xbloc块体为主体,将Xbloc块体在施工时块体安装过程易破损尖角4个腰杆置置换与扭王字块杆件的台体状;中间竖杆保持不变,但为了使新块体在平面上三点着地的特性,仅将中间竖杆绕中轴转45°;另外为了使新块体杆件集中应力均匀分散,则对新块体每条边进行倒角处理。新块体在工程应用上的安放方式,仍与扭王字块相同即规则和随机摆放两种,具体演变见图2。新开发人工块体结构尺寸之间关系见图3,由图3结构尺寸,计算得到新块体体积为:V=0.229h3(h为块体高度)。将新开发块体和现有常用体积进行对比,结果见表1。

图2 新块体改良演变过程Fig.2 Improving process of new type block

图3 新开发块体结构和尺寸Fig.3 Structure and dimensions of the new type block

表1 新开发块体与现有块体体积统计Table 1 Volume statistics of the new type block and the existing blocks

2 新开发块体性能参数测试

按照《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)[9]规定,块体的设计性能参数主要包括:形状系数(c)、块体空隙率(P')(%)、人工块体个数(N)、人工块体混凝土总量(Q)、块体稳定系数(KD)(即稳定性)以及块体糙渗系数(KΔ)(即消浪效果)。

为了对新型块体上述各参数模型进行测试,分别制作了60,90,120和150 g四种不同重量护面块体,试验时块体摆放方式与扭王字块相同。

综合考虑试验场地限制、造波机能力,以及在波浪(短周期和长周期涌浪)作用下护面块体较大失稳率等因素,参照《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234-2001)[10],具体研究试验条件为:一、试验水位:模型试验水位(d)选择0.25,0.35和0.45 m 三种;二、试验波浪:考虑造波能力和试验堤顶不越浪,以及设计波高作用下允许块体失稳等条件,因此波浪试验周期择1.0,1.3,1.6和1.9 s四种,试验波要素采用不规则波试验,频谱采用JONSWAP 谱 (γ=3.3),有效波高(Hs)采用0.07～0.25 m 的范围,从0.07 m 逐步增加(表2)。

表2 模型试验条件Table 2 Model test conditions

2.1 新块体形状系数(c)值测定

对于新开发人工块体形状系数(c)值,可依据《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)[9]中护面块体厚度计算公式进行计算:

当测出块体厚度(h)和块体重量(W)后,返求可以得出形状系数(c)值。具体过程:将60,90,120和150 g四种不同重量护面块体安放至断面上,断面位置见图4,在断面的斜坡不同位置进行多次h值测量,结果见表3,最后取4组测试结果进行c值计算,取平均值¯c=1.40。

图4 试验断面斜坡位置块体厚度测量Fig.4 Measurement of block thickness at section slope

表3 新块体形状系数(c)值计算结果Table 3 The shape coefficient(c)of the new type block

2.2 人工块体个数(N)测定

与形状系数(c)值测量方法相同,将新块体直接在模型上随机摆放,测量一定面积上的数量,然后再将模型上测得结果按假定试验比尺分别反推至原体上人工块体数(N)和混凝土用量(Q)。新块体在不同坡度的断面上所摆放的新块体重量(W)与人工块体个数数量(N)关系见图5。

2.3 新块体空隙率(P')测定

根据式(1)及2.2 节测得N和c,以及4 种(60,90,120和150 g)模型设计的不同W,进行返求得到空隙率(P')值分别为56.08%,52.55%,53.45% 和49.68%,取其平均值得到新块体空隙率为53.3%。

图5 新块体重量与人工块体个数、混凝土用量之间关系Fig.5 Relationship between the new block weight and the block numbers placed,the volume of block concrete

2.4 新块体混凝土用量(Q)测定

利用2.2节测得新人工块体个数(N)和公式(2),进行返求得到新块体重量(W)与混凝土用量(Q)的关系(图5)。

2.5 新块体稳定系数(K D)测定

利用式(3),在已知H和W时,采用设计断面(图3)进行测试:利用模型设计的60,90,120和150 g四种重量块体,不同水位波高组合作用,记录不同工况下的块体失稳率(n);稳定性的判定标准采用《波浪模型试规程》(JTJ/T 234-2011)[10]中对扭王字块的同样要求,从而返求得到KD值(表4),统计临界稳定时,KD值为22.2～63.6,为安全取KD=22.2。

