加纳特马新港防波堤断面优化试验研究

2023-11-27严士常王广生陈国平杨越郑金海

中国港湾建设 2023年11期

严士常，王广生，陈国平，杨越，郑金海*

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210024；2.中国港湾西部非洲区域公司，科特迪瓦阿比让 06BP6687；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210024；4.河海大学水科学研究院，江苏南京 211106）

0 引言

由于中长周期波浪对斜坡式防波堤作用十分复杂，在实际工程设计时，需要通过物理模型试验来进行验证。张先武等[1]以印尼Karang Taraje码头工程为例，进行了防波堤断面结构设计和优化，并通过物理模型试验进行验证；李懿等[2]结合某海外项目，通过对其防波堤堤根段进行波浪局部整体物理模型试验，研究斜向中长周期涌浪作用下斜坡堤结构的稳定性，并对结构进行了优化；钟杰等[3]以某一具体港口防波堤工程为例，通过波浪断面和局部整体物理模型试验，对涌浪作用下斜坡堤堤脚块石的稳定性进行了研究，将正向和斜向波浪作用下斜坡堤堤脚块石的稳定性结果进行对比并对原设计方向进行了优化；陈昊哲等[4]结合斯里兰卡某深水防波堤工程，通过波浪断面物理模型试验对防波堤的设计进行优化，提出可通过适当降低内坡棱体平台的高程来提高防波堤在波浪作用下的稳定性。黄河等[5]依托缅甸某电厂码头工程，通过波浪物理模型试验验证了防波堤结构各部位稳定性，测定了堤后次生波传播变化规律，并对设计方案断面进行了优化。柳玉良等[6]研究了周期对防波堤护面块体的影响规律，认为波陡为0.04 时护面块体的稳定性最差。陈松贵等[7]在大水槽中采用大比尺研究了珊瑚礁地形上防波堤堤顶越浪量，王聪等[8]也研究了斜坡堤堤顶越浪量。本文以加纳特马新集装箱码头防波堤工程为例开展波浪水槽物理模型试验，研究在中长期波浪作用下斜坡堤结构的稳定性，并对结构进行了优化。

1 工程概况

加纳特马港新集装箱码头工程位于非洲西海岸几内亚湾的北侧（图1），受南大西洋咆哮西风带产生的涌浪影响，湾内波浪周期长[9]。工程海域水位为0 m 及2.3 m 时（本文均为海图基准面CD），堤前100 a 一遇设计波浪有效波高为3.2 m，谱峰周期为17 s，堤前设计波浪方向在175°左右，堤前波浪玫瑰图[10]见图2，其中Hs为有效波高。湾内风暴持续时间很长，基于1979—2015 年海浪资料中波高最大的12 个波浪过程，得出不同有效波高波浪的风暴持续时间，其中波高大于0.925 倍最大波高的波浪持续时间超过20 h，大于0.95 倍最大波高的波浪持续时间大于14 h[10]，如图3 所示。

图1 特马港新集装箱码头工程位置图Fig.1 Location of new container terminal project in Tema Port

图2 堤前不同波高的平均方向和出现频率的波浪玫瑰图Fig.2 Wave rose diagram of mean direction and occurrence frequency for different wave heights in front of breakwater

码头工程分两期实施，一期及二期工程设计并建造4 个15 万吨泊位，采用沉箱重力式结构，上部结构为现浇混凝土胸墙与混凝土面层。码头岸线总长度1400 m，码头前沿停泊水域水深-16.9 m，码头面高程为+4.0 m。设计并建造1 座L 形防波堤，平面布置见图4，西堤（CH+0 m—CH+1 400 m）为堤根段，东堤（CH+1 400 m—CH+3 600 m）为堤头段。考虑到项目施工顺序，拟先建设堤根段（约1 400 m 长），为验证堤根段斜坡堤的结构稳定性并对结构进行优化，对堤根段进行了专项研究。

图4 特马港新集装箱码头工程平面布置图Fig.4 Plan layout of new container terminal project in Tema Port

2 试验方案

2.1 试验波浪要素

根据数模计算的结果[10]选取试验波浪要素（表1），水位2.0 m 时1 a 一遇波浪用于预备试验，在正式试验之前作用3 h，减小偶然误差；水位2.3 m 时100 a 一遇加大20%波浪用于验证断面安全富裕，波浪入射角为175°，入射波波向线与防波堤堤轴线法线呈56°的夹角。

