中、欧标准斜坡式防波堤设计对比分析

原 娟，袁立莎，张 余，高万国

（中交第一航务工程勘察设计研究院有限公司，天津 300220）

引言

防波堤主要是用来防御波浪的侵袭，维护港内水域的平稳，以保证船舶在港内安全地停泊和进行装卸作业，直接承受巨大的波浪力作用。斜坡式防波堤是常用的防波堤结构形式，在港口工程中有广泛应用，一般适用于水深不大，当地有价格便宜的大量石料的情况，或地基较软的情况。斜波堤结构设计包括断面尺度的确定，护面块体的稳定重量计算，护底块石的稳定重量计算，波浪爬高计算等。欧标与国标关于防波堤结构设计的构造要求，计算参数选取，具体计算方法等均有所区别。本文以断面尺度设计、波浪爬高计算、护面及护底块石稳定重量计算、构造要求等内容为例，分析对比欧洲标准与中国标准关于斜坡堤设计的差别。

1 断面尺度设计

1.1 斜坡堤堤顶高程

国标[1]规定，对允许越浪、顶部无胸墙的斜坡堤，堤顶高程宜定在设计高水位以上不小于0.6 倍设计波高值处；对块石、四脚空心方块、栅栏板护面的斜坡堤堤顶高程，宜定在设计高水位以上不小于0.7 倍设计波高值处；对基本不越浪的斜坡堤和宽肩台抛石斜坡堤，堤顶高程宜定在设计高水位以上不小于1 倍设计波高值处，对防护要求较高的斜坡堤，应按波浪爬高计算确定其堤顶高程，并需控制越浪量。

欧标[3-4]规定，防波堤的顶高程根据内侧结构物和设施允许的越浪量确定，对于传统的不设置挡浪墙的抛石斜坡堤，没有公共服务和行车的需求，控制越浪量仅由港内泊稳条件及堤顶和内坡护面块体的稳定情况确定。The rock manual 根据斜坡堤的功能需求提供了控制越浪量的参考标准。根据需要采用陆上推进施工方法时，堤心顶高程不宜小于高水位以上1 m。设计堤顶高程需要考虑工后沉降及由于气候变化引起的平均海平面上升。

1.2 斜坡堤堤顶宽度

国标规定可取不小于1.1 倍设计波高，且在构造上至少能并列放两排或随机安放3 块人工块体。

欧标规定斜坡堤堤顶宽度至少能安放3 块护面块石或人工块体。当采用块石护面时，堤顶最小宽度通常为3～4 块护面块石的宽度，护面块石堆放时应满足最大连锁性或最大堆积密度，以保证在波浪作用下的最大稳定性。堤顶宽度还要考虑堤心宽度的影响，堤心宽度需要满足施工机械作业的要求。堤心高度至少位于高水位以上1 m，开敞条件时位于MHWS（大潮平均高潮面）以上2～3 m。

1.3 边坡坡度

国标根据不同护面形式对斜坡堤边坡坡度有不同的要求，块石护面的边坡坡度为1:1.5～1:3.0。

欧标中采用块石护面时斜坡堤边坡坡度为1:1.5～1:3.0。当考虑地震影响或地质条件较差时，边坡应采用稍缓的坡度。

2 波浪爬高计算

欧标中通常采用波浪爬高Ru2%（水舌高度超越该爬高的概率为2 %），根据坡面的粗糙程度，堤身的透水性等可以采用不同的计算公式（图1）。Ru2%的计算与有效波高、坡度和波陡有关。对于斜向波，根据波浪方向与防波堤轴线法向之间的夹角提供了修正系数。修正系数为该式适用于0°≤β≤80°，β 为波浪行进方向与防波堤轴线法向的夹角。对于带肩台的斜坡堤，TAW(2002a)给出了修正系数的计算方法。修正系数为γb=1 -kB(1-kh)，γb的计算值在0.6 和1.0 之间。该方法适用于肩台的宽度小于1/4 深水波波长且肩台坡度缓于1:15。式中kB为肩台宽度影响系数，kh为肩台中间位置深度与静水位之间关系的函数。kB与kh的具体计算公式可查阅The Rock Manual[3]。

图1 爬高计算方法Fig.1 Calculation methods for wave run-up

图2 功能位置示意图Fig.2 Functional location diagram

我国《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015（2022 版））[2]规定斜坡式建筑物上的波浪爬高分别计算规则波的波浪爬高和风直接作用下不规则波的爬高。爬高计算与护面形式（糙渗系数），有效波高，波陡及坡度等有关。但是规范中公式仅适用于正向波，关于带肩台的斜坡堤的波浪爬高如何修正没有相应公式。

3 护面及护底稳定重量计算

欧标中计算斜坡堤护面块石的公式可以用Hudson 公式或Van der Meer 公式。其中，Hudson公式不考虑波浪周期、碎波相似性参数，波浪破碎情况、风暴持续时间、堤心的渗透性对护面块体的稳定性影响等，Van der Meer 公式可以考虑这些因素，但是公式中的波浪个数、渗透参数等参数不易确定。设计时一般选用Hudson 公式计算护面块石。

式中：HD为设计波高，在波浪不破碎条件下，设计波高为H1/10；对于H1/10波浪在到达防波堤之前会破碎的情况，设计波高取Hb（破碎波高）或有效波高Hs 中的大值，H1/10=1.27 Hs。KD为稳定系数，块石护面的稳定系数如表1。

表1 KD 建议值Tab.1 Suggested KD values

《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154-2018）中护面块体稳定重量计算同样采取Hudson 公式，不同的是设计波高根据平均波高与水深的比值取H5%或H13%。平均波高与水深的比值≥0.3 时，取H13%，反之取H5%。

