復雜型寬肩臺堆石防波堤破壞機制試驗研究

李　姍，張先波，解鳴曉

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津　300222；2.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇　南京　210029；3.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，港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津　300456）

復雜型寬肩臺堆石防波堤破壞機制試驗研究

李姍1，張先波1，解鳴曉2，3

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津300222；2.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；3.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，港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456）

采用斷面物理模型試驗對不同護面重量、不同級配的寬肩臺堆石防波堤進行試驗，研究影響該類型防波堤斷面穩定性的主要因素，對于斷面破壞結果采用3種不同方法進行描述，對不同方法的合理性加以闡述。試驗結果表明，護面塊石的形狀、重量和級配是影響護面穩定性的決定性因素，采用等效沖刷寬度和平均沖刷寬度更能準確描述護面破壞程度。

寬肩臺堆石堤；塊石級配；護面變形；摩擦系數

0　引言

寬肩臺堆石防波堤建造簡單，在北歐地區被采用，國內該類結構也在鹽田港、營口港等港區被采用。自20世紀90年代至今，天津港研院、天科院等單位開展了寬肩臺堆石堤穩定性研究，并獲得一定的研究成果[1-5]，但研究結果大多只限于描述防波堤最終斷面的穩定形態，對于試驗中選用的護面塊石外形及摩擦系數與現場的相似度、采用的塊石級配是否合理、描述最終剖面形態的方法是否恰當并未詳細闡述，JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》對于上述內容也并未做出明確要求。本文以斯里蘭卡Hambantota人工島防波堤斷面試驗為例，對90組試驗結果采用統計方法進行對比，對上述內容進行分析比較。

1　復雜型寬肩臺堆石堤定義及形態描述

1.1寬肩臺堆石堤分類

丹麥、冰島等國利用當地石料建造了寬肩臺拋石防波堤，該類型堆石堤通常稱為Icelandic berm breakwater（IC）冰島型防波堤。國內的寬肩臺堆石堤護面層塊體按照一定比例級配施工，但其各層塊石復雜程度要低于冰島型防波堤。本次試驗所使用的防波堤結構及塊石級配類似于冰島型防波堤，為了便于與國內的寬肩臺防波堤區分，將其稱為復雜型寬肩臺堆石防波堤。國際航運協會PIANC（2003）依據穩定性參數H0=Hs/ΔDn50之間的關系定義將堆石堤定義為3種類型，見表1。

表1　PIANC對寬肩臺堆石堤分類Table 1　Wide-berm rubble mound breakwaters classified by PIANC

因此根據堆石堤變形程度可將其分為3種類型，即：幾乎不變形（Hardly reshaping）HR，部分變形（Partly reshaping）PR，完全變形（Fully reshaping）FR。

1.2肩臺變形寬度定義

肩臺變形寬度及平衡斷面沖刷形態是設計關心的重點，也是穩定性研究評價的重要指標。對于肩臺變形寬度的測量，現行JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》并無明確規定，第1種傳統方法是將波浪作用后的肩角位置與試驗前進行比較，變形的寬度即為沖刷寬度，或給出整個剖面最深沖刷深度。

第2種方法是Sigurdarson和Van der Meer將肩臺沖刷寬度進一步引申，定義出等效沖刷寬度[6]，其核心是將堤頂至靜水位之間斷面進行均化，見圖1，但這種定義方法更適用于破壞程度為HR和PR的堆石堤，對于FR適用性不好。

第3種定義方法見圖2，將變形等分成為幾部分，最后給出其平均的剖面變形，此方法定義為肩臺平均沖刷寬度，其有效性與方法2類似。

圖1　傳統型及等效剖面的定義示意圖Fig.1　Schematic diagram for defining traditional and equivalent profile

圖2　肩臺平均沖刷寬度定義方法示意圖Fig.2　Schematic diagram for defining average scour width of a berm

2　物理模型試驗研究

2.1試驗斷面

試驗采用了9個不同的堆石堤斷面，斷面1、斷面9為對比試驗，根據H0計算4個試驗斷面為FR型，其余均為PR型。鑒于文章篇幅，僅給出斷面1的結構形式圖（圖3），其他各斷面與斷面1相似，主要參數見表2。

圖3　試驗1斷面結構形式圖Fig.3　Structural pattern of Cross Section 1

表2　不同試驗斷面的主要參數Table 2　Main parameters for different cross sections

護面塊石被分為3類，表層的5～10 t、7～12 t、1～10 t，里層的1～5 t和0.3～1 t。

2.2試驗波浪選擇及波浪模擬

1）波浪選擇

根據工程所在地的實際情況，當地波浪主要包含風浪（sea）、涌浪（swell）及臺風（cyclone）引起的波浪，斷面1～斷面3、斷面9采用波浪見表3，其余試驗波要素見文獻[6]。