表1 试验波浪要素Table 1 Experimental wave characteristics

2.2 堤身结构

堤身结构设计方案剖面结构如图5 所示。泥面高程-7.8 m，块体顶高程为5.11 m，堤心为1～1 000 kg 块石，迎浪侧斜坡坡度为1 ∶1.5，-4.10～+5.11 m 范围内均为ACCROPODE II 护面块体，护面垫层厚度为1 100 mm 的300～500 kg 块石，-6.20～-4.10 m 范围为2～5 t 块石，-7.8～-6.2 m 由300～500 kg 的护底块石和碎石垫层构成。背浪侧斜坡坡度为1∶1.25，-4.0～+5.5 m 范围内均为2～5 t 的块石，护面垫层厚度为1 100 mm 的300～500 kg 块石。

图5 防波堤断面图Fig.5 Cross-section diagram of breakwater

2.3 试验方法

试验在波浪水槽（长80 m、宽1.0 m、深1.5 m）内进行，水槽一端装有不规则波造波机，可以按照要求模拟规则波和各种谱型的不规则波，按照正态重力相似准则设计模型，综合考虑确定模型几何比尺为1∶30，模型中各种块石和人工块体按重力比尺挑选，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求，自背浪侧堤脚处布置了3 根波浪仪，间距50 m（原型值）用于监测防波堤堤后次生波传播过程。试验过程全程使用高清摄像机进行录像，在迎浪面和背浪面上部均装有高清摄像头拍摄每组试验前后的照片和视频，用于辅助观测护面块体的位移。

护面块体失稳判别标准以块体滚落或位移累积超过块体最大几何尺度的一半为失稳，本工程中护面块体不允许失稳，护面块体是由水泥制成，并在表面涂漆来防水，本试验中每个块体的重量约为170 g，块体按照相关规定随机摆放（图6）。

图6 模型中Accropode II 块体的摆放Fig.6 Placement of Accropode II units in model

块石翻滚或者位移超过半倍块石尺寸视为失稳，堤脚块石稳定性采用失稳数Nod[11]判别，具体公式如下：

式中：Ndisplaced为块石失稳个数；Wsection为试验断面宽度；Dn为块石粒径，通常采用D50。

堤顶块石及堤后斜坡块石稳定性试验使用失稳率来表示，失稳率使用以下表达式：

式中：N 为作用区域块体总数，其中迎浪侧总数为静水位上、下1 倍设计波高范围内的护面块体总数，堤顶和背浪侧均为全部的块石数量。Rate＞3%判定为失稳。

3 试验结果及分析

3.1 防波堤设计断面稳定性

表2 为防波堤断面物理模型试验结果，设计方案在T2 组次中，堤脚块石、ACCROPODE II 护面块体均满足稳定要求。堤顶2～5 t 块石失稳率大于3%，图7 为设计断面在T2 试验组次波浪作用下前后背浪侧对比，从图中可以明显发现块体的滚落，在整个试验过程中防波堤堤顶有7 块块石移动，不能满足稳定性要求，这是由于防波堤堤顶高程较低，越浪量较大，越浪形成成片水体直接冲击堤顶和背浪侧的块石，越浪流水平方向的作用较大引起堤顶块石失稳。

表2 原设计防波堤设计断面块石稳定性结果Table 2 Stability results of block stones for designed section of original design breakwater

图7 原设计断面在T2 试验组次波浪作用前后背浪侧对比图Fig.7 Comparison diagram of original designed section on leeward sides before and after wave action in T2 experiment

3.2 防波堤优化断面试验

由于堤顶越浪较大，设计断面堤顶块石失稳率不满足稳定要求，进行优化研究，提高堤顶高程是减小堤顶越浪量最有效的措施。为了对比堤顶高程对堤顶块石稳定性影响，进行3 个优化方案试验，优化方案一：块体顶高程抬高至6.01 m；优化方案二：块体顶高程抬高至6.51 m，见图8（a）和（b）。T2 试验工况下试验结果见表3。

