宽肩台斜坡堤堤头稳定性试验研究

2022-05-18刘鸣洋朱颖涛陈汉宝

水道港口 2022年1期

张兵，刘鸣洋，朱颖涛*，陈汉宝

(1.山东省交通规划设计院集团有限公司，济南 250101；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程研究中心工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

宽肩台斜坡堤为肩台尺度较宽，在波浪作用下允许肩台和坡面产生一定变形并形成动态平衡剖面的块石护面斜坡堤，由于此种斜坡堤可以采用更轻的护面块石重量，因此适用于现场附近有充足石料来源的地区。已有针对宽肩台斜坡堤稳定性的研究主要采用断面模型试验，不能反映斜向浪作用下尤其是堤头形态的变化规律，例如常见的半圆形堤头，其有限区域内存在无限个迎浪方向，总有一部分处于非正向浪作用下，可能使得堤头向港内侧倾斜[1]。因此，针对宽肩台斜坡堤堤头稳定性开展三维模型试验，能够弥补二维模型试验在描述堤头整体形态上的缺陷，提升对防波堤堤头等关键部位稳定性的认识水平，进而为其设计提供科学依据。

1 引言

诸多研究者中，谢世楞[1]对宽肩台式斜坡堤的特点和设计中的主要问题，给出了断面尺度、外坡和内坡护面块石重量的确定方法、外坡的动态平衡剖面曲线以及堤头型式等，提供了工程初步设计的参考。刘志远等[2]通过开展断面物理模型试验研究，对宽肩台式防波堤设计断面尺度的确定、外坡块石重量和级配的确定进行了较详细的分析推理归纳。刘子琪等[3]通过对宽肩台防波堤稳定性进行断面模型试验，阐述了宽肩台式防波堤在不规则波及规则波作用下冲刷剖面的演变过程及最终动态平衡断面，探讨了宽肩台式防波堤稳定性的试验方法和程序。郑子龙等[4]对宽肩台式防波堤在不规则波作用下的变形进行了断面试验研究，描述了最终动态平衡断面的形成过程，并对设计方案进行了优化，发现降低堤心石高程有利于稳定性。李珊等[5]采用了断面物理模型试验对宽肩台堆石防波堤进行了稳定性试验，发现护面块石形状和级配明显影响护面破坏程度，护面层数越厚则波能损失越大，护面越稳定，同时还提出了描述护面变形的统计方法。陈谦等[6]将人工护面块体斜坡堤与宽肩台斜坡堤进行了对比分析，得出两种不同结构形式在掩护效果、护面稳定性、石料用量、工程造价等方面的不同特点和差异性。周雅等研究者[7]利用断面物理模型试验，对不规则波作用下斜坡堤越浪量与各个影响因素之间的关系进行分析，发现对斜坡堤越浪量影响最大的因素为堤顶超高，肩台及平台宽度也是重要的影响因子，护面不同扭王字块摆放型式下，护面层空隙率相同时，斜坡堤上越浪量也基本相同。戈龙仔等[8]运用波浪断面物理模型试验，对堤顶和设计断面结构优化等措施进行了对比研究，发现挡浪墙顶高程的提高、挡浪墙前肩台宽度增加和优化挡浪墙弧形断面均对越浪量减少有利。

以上关于防波堤稳定性的研究成果中，全部都采用断面物理模型试验作为研究手段，因此研究的对象几乎仅限于堤身形态的变化。实际上，宽肩台防波堤堤头护面块石除了存在断面内的物质输移以外，还存在轴向或纵向移动，处于非正向浪作用下的护面块石可能因重量不够而向港内推移，严重时会造成整个堤头在平面上向港内侧倾斜。由于该现象无法通过断面模型试验描述，故本文通过开展三维模型试验，对斜向浪作用下宽肩台式斜坡堤堤头的护面和护底形态变化过程进行观察，并进行若干优化方案的试验，揭示其动态平衡形态随块石重量变化或块体种类改变的规律。