表3　斷面1、斷面2、斷面3、斷面9采用波浪要素表Table 3　Wave Parameters for Cross Sections 1,2,3,and 9

2）波浪模擬

試驗采用正態模型，試驗幾何比尺λL為38，不規則波譜型為JONSWAP譜，試驗水槽寬度為1 m，長度98 m。率定采用入反射分離方法，防波堤建成前深水造波位置處波要素、擬建防波堤堤位處淺水波要素各布置3個波高計監測深水及淺水位置波高。

2.3護面塊石選擇及級配

對于塊石級配國內相關規范并無明確要求，試驗和設計時只是根據多年來的經驗，護面級配D85/D15取1.25～1.70，最大重量與最小重量之比Wmax/Wmin=3.0～12.5[7-8]，護面層不同級配的塊石質量允許偏差為±10%[9]。本次試驗所采用護面及墊層塊石均按照“The Rock Manual”相關要求進行計算，根據現場采石場石料形狀，全部護面塊石進行磨圓處理，斷面1作為對比試驗采用未磨圓塊石。塊石按級配選擇后，隨機抽取超過100塊塊石稱重，將實際采用塊石的級配曲線與理論曲線進行擬合，擬合結果符合較好，見圖4。

圖4　試驗采用塊石級配與理論計算曲線對比Fig.4　Comparison of calculated curve and grading of armor rocks in the test

3　試驗結果及分析

3.1不同沖刷寬度統計方法結果分析

根據穩定參數H0的計算結果，試驗斷面1、斷面2、斷面3及斷面9均為FR，但本次試驗水位變動小，9個試驗斷面按照相關波浪組合進行試驗后，對肩臺沖刷寬度分別采用了1.2節中3種方式進行統計。數據統計時將水槽沿寬度10等分測量變形，將10組結果平均，給出平均變形結果，見圖5。通過對比，三種定義方式的結果略有差異，其中方法2、3結果比較接近，方法1結果略大于其余兩種方法，也屬較接近，但此種接近僅限于沿水槽寬度方向塊石均勻剝落及精確控制測量誤差，若沿水槽寬度方向塊石掉落不均勻，方法2、3要優于方法1。在試驗中斷面6、斷面7由于護面層局部有部分塊石未完全掉落，方法1的測量結果要遠大于其它2種方法，部分組次變形值相差達2.5倍。

圖5　肩臺沖刷寬度不同定義方法的結果比較Fig.5　Test results of scour width of berms defined with different methods

3.2穩定性結果分析

穩定性分析具體給出斷面1、斷面2和斷面9三個對比斷面肩臺沖刷寬度試驗數據，其余斷面試驗詳細數據見文獻[6]。

如圖6，斷面1與斷面2除趾部形態略有區別，其余各部位均相同，工況條件也完全一致。

圖6　波浪作用后不同斷面沖刷狀態Fig.6　Scouring at different cross sections under wave actions

但由于斷面1中采用未磨圓5～10 t塊石，塊石的摩擦系數較大，2個試驗斷面結果有著明顯的差異。斷面1肩臺在Hs=8.3 m， Tp=12.5 s波浪作用后肩臺沖刷寬度約5 m，斷面2在Hs= 6.4 m，Tp=11.5 s波浪作用后肩臺沖刷寬度約4.5 m，二者破壞程度基本一致，而在整個試驗結束后，斷面2的破壞程度要遠大于斷面1。

斷面9為斷面2的對比試驗，將護面塊石的重量變大，研究其對護面變形的影響。表4為3個試驗斷面在表2中工況1～9累積作用后10個剖面的變形及平均值。

表4　對比試驗肩臺沖刷寬度Table 4　Scour width of berms in contrast tests m

對應相同工況斷面9的沖刷寬度要明顯大于斷面1、斷面2，盡管斷面9中包含了5～10 t護面塊石，由于1～5 t塊石的摻混，護面層的中值粒徑及對應的重量下降，護面的破壞程度隨之明顯加強。

試驗中斷面1的結果要比預料的趨于穩定，根據Van der Meer提出的理論[10]，采用表3工況10臺風工況計算，肩臺變形寬度應該達到約10倍塊石的中值粒徑，但實際試驗中卻只有3倍約4.4 m。尋找影響試驗結果的原因發現，塊石的形狀以及塊石表面的摩擦系數是重要的影響因子。試驗初始階段所采用的塊石棱角比較突出，增加了彼此之間的摩擦效應，發現這些問題后在斷面2中將塊石磨圓，其余試驗條件均保持不變，此時肩臺變形寬度達到5倍塊石直徑尺度，而斷面10中將級配改變后，護面破壞進一步加劇，最終沖刷寬度為10.63 m，與理論計算值接近。

