印尼KARANG TARAJE港防波堤工程波浪整體模型試驗研究

高峰，張華平，周加杰，張慈珩，戈龍仔

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071；3.中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

波浪模型試驗經歷了規則波、不規則波、二維波浪水槽、三維波浪整體的發展過程[1]。在以往對防波堤穩定性、越浪量等的研究工作中，小比尺二維波浪水槽模型試驗一直發揮著主要作用，這是因為它具有方法成熟、可靠性高、針對性強和相對經濟等優點。如今，三維波浪整體試驗也開始應用于防波堤工程設計研究中。相對于傳統的二維波浪斷面穩定性試驗，在三維波浪穩定性試驗中，諸如波浪繞射、越堤水量、三維穩定性、透浪以及它們之間的相互影響等問題均可以得到更好的解釋。Gamot（1969年）進行了斜向規則波作用下四腳錐體的穩定性模型試驗研究，得到穩定性隨波向角增大而變差，且與正向浪相比在斜向波作用時損壞速度會加快的結論。第26屆國際水力研究協會（IAHR）大會上即有多篇論文與報告涉及到三維不規則波對建筑物的作用問題，并對有關三維不規則波作用下防波堤越浪量問題進行了總結。日本運輸省港灣技術研究所（PARI）通過三維不規則波試驗，得到海堤越浪量結果比二維不規則波時要小20%~30%的結論[2]。我國港工研究領域也采用三維波浪整體物理模型試驗進行防波堤相關問題的研究，俞聿修等對波浪斜度對于Hudson公式中的塊體穩定系數的影響進行了研究[3]，樸正應用三維波浪物模試驗驗證了斜向波浪作用下混凝土消浪塊體穩定性[4]，姜云鵬等應用三維波浪整體試驗對比了人工塊體規則擺放與不規則擺放的防護效果[5]。

1 依托工程概況

本次研究的依托工程（KARANGTARAJEPORT）位于印尼爪哇島南岸西側的Bayah省附近的Clietuh岬灣內，岸線走向為SW-NE向，距離印尼首都JAKARTA（雅加達）約100 km，距離東側的RatuPort（公主港）約35 km（位置見圖1所示）。由于該項目海域屬于南半球赤道無風帶，波浪表現為長周期涌浪，根據實測結果，平均周期在14 s左右，主要來波浪方向集中在S向~SSW向之間，波浪條件惡劣。因此，擬通過三維波浪物理模型試驗，驗證和評價防波堤的穩定性，觀測波浪越浪情況，并與二維試驗進行對比分析，確定設計方案的堤頂越浪量是否滿足設計標準，以此對原設計提出必要修改調整建議，為方案確定提供科學依據。2 模型試驗

圖1 工程所在位置示意圖Fig.1 Location of the project

2.1 試驗條件

試驗水池長45 m，寬35 m， 深1.2 m， 采用不規則造波機，水池四周均設置有消波設備，主要試驗參數為：極端高水位：+2.36 m，設計高水位：+1.85 m，設計低水位：+0.15 m；試驗中頻譜采用JONSWAP譜（γ=3.3）；波浪的方向選取本海域主要影響浪向，即SW和SSW向；試驗波要素由數學模型推算確定，設定的波高見表1。

2.2 試驗斷面結構

防波堤堤長550 m，采用斜坡式結構，堤頭段長度50 m，采用24 t雙聯塊體結構，墊層塊石重量為1 200~2 400 kg，設計坡度1∶1.5，堤頂高程+10.2 m。堤身分為兩種尺寸護面塊體，鄰近堤頭部分400 m長采用18 t雙聯塊體，墊層塊石重量為900~1 800 kg，坡度1∶1.5，堤頂高程為+9.7 m。其余部分的堤身段為100 m長與堤根段一致，均采用12.0 t雙聯塊體進行護面，坡度為1∶1.5，下方墊層采用600~1 200 kg塊石，堤頂高程為+9.1 m。其中，堤頭段斷面結構如圖2所示。

表1 試驗波浪條件Table1 The test wave conditions

圖2 防波堤堤頭段試驗斷面結構圖Fig.2 The structure of crosssections in head part of breakwater

2.3 模型設計與布置

模型平面布置如圖3所示。

圖3 模型試驗平面布置圖Fig.3 The simulation scope of test model

模型按重力相似準則設計。根據試驗要求，結合試驗場地及設備情況，模型選用幾何比尺55，時間比尺為7.42。試驗水池配備不規則造波機的最大造波水深0.6 m，波高0~25 cm，周期0.5~5 s，根據上述比尺設計模型可滿足造波實現能力。三維試驗模型中對于水下地形的模擬是采用網格樁點法復制，即按1.2 m×1.2 m布設樁點，尺寸偏差控制在±1 cm以內。防波堤的護面塊體模型中護面塊體采用水泥、原子灰與配重鐵粉預制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求。所采用的其他各種塊石均按重力比尺挑選，質量偏差控制在±5%以內。試驗塊體擺放按照方案設計要求，雙聯塊體為單隨機擺放。