欧标中稳定系数对于堤身、堤头、不同坡度、波浪是否破碎取值不同（如表1）。破碎波对应稳定系数为非破碎波的0.5 倍，相应的护面块石重量增加50 %；堤头位置稳定系数根据坡度不同，为堤身稳定系数的0.575～0.8 倍，相应的护面块石重量需增加25 %～74 %，坡度越缓堤头护面块石重量需相应增加的越多。国标中稳定系数为固定数值（KD=4），对于堤头和破碎波通过构造要求调整护面块石的大小。堤头部分的块体重量，按堤身块体重量增加不少于30 %，对位于破碎区的堤身和堤头的块体重量，均应相应再增加不少于25 %。

欧标中对护底块石稳定重量没有明确计算公式，设计中可采用护趾公式计算的块石重量来能满足护底块石的稳定要求。

护趾块石稳定重量通过ht/h 与稳定个数Hs/（△Dn50）的关系确定，如表2。表中ht为护底以上的水深，h 为堤前水深。Hs 为有效波高△,为块石相对重度=)1/(-γγb(γb为石料重度，γ 为水的重度)，Dn50为护趾块石的中值粒径。

表2 护底块石中值粒径计算Tab.2 Calculation for median nominal diameter of bedding layer

当ht/h<0.5，护趾块石的稳定重量应采用护面块石稳定重量的计算方法。《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154-2018）规定护底块石的稳定重量根据堤前最大底流速确定。最大波浪底流速根据设计波高（H13%）、水深、波长等计算，根据最大底流速查规范表格可得到对应的护底块石重量。

4 构造要求对比

1）垫层块石的稳定重量

国标规定，对外坡护面为随机安放人工块体时的垫层块石可取护面块体重量的的1/20～1/10。

欧标规定，垫层块石稳定重量取护面块石稳定重量的1/15～1/10。

2）堤头

国标规定堤头段的长度可采用15 m～30 m，深水斜坡堤堤头段长度不宜小于堤身高度值的2 倍；堤头部分的护面结构稳定重量按堤身稳定重量增加不少于30 %。

欧标规定堤头段的长度取1～2 倍堤身高度；堤头的护面块体稳定重量计算时取小于堤身的稳定系数值。

3）护底块石

国标规定，对砂质海底，在护底块石层下宜设置厚度不小于0.3 m 的碎石层或土工织物滤层。

欧标规定，当海底为松散的砂子或更细的土时，可以采用石头或土工织物滤层。对石料滤层的级配要求或厚度及土工织物的透水性等提出了明确要求和具体计算方法[3,5,8]。

5 工程案例

计算以坦桑尼亚某项目防波堤为例，对欧标和国标的计算结果进行分析比较。该项目防波堤采用抛石斜坡结构，斜坡坡度为1:2，护面采用块石结构，为防止波浪引起的冲刷，迎浪侧设5 m 宽的块 石护底，背浪侧设3 m 宽的块石护底。

设计高水位和设计低水位分别为：772.2 m 和770.6 m。设计高水位设计波浪要素见表3。

表3 设计波浪要素Tab.3 Wave parameters

国标和欧标关于波浪爬高、护面块石稳定重量及护底块石稳定重量的计算结果如表4～7 所示：

表4 波浪爬高Tab.4 Wave run-up

表5 欧标护面块石稳定重量Tab.5 Weight of rock armour by Euro code

表6 国标护面块石稳定重量Tab.6 Weight of rock armour by Chinese standard

表7 护底块石稳定重量/kgTab.7 weight of bedding layer/kg

表中RU2%中采用Van der Meer 方法，该方法适用于粗糙坡面的斜坡堤，对透水堤和不透水堤均适用。

该方法的一般公式为:

对于透水堤波浪爬高的限值为：

式中：

a，b，c，d-系数分别为0.96，1.17，0.46，1.97；

ξm为破碎参数，ξm=tanα/√som；

som—波陡，som=H/L0=2πH/(g×T2)；

α—斜坡坡度。

国标结果明显小于欧标结果，对国标和欧标的计算公式进行比较，国标波浪爬高取累计频率13 %的爬高，欧标取超越概率2 %的爬高。

将国标不规则爬高累计频率取为2 %，爬高结果为2.15 m，3.3 m，4.21 m，4.94 m 与欧标结果基本一致，可见国标与欧标波浪波高结果的不同主要是由于累计频率取值不同，即标准不一致造成的。

从两种规范计算结果对比分析，波浪不破碎时，欧标计算波高为国标计算波高的1.27 倍；波浪破碎时，欧标稳定系数折减为2.0，而国标则将块石稳定重量扩大25 %。导致欧标块石稳定重量明显大于国标结果，为国标块石重量的1.3～2 倍。

两种规范的护底块石重量都与波高和水深有关，国标中还与波浪周期有关。用国标方法计算的护堤块石稳定重量要大于欧标方法。

6 结语

通过工程实例的对比研究，可得出如下结论：

欧标中对于计算波浪爬高、护面块石稳定重量等没有指定的公式，计算时需要根据波浪、水深、结构型式等选择适用的公式。

欧标中波浪爬高取积累概率2 %的爬高，国标中取积累概率13 %的爬高。

欧标中护面块石计算中设计波高取值为H1/10=1.27 Hs，对于破碎波浪稳定系数进行折减，由于这些原因导致欧标块石稳定重量明显大于国标结果，为国标块石重量的1.3～2 倍。

对于不同标准下参数的选取，直接影响设计成果的规格、工程量进而对造价产生不可忽视的影响，在工程项目设计中要尤为重视。