2 模型试验资料

2.1 模型实例

模型试验以福建省福清海亮沃口一级渔港东防波堤南堤头为研究对象。该防波堤为宽肩台斜坡堤[9]，总长1 550 m，如图1所示。南堤头附近区域防波堤外坡肩台宽18 m，高程为5.0 m，肩台以上坡度为1:2，肩台以下坡度为1:1.5，堤顶高程10.0 m，堤顶宽度为8.0 m，内坡坡度为1:1.5；外坡设有二级压载平台，平台宽20 m，高程为1.0 m，内、外坡及肩台抛填0.8～2.5 t块石。堤心抛填石料重量5～300 kg，外坡坡脚设有45 m宽的150～300 kg抛石护底。

南堤头平面图见图2，断面结构如图3-a所示。对南堤头设计了若干优化方案：优化方案一为南堤头的4.5～5.0 m肩台部分至1.0 m肩台坡脚部分，以及堤顶至4.5～5.0 m肩台之间的护面块石部分，表层为2.0～2.5 t块石，护底块石改为0.5～2.0 t块石，其表面1～2层为1.0～1.5 t块石；优化方案二为优化方案一的基础上，2.0～2.5 t块石部分改为3.0～3.5 t块石；优化方案三为干砌条石方案，即在优化方案二的基础上，将所有护面块石表面改为0.8 m×0.8 m×1.7 m干砌条石。三个优化方案断面图如图3-b所示。

图1 防波堤平面示意及试验场地布置图2 南堤头平面图(单位：mm；高程：m)

3-a 原方案

3-b 优化方案图3 防波堤堤头断面(单位：mm；高程：m)Fig.3 Cross-sectional view of the breakwater head

表1 计算点D波浪要素Tab.1 Wave parameters at location D

2.2 试验水位和波浪要素

该渔港工程[9]N-S向朝向开敞大海，其中主浪向为SE向。本工程水文信息以1985国家高程为基准，据此采用的试验水位如下：极端高水位(100 a)为4.65 m，设计高水位为3.15 m，设计低水位为-2.76 m，极端低水位(100 a)为-3.79 m。100 a一遇极端高水位叠加重现期100 a波浪，计算点D处H1%为6.76 m，H5%为5.77 m，H13%为5.01 m。波浪要素计算点如图1所示，计算点波浪要素如表1所示。表1中破碎波浪为数值模拟计算所得[10]，而考虑到本试验的造波设备可以造出对应波高且未破碎的波浪，本研究对于表1中显示为“破碎”的波浪采用H1%对应的值进行造波控制。

3 试验方法

3.1 试验设施和模型制作

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院综合试验厅中完成。模型按重力相似准则设计，采用正态、定床模型。试验场地为42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(如图1所示)，采用几何比尺λ为40。模型中各种块石按重力比尺挑选，粒径级配符合《防波堤与护岸设计规范》[11]中对于宽肩台斜坡堤的规定，同时满足《波浪模型试验规程》的要求。造波采用总长40 m可移动推板式不规则波造波机及其控制系统。

防波堤形态变化，除进行肉眼观察和直接测量外，亦采用三维激光扫描仪获得被扫测物体表面前后形状变化，其原理是利用激光测距，记录被测物体表面大量点的三维坐标、反射率和纹理等信息[12]。

3.2 波浪模拟

根据《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)[13]，宽肩台式防波堤的断面稳定性试验应采用不规则波进行，因此，本研究的整体稳定性物理模型试验采用不规则波进行。不规则波采用频谱模拟，频谱采用《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)[14]中的JONSWAP谱。其解析式为

(1)

(2)

(3)

(4)

波浪模拟按照先从低水位到高水位，再从高水位到低水位的循环，以模拟一次风暴潮过程。根据《波浪模型试验规程》规定，每个试验水位的波浪作用时间，以直至形成动态稳定形态为准，且不小于原体的2 h。模型试验开始前，每个水位先用小波连续作用一段时间，以消除块石摆放密实程度对变形结果的影响。

