某援外工程碼頭及接岸段三維結構穩定試驗研究

呂迎雪，張先波，黃宣軍（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

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某援外工程碼頭及接岸段三維結構穩定試驗研究

呂迎雪，張先波，黃宣軍
（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

通過三維物理模型試驗手段研究工程海域涌浪對某援外碼頭及接岸段護面塊體的穩定性和沖刷情況，優化局部護面塊體穩定重量為8t，并最終確定了接岸段護面結構型式。同時測量了碼頭兩側的底部流速和護底塊石穩定性。模型試驗結果對碼頭、接岸段結構設計調整及完善提供了可靠的數據支持。

友誼港；物理模型試驗；護面穩定性；涌浪

引　言

本文示例港地理位置在非洲大陸以西偏北，其海岸面對大西洋。常浪向為NW向（頻率為48.64%），強浪向為W向（頻率為4.87%）。原建有東北至西南向的防波堤約836m，引橋北側建有約500m長鋼管樁堵口，對港內泊位以及4#、5#泊位、5 000t級油碼頭形成掩護和擋砂作用。4#、5#泊位平面布置為東西走向的突堤式碼頭，突堤總長650m。其中，碼頭長450m，寬69m，頂高程5.50m，西端擋浪墻頂高程7.30m，南、北兩側設計底高程-12.0m；碼頭后方的接岸段長200m，與原有丁壩相連接，為拋石堤結構。

工程海區波浪周期較長，大于12 s的頻率約為9.67%，并且大浪期周期均較長，涌浪多分布在NW～W方向上，由于一期工程防波堤的掩護作用，4#、5#泊位主要受W向浪的作用。涌浪增加了碼頭的施工難度，并且從碼頭及接岸段護面結構的穩定性設計來說，現有規范未包含相應內容，因此需要采用整體物理模型試驗來驗證該工程設計方案的合理性，并且為碼頭接岸段型式及其斷面尺度的調整和完善提供建議。

1　模型試驗依據資料

1.1水位

工程區域以當地建港零點為高程基準面，設計水位如下：

設計高水位1.69m；

設計低水位0.25m。

1.2波浪

試驗為了模擬工程海域波浪情況，采用了不規則波及相應特征波高下的規則波進行，以-9.5m等深線處波要素作為最初試驗的入射波要素，波浪頻譜采用JONSWAP譜。W向浪的波浪要素見表1。

表1　W向浪外海-9.5m等深線處波要素

1.3碼頭總平面布置

4#、5#泊位平面布置為東西走向的突堤式碼頭，突堤總長650m。其中，碼頭長450m，寬69m，碼頭面頂高程 5.50m，在碼頭兩側另設有高程為5.75m，寬0.22m的道牙，西端擋浪墻頂高程7.30m，南、北兩側停泊水域設計底高程-12.0m，北側為4#、5#泊位，長450m，碼頭南側泊位長250m，其余200m為天然地形；碼頭后方的接岸段為拋石堤結構，長200m，路面寬19m，胸墻頂高為5.5m，在其基礎上另設有高程為5.75m，寬0.22m的道牙，堤身采用扭王字塊體護面。并且碼頭接岸段南側為現有丁壩結構，采用5t扭工字塊護面，整體平面布置如圖1所示。

圖1　工程平面布置

2　試驗設備

本次模型試驗在長40m、寬30m、深1.0m的波浪水池中進行，水池中安裝了由丹麥（DHI）引進的可移動式不規則造波機成套設備。造波機可按要求造規則波和不同譜型的不規則波。波浪水池及造波機系統見圖2，圖3為可測量三個自由度的聲學多普勒流速儀。

圖2　大型試驗水池及不規則波造波機系統

圖3　2D/3D聲學多普勒流速儀

3　物理模型的建立及試驗方法

3.1物理模型

按重力相似律進行模型設計，并依據《波浪模型試驗規程》（JTJ/T234-2001）的有關規定進行模擬，綜合考慮試驗水池和建筑物結構的尺度、模型應包括的范圍、波浪要素與試驗儀器測量精度等因素，并根據試驗技術要求，確定塊體的穩定重量等，綜合考慮確定模型的幾何比尺為λ=34。模型布置如圖4所示，圖中造波機擺放位置模擬的是W向來浪。地形塑造是根據工程總平面圖進行的，考慮了航道及港池的開挖以及沿岸陸地的地形，地形塑造中，首先按照地形等深線布置測量控制點，并對各個測量控制點進行高程測量。各個控制點的高程測量誤差不能大于±1 mm。然后鋪砂，再用水泥砂漿抹面。為了保證試驗的準確性，模型外圍邊界設置了消浪設施。

圖4　物理模型試驗布置

試驗按原型碼頭、接岸段的外形尺寸和高程按設計圖紙進行模擬。其模擬精度符合《波浪模型試驗規程》（JTJ/T234-2001）的要求。護底塊石和墊層塊石均按模型重量進行挑選，并涂以顏色便于穩定性試驗的觀測。

