長周期涌浪作用下防波堤設計關鍵技術

周加杰，高峰，張華平

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 工程背景

印尼karang Taraje（GAMA） 防波堤工程為業主投資水泥廠配套港口工程項目，位于印尼西爪哇萬丹省Bayah鎮Karang Taraje地區，直面印度洋開敞海域長周期涌浪影響，相似環境下有印尼Pacitan[1-2]、Cilacap、Adipala[3-5]3個防波堤建設項目，設計均采用斜坡式人工塊體護面結構，形式分別為全斷面扭工字塊防護允許越浪結構、外側及堤頂雙聯塊體防護允許越浪結構、全斷面扭王字塊防護允許越浪結構，相比上述3個項目，本工程設計標準采取雙聯塊體防護基本不越浪設計。長周期涌浪環境下防波堤基本不越浪設計成為本工程的關鍵控制項目。

2 工程概況

防波堤位于Karang Taraje地區懸崖岬角位置，中軸線方位為北偏西50°，一期全長550 m，二期全長850 m，一期范圍防波堤前100 m為接岸連接懸崖處亂礁石段，水底高程由0變化為-15.0 m；0+100~0+550 m為泥砂質基礎，水底高程為-15.0~-16.0 m，其中0+500~0+550 m共50 m為堤頭段。防波堤結構采用拋石斜坡式人工塊體防護結構，其中塊體采用中國專利產品雙聯塊體，設計標準為英標，對堤頂越浪量進行限制，合同要求1 a一遇波浪重現期作用下堤頂平均越浪量不超過0.4 L/（s·m），50 a一遇波浪重現期作用下堤頂平均越浪量不超過10 L/（s·m），以防止對防波堤內坡及碼頭設施造成嚴重破壞。

3 氣候及波浪

工程所在地為熱帶雨林氣候，全年分為兩季，每年11月—次年4月為雨季（又稱非季風期），基本天天下雨，年降雨量大于3.0 m，每年5月—10月為旱季（又稱季風期），基本無雨；常年日平均氣溫25~30℃。

本工程通過收集分析歐洲中長期波浪后報資料，與實測資料進行驗證，分析多年波浪、風的極值，通過計算得到多點連線的不同重現期波浪數據，防波堤所受波浪主要為長周期涌浪，主浪向為SSW向和SW向，推算50 a一遇波浪周期近18 s，詳見表1。

表1 推算波浪數據統計表（一期堤頭A4點）Table1 Theestimated wavedata(at A4 point of phase I breakwater head)

4 設計控制要點分析

根據波浪控制要素、現場觀測和對衛星后報資料分析，通過數模研究確定總平面布置如圖1，在總平面布置和波浪數據確定后，防波堤設計控制要點則在于斷面設計。

結合現場地質條件和當地石材豐富特點，防波堤設計為斜坡式拋石堤人工護面塊體防護結構，并通過物理模型試驗驗證防波堤穩定性、越浪和堤后次生波情況。表2為結合EPC項目施工經驗的斷面控制要點分析。圖2為防波堤初始確定的斷面。

圖1 防波堤平面布置圖Fig.1 The breakwater layout

表2 防波堤初始設計控制要點分析Table 2 Control pointsanalysisof initial breakwater design

5 模型驗證及優化

本工程在實驗室進行斷面二維物模和三維局部堤頭模型試驗，對防波堤斷面穩定性、越浪量、堤后次生波等進行觀測，同時針對模型試驗發現的主要問題進行分析，調整優化斷面設計[6]，過程詳見表3。

5.1 長周期涌浪下防波堤越浪量分析與驗證

圖2 防波堤初始確定斷面Fig.2 Theinitial determinecross-section of breakwater

表3 防波堤模型驗證存在主要問題及解決措施Table 3 The main problemsand solutionsin breakwater model verification

50 a一遇重現期波浪作用下，2D模型試驗設計高水位時測得平均越浪量為47.58 L/（s·m），單個波大浪時越浪量過大使內坡墊層石極易失穩；3D堤頭局部模型試驗測得平均越浪量為5.36 L/（s·m）。從模擬角度看，堤頭三維局部模型測得的越浪量更近于現實，但為確保防波堤的穩定性和設計安全，2D斷面模型試驗仍要確保防波堤的穩定性，故防波堤設計堤頂高程維持規范計算數據，外側護腳雙層12 t雙聯塊體棱體改為一層同堤身斷面雙聯塊體，然后在外側拋填棱體石，堤內側自設計低水位以上部分施工灌砌石，以確保極端水位情況下防波堤的安全與穩定。

國內外研究者均對防波堤穩定性和消波特性進行過大量研究，但是對長周期涌浪作用下防波堤和塊體的穩定性研究仍很少，法國中央水力實驗室的邁松-阿爾福研究了周期對防波堤穩定性的影響，研究表明周期超過10 s的波浪對防波堤穩定性的影響最大。波浪在波周期較大時波能量集中且不易擴散。對于本模型試驗，2D模型邊界制約了水流的擴散，限制了堤前可能的波高擴散，增強了堤前波浪的沖擊力，從而使2D模型中波浪單個大波越浪量對內側坡面穩定性構成極大威脅。為較為真實地反應長周期涌浪作用下堤頂越浪最不利情況，項目另進行全3D模型試驗，進行正向波設計高水位50 a重現期波高狀態下越浪量和穩定性試驗，試驗結果表明平均越浪量為5.5 L/（s·m），與堤頭局部3D模型基本相同，同時，內坡塊石處于穩定狀態。