3.3 堤头稳定性判定

完成从低水位到高水位，再从高水位到低水位的往复试验后，对防波堤堤头的最终动态稳定情况进行记录。每个试验水位造波直至形成动态稳定断面后，对防波堤的形态进行观察，并采用三维激光扫描仪等记录堤头轮廓变化，然后与前一试验水位动态稳定形状轮廓进行对比分析。根据《波浪模型试验规程》，对于各级肩台处的棱体块石，参考宽肩台式斜坡堤失稳条件进行判定，即堤心石外露时判定为失稳。

4 试验结果与分析

4.1 原方案堤头稳定性

对控制浪向SE向进行从低水位到高水位，再从高水位到低水位的循环往复试验。本研究定义极端低水位—设计低水位—设计高水位—极端高水位—设计高水位—设计低水位—极端低水位的往复循环为一个完整水位循环。试验中发现在每个水位条件下造波2 h(原体值)，堤头均可形成该水位下的动态平衡形态。原方案堤头试验前和各个试验水位下达到的动态平衡形态，依时间先后顺序如图4-a～图4-h所示。

4-a 试验前 4-b 极端低水位(累积作用2 h后) 4-c 设计低水位(累积作用4 h后) 4-d 设计高水位(累积作用6 h后)

4-e 极端高水位(累积作用8 h后) 4-f 设计高水位2(累积作用10 h后) 4-g 设计低水位2(累积作用12 h后) 4-h 极端低水位2(累积作用14 h后)图4 堤头形态变化

图5 堤头最终形态Fig.5 Final morphology of the breakwater head

根据试验现象观察，主浪向作用下，从极端低水位至设计低水位环节，大量150～300 kg护底块石受波浪冲刷携带作用，沿堤头环向即东西两侧推移，并围绕堤头中心形成环形凸起(如图4-b和4-c)，与二级肩台护面块石坡脚的距离由28 m、31 m和36 m缩小至19 m、21 m和28 m；在设计高水位至极端高水位再至设计高水位的对应波浪作用下，4.5～5.0 m肩台最南端部位0.8～2.5 t块石有明显滚动移位，但并未露出堤心石，堤顶的1～2层0.8～2.5 t护面块石在极端高水位下原位置滚动较明显，同时150～300 kg护底块石受波浪作用沿径向(向堤头中心方向)被冲刷至1.0 m和4.5～5.0 m肩台上(如图4-d～4-f)；在往复循环的设计低水位至极端低水位环节，150～300 kg护底块石再次形成围绕堤头中心的环形凸起，其位置相比极端低水位至设计低水位环节更加靠近堤头中心(如图4-g和4-h)，与二级肩台护面块石坡脚的距离由9 m、10 m和11 m缩小至8 m、8 m和10 m。在堤头西边港侧部分，150～300 kg护底块石在波浪的冲刷携带作用下沿环向移动，在内坡形成了堆积体。在经历一个完整水位循环往复试验后，堤头的最终动态平衡形态如图5所示。

对堤头地形进行三维激光扫描，得到各个试验水位波浪作用后的三维形态，从三维形态中沿图5虚线位置提取断面轮廓，得到各个试验水位所达到的动态稳定断面如图6所示。由图6可知，护面块石在两个肩台向港侧的转角处均形成了S形剖面，尤其以5.0 m肩台处最为明显；随着各个水位试验的进行，150～300 kg护底块石的环形凸起逐渐向堤头中心靠拢。

图6 原方案堤头断面轮廓变化

图7 优化方案一堤头试验前后形态Fig.7 Original and final morphology of the breakwater head of optimized scheme 1

4.2 优化方案一堤头稳定性

原设计方案护面块石产生了较明显的S形剖面形状，且护底块石在设计低水位和极端低水位下发生了更加明显的输移现象，且都是从表面部分的块石输移开始演变。针对原设计方案表面块石质量较小的问题，提出了优化方案一。对优化方案一进行从低水位到高水位，再从高水位到低水位的循环往复试验，并对宽肩台防波堤南堤头试验前和所有试验水位波浪作用后达到的动态平衡形态进行记录，结果如图7所示。对堤头进行三维激光扫描，得到最终的动态稳定三维形态，从三维形态中沿图7中虚线位置提取断面轮廓，得到最终断面如图8所示。由图8可知，在两个肩台向港侧的转角处形成的S形剖面特征，相比原方案明显减弱，这是因为该优化方案表面1～2层护面块石采用了更大质量(2.0～2.5 t)，增强了稳定性；该优化方案采用的0.5～2.0 t和1.0～1.5 t护底块石由于质量明显大于原方案，因此在各个试验水位下均未有明显轮廓变化。因此，优化方案一的稳定性相比原设计方案具有明显的改善。