3 主要試驗結果分析

3.1 護面塊體的穩定性

在極端高水位（+2.36 m）重現期為50 a波浪作用下，大部分波浪于堤頭及堤身海側斜坡上發生破碎，破波水體沖擊堤身護面塊體，堤頭出現破波水體繞流。試驗中經過相當于原型6 h的波浪連續作用后，堤身及堤頂護面塊體均穩定；防波堤海側400~500 kg護底塊石及900~1 800 kg拋石棱體穩定；防波堤各部分護面塊體均穩定；防波堤堤身港側2 000~2 500 kg護面塊石在越浪水體沖擊下，個別發生滾落，但失穩率小于1%。在設計高水位（+1.85 m）重現期為50 a波浪作用下，試驗現象與極端高水位基本相同。在設計低水位（+0.15 m）重現期為50 a波浪作用下，波浪對防波堤的作用明顯小于高水位時的情況。

3.2 堤身越浪量

當SSW向浪作用時，極端高水位（+2.36 m）重現期為50 a一遇波浪作用下，波浪爬高可越過堤頂形成越浪，在一個波列中出現越浪的波浪個數約為6%，各水位及重現期波浪作用下，重現期50 a一遇時最大平均越浪量為10 L/（m·s），而在重現期1 a一遇條件下僅有濺浪、無明顯越浪出現。當SW向浪作用時，在極端高水位（+2.36 m）重現期為50 a一遇波浪作用下，出現越浪的波浪個數約為10%，最大平均越浪量為7.9 L/（m·s），重現期為1 a一遇條件下為0.4 L/（m·s）。其他各組合條件下的越浪量統計結果詳見表2。

表2 防波堤各試驗段越浪量結果Table 2 Overtopping of thebreakwater in each test section L·（m·s）-1

3.3 與水槽試驗對比分析

二維水槽試驗中各部分護面結構也均穩定，各水位重現期1 a波浪作用下，堤頂也無明顯越浪現象，設計低水位重現期50 a波浪作用時越浪量也小于10 L/（m·s）要求，但在設計高水位、極端高水位時所對應的越浪量超過10 L/（m·s）。經反復對比試驗表明，在設計高水位時各組次的二維斷面試驗越浪量比前文三維試驗平均大約30%，這與前文所述的PARI相關結論接近，但在極端高水位時其差距變大，達到了50%。由試驗現象分析表明（見圖4），該差異與長周期波在二維水槽里試驗時入射波更易疊加導致堤前能量集中有關，斷面試驗中均采用正向浪作用，而三維整體試驗中入射波浪與防波堤軸線存在一定角度，且有波能沿堤擴散等實際現象，由此印證了斜坡堤上的波向角對平均越浪量影響的研究結論[6]。同時，斷面試驗中在不規則波序列中存在一定不越浪情況，在波浪連續作用下堤前會有壅水。綜合上述原因，二維斷面試驗中測得的越浪結果有所偏大，而采用三維穩定性試驗的結果相對更為合理。

圖4 二維與三維試驗防波堤越浪現象對比Fig.4 Comparison of the overtopping in 2-D and 3-D model test

4 結語

1）在二維與三維波浪試驗中，雖然破波水體直接沖擊堤身護面塊體，但各段護面塊體（12 t、18 t和24 t雙聯塊體）均可保持穩定，僅是堤身港側受越浪水體的沖擊，個別2 000~2 500 kg塊石發生滾落，兩種類型試驗的結論基本一致。

2）堤身段的越浪量在三維與二維試驗中存在較為明顯的差異，二維斷面試驗中各水位對應最大越浪量比三維試驗結果要大約30%，而在極端高水位時其差距達到了50%。分析得到，這種差異與長周期波在二維水槽里試驗時入射波更容易疊加導致堤前壅水、能量集中以及斜向入射波因素有關。采用三維穩定性試驗由于考慮了更接近實際的一些情況，因此選用其結果相對更為合理一些。

3）本次研究中關于三維、二維試驗對于防波堤平均越浪量的影響差異，由于試驗條件的限制可能考察的不夠全面，特別是在不同波向、周期組合時，由于依托試驗的工況組合覆蓋面相對較窄，因此本文根據物模試驗的結果還無法完全統計一個確切的三維與二維試驗導致最大越浪量差異的特征規律，隨著今后相關研究的進一步開展將對該問題加以澄清。