5.2 坡腳穩定性優化

試驗表明坡腳放置人工塊體1層時最外側塊體失穩，放置2層時上層最外側塊體失穩，即塊體失去嚙合作用后其穩定性降低，但同時受水流的作用面較大，極易翻滾從而使設計斷面處于不穩定狀態，類似項目Adipala施工中發現塊石與人工塊體互相嵌擠能夠增強人工塊體的聯鎖作用，并考慮到拋填塊石僅面層受水流作用，應能夠保持其自身穩定并支撐護腳人工塊體為穩定狀態，故斷面調整為外側拋填棱體塊石，試驗表明拋填棱體塊石和單層護腳塊體均處于穩定狀態，在確保質量的同時，降低了工程造價（減少了上層雙聯塊體）。

5.3 內側路面設計優化

內側道路僅作為二期施工通道和以后的維修通道，平時基本不考慮車輛通行，考慮到單波最大越浪情況對內坡的沖擊，也考慮現場的施工進度需要，采用半剛性水泥穩定碎石作為內側鋪砌結構面層，既能抵抗水流沖刷（大浪情況下），又節省了工程造價（相比水泥混凝土面層結構），同時提高了施工進度。防波堤優化后設計斷面見圖3。

圖3 防波堤優化后設計斷面圖Fig.3 Cross-section of the optimized breakwater design

6 斷面形式對施工的有利性分析

由Adipala、Cilacap已建防波堤工程及波浪研究可知，施工期經常會面臨高度3.0 m以上，周期大于10 s的長周期涌浪襲擊，防波堤設置寬肩臺及堤頂設置胸墻會帶來很大的施工難度。本工程設計在斷面優化時綜合考慮了施工的可行性，詳見表4。

7 結語

根據長周期涌浪環境下已有工程設計和施工實例，結合物理模型試驗進行防波堤斷面調整優化，使本工程設計在綜合考慮施工可行性的同時做到斷面優化，為項目創造合理的效益，以下幾點可以為類似工程提供借鑒。

1）塊體+塊石作為外坡護腳：模型試驗證明護腳最外層塊體因無法與其它塊體形成連鎖，其穩定性大大降低，采用塊石嵌擠，可極大提高最外層塊體穩定性，從而確保底腳穩定和堤身穩定，此種結構形式在確保穩定性的同時降低了工程施工造價。

2）內坡控制：防波堤不越浪設計較少許允許越浪設計工程造價高出很多，在堤頂允許少許越浪設計情況下保證極端水位時內坡的穩定和安全，對降低整個工程造價有很大作用，本工程內側采用灌砌石結構，可確保極端水位時內坡的安全和穩定。

表4 防波堤施工可行性優化控制表Table 4 Optimizing control of the feasibility of breakwater construction

3） 越浪量：長周期涌浪2D斷面物模越浪量偏大，3D堤頭局部模型偏于真實，2D和3D越浪量的差異將給工程設計和造價帶來極大差異。根據現有研究成果，越浪量多通過2D斷面進行量測，工程設計必須保證2D斷面模型的穩定性，但對越浪量要求控制嚴格的工程，則工程斷面將增大很多方可滿足2D越浪量要求。為降低工程造價和確保斷面設計的合理性，并考慮到長周期涌浪的特性，采用3D整體模型驗證越浪量及工程設計將更加具有合理性。

長周期涌浪有其特殊性，結合施工經驗的設計方能在斷面優化控制上精益求精并符合理論和實踐。本文結合工程施工實踐，形成了長周期涌浪條件下防波堤設計控制關鍵技術體系，對于印度洋開敞海域環境條件下的防波堤設計，本工程具有典型性與代表性，相信能為其它類似工程提供良好的借鑒意義。

[1] 劉慶志.印尼PACITAN電廠東防波堤設計簡介[J].湖南交通科技，2010，36（4）：114-117.LIU Qing-zhi.Introduction to east breakwater design of Pacitan Power Plant in Indonesia[J].Hunan Communication Science and Technology,2010,36(4):114-117.

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[3] 周加杰，羅春燕，鐘少杰，等.印尼Adipala防波堤水文特性分析及施工技術[J].水運工程，2013（6）：183-186.ZHOUJia-jie,LUOChun-yan,ZHONGShao-jie,et al.Hydrologic characteristicsand construction technology of Adipalabreakwater,Central Java,Indonesia[J].Port&Waterway Engineering,2013(6):183-186.

[4] 周加杰，羅春燕，靳克，等.長周期波作用下斜坡式防波堤穩定性及施工分析[J].中國港灣建設，2013（5）：21-24.ZHOUJia-jie,LUOChun-yan,JIN Ke,et al.Analysis on stability and construction of sloping breakwater under action of long-period waves[J].China Harbour Engineering,2013(5):21-24.

[5] 周加杰，曹兵，李漢渤.印尼爪哇島面臨印度洋海域波浪特性及防波堤施工技術分析[J].中國港灣建設，2014（4）：17-20.ZHOU Jia-jie,CAOBing,LIHan-bo.Analysis of wave characteristics facing Indian Ocean sea area and breakwater construction technical for Javainland,Indonesia[J].China Harbour Engineering,2014(4):17-20.

[6]印尼Karang Taraje工程防波堤斷面波浪物理模型試驗研究[R].天津：天津水運工程科學研究院，2014.Wave physical model test research on breakwater cross-section of Karang Taraje project in Indonesia[R].Tianjin:Tianjin Research Institutefor Water Transport Engineering,M.O.T.,2014.