图8 优化方案一堤头断面轮廓变化Fig.8 Morphological change of the optimized scheme 1 in cross-sectional view

4.3 优化方案二堤头稳定性

优化方案一中，表面2.0～2.5 t护面块石相比原设计方案其稳定性明显提高，但仍存在可见的轮廓形状变化，故继续增大护面块石表面部分的质量至3.0～3.5 t，形成优化方案二。对优化方案二进行从低水位到高水位，再从高水位到低水位的完整往复循环试验，并对宽肩台防波堤南堤头试验前和所有试验水位波浪作用后达到的动态平衡形态进行记录，结果如图9所示。根据试验现象观察，堤头表面1～2层3.0～3.5 t块石由于质量相比优化方案一进一步增大，其在完整循环往复试验后并未形成明显可见的S形剖面，而是仅发生个别块石原位置滚动。因此，优化方案二的稳定性相比优化方案一得到进一步提升。

4.4 优化方案三堤头稳定性

除了利用工程现场附近的块石以外，本研究还考虑和评估了人工护面块体——干砌条石的稳定性，比较其和抛石护面块体的性能区别，由此形成优化方案三。对优化方案三进行从低水位到高水位，再从高水位到低水位的循环往复试验，并对宽肩台防波堤南堤头试验前和所有试验水位波浪作用后达到的动态平衡形态进行记录，结果如图10所示。根据试验现象观察，堤头表面0.8 m×0.8 m×1.7 m干砌条石在完整循环往复试验后保持了很好的稳定性，与表层为1.0～1.5 t护底块石衔接处保持稳定，而在海侧与其北边3.0～3.5 t护面块石衔接处，发生了错动倒伏现象。干砌条石方案的斜坡堤稳定性评估宜参照常规斜坡堤稳定性标准，在此标准下，本文所研究的斜坡堤稳定性良好。另外，堤头和堤身衔接处为防波堤的薄弱环节，设计和施工时应保证质量。

图9 优化方案二堤头试验前后形态图10 优化方案三堤头试验后形态

4.5 块石稳定重量分析

根据《防波堤与护岸设计规范》，宽肩台斜坡堤在设计中其护面块石的稳定重量为一般斜坡堤抛填块石稳定重量的1/20～1/5。一般斜坡堤护面块石稳定重量计算公式如下

(5)

式中：h为单个块石的重量，t；γb为块石材料重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；H为设计波高，m，本文取H5%；KD为块石稳定系数，对于抛填2层取4.0；α为斜坡与水平面夹角，(°)。

根据《防波堤与护岸设计规范》，干砌条石护面层厚度计算公式如下

(6)

式中：h为干砌条石护面层厚度，m；m为坡度系数，这里取2；A为系数，对于斜缝干砌取1.2；d为堤前水深，m。结合本试验实例的波长值，设计波高H取H13%。

表2 护面块石稳定重量Tab.2 Stable weight of armor stone

表3 干砌条石稳定厚度Tab.3 Stable height of dry-laid square stone

由规范计算所得护面块石稳定重量和干砌条石稳定厚度分别如表2和表3所示。计算结果表明，100 a波浪条件下，宽肩台防波堤的肩台护面块石重量取0.8～2.5 t，理论上重量合理。但从试验现象分析，防波堤堤头的原设计方案护面块石剖面变化明显，增加表层护面块石重量至3.0～3.5 t，形成S形剖面的趋势才基本消失。这是因为宽肩台堤头护面块石稳定重量比堤身护面块石所需稳定重量通常要大(一般为1.6～3.1倍)[1]，以保证堤头的稳定性。通过对比规范中干砌条石护面层厚度公式计算值(见表3)与优化方案三采用的厚度，可知干砌条石厚度取1.7 m满足稳定性要求。