3.2試驗方法、數據采集及統計分析

1）波浪要素測量

模型試驗前，首先進行在原始地形情況下的波浪要素率定。有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之內。造波機產生的波浪在波浪率定點滿足要求后，再對地形進行開挖，使得航道、港池、船池水深與設計圖紙一致。

2）沉箱碼頭前底流速測量

為了驗證沉箱碼頭前護底塊石的穩定性，試驗采用2D/3D Vectrino+聲學多普勒點式流速儀，對不同水位波浪作用下，兩側底部基床流速進行測量，底流速測量的水深為沉箱基床上部0.6m位置處。

3）護面塊體穩定性觀測

接岸段拋石堤斷面穩定性的觀測試驗采用不規則波方式進行測定，不規則波模擬的波浪連續作用時間不少于原型 2 h。通過數據采集分析和試驗現場觀測、錄像等方法進行波浪作用下防波堤各部位穩定性的試驗測試。根據規范規定，扭王字塊體的失穩率是0。

4）試驗數據的統計分析

在波浪平穩條件下，不規則波連續采集的波浪個數大于 100個，規則波波浪采集個數至少為 10個，每組試驗至少采集三次，取其平均值作為試驗的結果。流速測量時，分別各工況下每個測點重復3次取平均值。

4　試驗結果分析及討論

通過整體模型試驗驗證涌浪作用下碼頭拋石堤接岸結構護面塊體的穩定性，并確定拋石堤護面塊體穩定性的最優方案；測量拋石基床頂面的底流速最大值，驗證拋石基床護面大塊石的穩定重量以及碼頭上水情況。

4.1接岸段拋石堤護面穩定性試驗結果

1）初始設計方案

4#、5#泊位碼頭采用直立式沉箱結構，其與原港池東護岸及丁壩軸線之間距離為182m，該處接岸段的斷面形式為拋石斜坡堤，堤頂高程5.50m，泥面高程最深處為-9.7m，最淺為0.2m，護面坡度1：1.5。其初始平面布置如圖5所示。其中從碼頭頂端向東方向99.13m采用3t扭王字塊護面，爾后繼續向東延伸采用200～300kg護底塊石護面，直至與原護岸及丁壩相連接。

圖5　接岸段初始設計方案

根據《防波堤設計與施工規范》（JTS 154-1-2011）中扭王字塊體穩定重量與設計波高的關系估算3t的扭王字塊體可以抵抗約4.3m的設計波浪，與本工程附近波況基本一致。因此接岸段拋石堤按照現有規范計算其護面體塊應該是穩定的。但是該公式在應用時有一定的局限性，即當設計波浪平均周期大于10 s時，并且波浪入射角度與斜坡堤縱軸法線夾角大于22.5°時，塊體穩定重量應通過模型試驗驗證。

試驗在設計高水位1.69m時，采用50年一遇H13%=4.6m、=24 s的不規則波，對接岸段兩側的拋石堤護面塊體以及護底塊石的穩定性進行驗證，并用50年一遇H5%規則波進行校核。接岸段北側波浪受到地形的影響在距離碼頭端部向東34～60m區間內出現漩渦，并且由于地形坡度較陡，且接岸段所在位置地形低于北側原始地形，因此出現了圖 6箭頭所示的回水現象。由于回水位置正好作用于北側堤根處的扭王字塊體處，因此坡底處外排塊體出現了隨波擺動的現象，并經過相當于原型2.5 h的波浪作用過后，回水區域內的扭王字塊體滾落到距離碼頭頂端向東約30m處，如圖7紅色圓圈所示。未出現滾落的塊體也因為缺少相鄰塊體的咬合作用而出現松動，扒縫等現象。除堤根處部分塊體失穩外，堤身其他位置3t扭王字塊未出現塊體失穩現象。在設計高水位1.69m時，在50年一遇H5%= 5.3m、=24 s對應的規則波作用下，波浪變形情況與不規則波類似，波浪淺水變形破碎沖擊作用表現明顯，沖擊區域為接岸段北側距離碼頭端部60～132m處，堤根處出現少量塊體隨波向西滾落。

圖6　接岸段波浪形態（接岸段北側）

圖7　接岸段初始方案失穩情況（接岸段北側）

接岸段南側地形較北側略平緩，且由于南側現有丁壩的消浪作用，在 50年一遇波浪作用下波浪沿程衰減，如圖8所示。但由于波浪淺水變形的作用，接岸段南側堤根處3t扭王字塊體在波浪的沖擊作用下外排也出現了部分塊體滾動。塊體失穩區域為距離碼頭端部46～99m處，塊體失穩狀態如圖9所示。