表3 T2 试验工况下各防波堤设计断面的块石稳定性结果对比Table 3 Comparison of stability results of block stones for different designed sections of breakwater under T2 experimental condition

图8 优化方案防波堤断面图Fig.8 Sectional diagram of optimized design breakwater

随着堤顶高程增加，越浪量减小，堤顶越浪流水平方向的作用减弱，堤顶块石失稳率下降明显；随着堤顶高程增加，越浪量虽然减小，但越浪水体和迎浪面斜坡相互作用下越过堤顶直接冲击在背浪侧，冲击作用增强，并且背浪侧斜坡较陡，冲击水流作用下稳定性较差，斜坡块石滚落的数量增多，失稳率逐渐增加，超过3%的控制标准，不能满足稳定要求。

为了比较背浪侧斜坡坡度对块石稳定的影响，进行一个优化方案试验，称之为优化方案三：堤顶高程为6.51 m，迎浪侧300～500 kg 的护底块石被移除，背浪侧斜坡由1 ∶1.25 放缓至1 ∶1.5，如图8（c）所示。T2 试验工况下试验结果见表3，背浪侧斜坡坡度变缓有利于块石稳定，坡度变缓使得该处的块石失稳率下降到2.4%，符合稳定性的控制标准。在斜坡式防波堤设计中，优化设计方案可以从调整堤顶高程和护面斜坡的坡度等角度入手，其中对于背浪侧斜坡块石的稳定性应该重视。

3.3 波浪斜向入射折减对原设计断面稳定性的影响

波浪入射角和防波堤断面堤轴线法线的夹角为56°，而断面试验中按照正向入射模拟，波浪斜向入射和正向入射对防波堤稳定的影响不同，特别是受越浪水体作用的堤顶及堤后块石稳定性差别较大，由于试验条件限制，需要对试验波浪进行修正。根据Galland[12]的研究成果，可以对入射波的波高进行折减，折减公式为：

式中：Hseq为折减后入射波的有效波高；Hs′为未被折减入射波的有效波高；β 为入射波波向线与防波堤堤轴线的夹角；x 为经验系数，其中当护面块体采用ACCROPODE 时，对于计算越浪量所采用的经验系数为0.75。本次试验的折减波浪见表4，需要说明，Galland[12]试验采用的谱峰周期范围为0.71～1.50 s。

表4 试验波浪要素Table 4 Experimental wave characteristics

表5 为T3、T4 组次作用下原设计断面稳定情况，其中T4 组次采用的是1.2 倍的100 a 一遇波浪入射，各部位均满足稳定性的要求，2 组试验堤顶块石均没有失稳，背浪侧斜坡块石失稳率均小于3%，满足失稳率标准。河海大学采用模型比尺为40.2 的整体物理模型试验成果[13]表明，CH+1 240 m—CH+1 400 m 堤段堤顶块石失稳率为1.4%，堤后斜坡块石失稳率为1.0%，均小于3%，满足稳定要求。由此可见，采用折减波浪的试验结果和波浪整体物理模型试验堤顶和堤后斜坡块石失稳率虽有差别，但结果差别不大，均满足稳定要求。波浪斜向入射工况下，没有条件开展整体物理模型试验时，可在断面物理模型试验中采用折减波浪试验成果代表波浪斜向作用对堤顶及堤后斜坡块石稳定的影响。尽管本文采用的波浪周期超出Galland[12]试验的周期范围，但试验结果表明该折减公式依然适用。

表5 折减波浪作用下原设计防波堤设计断面块石稳定性结果Table 5 Stability results of block stones for designed section of original breakwater design under reduced wave action

3.4 堤后次生波高分析

当波浪越过堤顶形成越浪，越浪在堤顶形成越浪流，可能冲刷并破坏斜坡堤堤面，之后在港内形成堤后次生波，对于港内船舶的泊稳产生较大的影响。以T2 试验工况为例，不同设计断面下堤后次生波波高沿程传播变化趋势见图9，从图9（a）中可知，提高块石堤顶高程使得堤后次生波波高显著下降，从图9（b）中可知，堤后次生波的波周期随着堤顶高程的提高而增大，并且与入射波周期相比有较大的变化，这是因为提高块石堤顶高程导致越浪水体减少。总体上看，由越浪产生的次生波强度不大，对港内影响较小。