表4 新块体稳定系数(K D)试验结果Table 4 Results from the test of stability coefficient(K D)value of the new type block

2.6 新块体糙渗系数(KΔ)测定

通过测量新块体糙渗系数(KΔ)来掌握其消浪效果,具体方法为通过测量波浪在块体的表面爬高大小,测试试验分别在其迎浪侧面安放不透混凝土板和新块体两种不同材质试验断面,测试在相同波浪作用下爬高结果,试验过程中始终保持堤顶无越浪。对于不透混凝土板,由《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)[11]可知其糙渗系数KΔ=1.000,因此新块体糙渗系数(KΔ)即为相同波浪作用下新块体试验断面波浪爬高结果与不透混凝土板试验断面波浪爬高结果的比值(表5),取上述计算结果平均值得到新块体糙渗系数KΔ=0.513。

表5 新型块体糙渗系数(KΔ)测试结果Table 5 Results from the tests of roughness coefficient(KΔ)of the new type block

3 新开发块体与传统护面块体对比分析及应用

经各种护面块体工程应用统计情况可知,扭王字块是目前国内外常用、公认性能较好的一种单层安放块体,对此选择与其进行对比分析(表6)。由表6可见,1)在节约工程造价的经济方面,新块体优于扭王字块;2)在块体对波浪消浪效果方面,两者相差不大;3)从2种块体安装的难易程度上看,根据安装工人反馈,新块体优于扭王字块;4)在涉外工程项目中,从专利权的限制等方面考虑,新块体有优势。因此,从实验室测试对比来看,新块体略优于扭王字块,这也充分体现出新开发块体为结合扭王字块和XBLOC优点改良的结果。

表6 新块体与传统扭王字块对比Table 6 Comparison between the new type block and the traditional Accropode

综上所述,新型块体开发是在了解国、内外已有成熟产品和整理相关研究成果的基础上,通过理论分析和试验研究系统论证的成果,目前块体已成功应用于实际工程上,这为下一步推广与应用提供了科学依据,且自主研发新型块体结构有助于提高交通水运行业的整体实力,也为提升我国沿海深水港口的建设水平和防灾减灾能力提供支撑。由于工程具有复杂性,非常必要进一步完善新开发块体在已建成或在建的港口工程防波堤与护岸上应用回访和跟踪制度,结合原型观测结果与试验研究成果,建立完整人工护面块体研究与应用的数据库,充分发挥新开发块体在保护堤坝稳定和消浪等方面应有的功能,为节省工程投资和工程顺利完成提供保障。

4 结 论

针对深水防波堤建设中对保证防波堤稳定至关重要的消浪护面块体问题,经过对不同类型常用人工块体的经济性和稳定性对比分析,结合深水防波堤的环境特点,提出了一种基于现有块体改良的十字型新型消浪块体。对新块体主要设计参数、失稳和消浪机理开展了试验研究,同时将新型块体与现有扭王字块体进行多方面比较,得到主要结论如下:

1)通过物理模型试验研究确定了新开发块体的性能设计参数,包括:形状系数(c)和块体空隙率(P')、人工块体个数(N)和混凝土用量(Q)与单个块体的稳定重量(W)关系,稳定系数(KD)以及糙渗系数(KΔ)。

2)将新块体与传统扭王字块护面块体对比,进一步验证了其具有一定的优越性,新开发块体已获得国家知识产权局颁发的实用新型专利证书,并成功应用于交通运输部天津水运工程科学研究所大比尺波浪水槽消波段。

由于目前新块体仅获得了实验室试验成果,因此在工程应用上,新型块体的应用成功与否,还有待于经受更多试验的检验,如考虑波浪方向影响的三维稳定试验等,甚至是原型现场的试验。因此在此次研究的基础上,今后将进一步深入开展相关试验研究,并争取通过工程实践来证明其性能,使其更具普遍性和应用推广价值。

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