圖8　接岸段波浪形態（接岸段南側）

圖9　接岸段初始方案失穩情況（接岸段南側）

2）優化設計方案

通過對接岸段初始設計方案進行穩定性試驗驗證，在近岸地形較陡，并且波浪周期較長的情況下，規范中設計的穩定重量偏于危險，需要適當加大塊體重量。試驗中分別進行了兩次優化測試，首先把接岸段北側從碼頭端部向東10～99m堤根位置處的原3t扭王字塊均改為5t，寬度仍為5m，由99～132m處的200～300kg塊石改為3t的扭王字塊體，寬4m。接岸段南側從碼頭端部向東46～99m堤根位置處的原3t扭王字塊改為5t，寬度保持不變，原從碼頭端部向東99～123m位置處的200～300kg護坡塊石改為3t扭王字塊體，塊體擺放寬4m。

圖10　接岸段5t修改方案失穩情況（接岸段北側）

圖11　接岸段5t修改方案（接岸段南側）

經過50年一遇波浪的作用，接岸段北側仍有4塊扭王字塊體失穩，南側塊體未失穩，如圖10、圖11所示。考慮到現場塊體制作模板的問題，把該修改方案中南北兩側的5t扭王字塊體均改為8t，其他位置不變。經過測試最終8t扭王字塊體在相應波浪作用下均穩定。圖 12為經過試驗優化后最終修改的接岸段平面結構型式。

圖12　接岸段最終優化設計方案

4.2拋石基床底流速測量試驗

突堤采用的是直立式沉箱結構，護底塊石設計重量為200～300kg，根據規范規定堤前護底塊石的穩定重量可根據表2來確定。在50年一遇波浪條件下對突堤兩側底流速進行測量，每個測點位置設在距碼頭前沿線2m處、拋石基床頂部（-12.0m）向上0.6m處。底流速測量分別在碼頭南北兩側各設3個測點，其測點位置如圖4中N1～N3、S1～S3所示。

表2　堤前護底塊石的穩定重量

表3　沉箱碼頭兩側拋石基床底流速

表3為各水位下碼頭前底流速大小的實測值。從碼頭前拋石基床底流速的測值可以直觀地看出，其底流速的大小隨水位而變化。設計高水位時，碼頭前實際底流速北側略大于南側，最大流速出現的北側N1點處，流速V=3.7m/s。設計低水位時，碼頭前實際底流速最大，流速V=3.82m/s。綜合分析，由于N1點位于碼頭西端繞射區域，波浪底流速加大。

試驗中觀察碼頭兩側重量 200～300kg護底塊石在波浪作用下是穩定的，實測流速在3～4m/s之間，與表2設計的150～400kg穩定重量范圍基本一致。通過試驗驗證當波浪作用到直立堤基礎前未破碎時，護底塊石的穩定重量與規范中估算的一致。

5　結　語

本文利用整體物理模型試驗探討了毛里塔尼亞友誼港4#、5#泊位建設工程碼頭整體平面布置及結構穩定性，旨在研究涌浪作用下，接岸段護面塊體穩定重量、直立堤前護底塊石穩定重量，并提出優化布置方案，為該工程碼頭結構設計提供技術依據。經分析得到以下主要結論：

1）碼頭接岸段斜坡堤護面塊體全部采用3t扭王字塊體的初始設計方案，在設計高水位50年一遇不規則波作用下，南北兩側堤根處出現部分塊體滾落現象。其中北側較南側破壞程度嚴重。北側涌浪受到地形坡度較陡的影響，波浪破碎后在斜坡堤前形成漩渦回流區域，塊體沖刷較為嚴重，規范計算的穩定重量不滿足實際情況；

2）通過試驗確定優化的接岸段的平面布置型式，護面塊體采用8t及3t的組合方式，在各工況下接岸段結構均處于穩定狀態；

3）涌浪作用下，當直立堤前波浪未破碎，拋石基床護底塊石的穩定重量可用規范中相應估算方法進行設計。

［1］夏益民.沙質海岸波浪動床模型設計—毛里塔尼亞友誼港下游沖刷試驗模型［J］.海洋工程，1994，（3）：42-53.

［2］郭旬，高鴻富，顧民權.毛里塔尼亞友誼港（努瓦克肖特自治港）自建設以來的泥沙淤積與海岸演變（一）［J］.港工技術，2013，50（1）：1-5.

3D Structural Stability Experiment of Wharf and Shore Approach in One China-aided Project

Lyu Yingxue，Zhang Xianbo，Huang Xuanjun
（Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

3D physical model test has been used to study the surge impact on the stability and scouring condition of the concrete armor blocks which protects the wharf and shore approach in one China-aided project.The stabilizing weight of concrete armor block is optimized as 8 tons，and the type of shore approach armor structure is finally determined.Meanwhile，the survey work has been done to obtain the velocity of flow under both sides of the wharf and the stability of bottom protective blocks.3D model test results will provide reliable data for adjusting and improving the structural design of the wharf and shore approach.

friendship port； physical model test； stability of armor block； surge

TV139.2+6

A

1004-9592（2016）04-0007-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160402

2015-11-26

呂迎雪（1984-），女，工程師，主要從事海岸水動力學模型研究。