對于斷面3，隨著肩臺變短，護面層數由3層變為2層，在工況9結束后，肩臺基本處于完全沖刷狀態。斷面4、斷面5結構類似但護面塊石重量分別為5～10 t和7～12 t，盡管塊石級配跨度均為5 t，但隨著中值粒徑增加，塊石重量對護面的影響效應十分顯著。

4　結語

綜合上述試驗，寬肩臺防波堤護面破壞程度主要由以下幾方面因素決定：

1）護面塊石的形狀，即塊石表面的粗糙程度，天然塊石形狀越圓滑則其表面摩擦系數越小，外力對于護面破壞作用越明顯。

2）塊石重量和級配是決定護面穩定性的因素之一，盡管包含相同重量的護面塊石，級配不同，會對穩定性產生明顯影響。

3）護面層數也是影響穩定的重要因素，護面層越厚，波浪作用于防波堤波能損失越大，塊石之間相互咬合越好，護面越穩定。

此外，對于護面變形的統計方法，建議采用方法2或方法3進行等效描述，以獲得更為精確和便于分析的試驗數據，而在試驗中建議充分考慮塊石形狀的影響，以獲得更精確的結果。

[1]中交天津港灣工程研究院有限公司.大連北良公司糧食碼頭工程寬肩臺式拋石防波堤斷面模型試驗報告[R].1996.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section model test report on the wide-berm rubble breakwater for Grain Terminal of Dalian Beiliang Co.,Ltd.[R].1996.

[2]中交天津港灣工程研究院有限公司.鹽田港東港區寬肩臺式斜坡堤試驗報告[R].2003.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section model test report on the wide-berm rubble breakwater in the east district of Yantian Port[R].2003.

[3]中交天津港灣工程研究院有限公司.嵐山港寬肩臺式防波堤內、外坡設計斷面物理模型試驗報告[R].2003.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Design section physical model test report on the internal and external slopes of wide-berm breakwater at Lanshan Port[R].2003.

[4]中交天津港灣工程研究院有限公司.營口港鲅魚圈港區A港池防波堤護岸工程斷面物理模型試驗報告[R].2005.

CCCC Tianjin Port Engineering Company.Cross section physical model test report on breakwater and revetment for Basin A in Bayuquan of Yingkou Port[R].2005.

[5]鄭子龍，劉海源，戈龍仔.青島造船廠寬肩臺式防波堤穩定性試驗研究[J].水道港口，2011，2（1）：39-42.

ZHENG Zi-long,LIU Hai-yuan,GE Long-zai.Test research of rubble mound berm breakwater of Qingdao shipyard[J].Journal of Waterway and Harbor,2011,2(1):39-42.

[6]LI Shan.Report on cross sectional physical model test for Sri Lanka Hambantota Port artificial island and public terminal project[R]. Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Ltd.,2013.

[7]劉子琪，王振程，曲淑媛.寬肩臺式防波堤穩定性的試驗研究[J].海洋技術，1999，18（4）：88-102.

LIU Zi-qi,WANG Zhen-cheng,QU Shu-yuan.The stableness testing study of the broad-shouldered riprap breakwater[J]. Ocean Technology,1999,18(4):88-102.

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[9]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規程[S].

JTJ/T 234—2001，Wave model test regulation[S].

[10]SIGURDARSON S,VAN DER MEER J W,BURCHARTH H F,et al.Optimum safety levels and design rules for the Icelandic-type berm breakwater[C]//Coastal structures conference.Venice,2007: 53-64.

Model test and research of failure mechanism of complex rubble mound berm breakwater

LI Shan1,ZHANG Xian-bo1,XIE Ming-xiao2,3
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute,Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,Tianjin 300222, China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing,Jiangsu 210029,China;3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

Physical model tests with different weight of armor units and different gradations of rock materials for a rubble mound berm breakwater have been carried out to investigate the main factors that affect the sectional stability of this type of breakwater.Three different methods are used to describe the sectional failure and the reasonableness of the different methods is described.The experimental results show that the shape,weight and grading of armor rocks are the critical factors for stability. The equivalent and average scour width can be more accurate for describing the extent of surface damage of armor protection.

wide-berm rubble mound breakwater;rock grading;armor deformation;friction coefficient

U656.2

A

2095-7874（2016）05-0030-05

10.7640/zggwjs201605008

2015-12-03

2016-02-01

國家自然科學基金青年科學基金（41306033）；交通運輸部應用基礎研究項目（2014329224330）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放項目（2014492211）

李姍（1983— ），女，天津市人，碩士，工程師，主要從事港口水工模型研究。E-mail：lishan@tpei.com.cn