三維穩定試驗對港工設計安全的影響

周枝榮，姜云鵬

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上?！?00032；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津　300456）

三維穩定試驗對港工設計安全的影響

周枝榮1，姜云鵬2

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

現行防波堤設計與施工規范明確指出，防波堤結構應進行波浪模型試驗驗證。在工程實踐中，由于地形地勢、波浪條件、結構形式千差萬別，規范沒有明確具體采用何種模型試驗對結構安全進行驗證，需要根據工程具體情況具體分析。規范中考慮堤頭和波浪破碎兩大因素，塊體重量為公式計算結果的1.6倍左右；通過三維穩定試驗確定的非標準段塊體穩定重量，達到最初設計的2～2.3倍。說明當波浪和地形條件比較復雜時，通過三維穩定試驗驗證護岸的穩定性是非常必要的，能夠提前識別設計風險，保證工程安全。

設計安全；三維穩定試驗；斜向浪；護面塊體；波浪破碎

0　引言

近年來，隨著港口海岸工程建設的快速發展，越來越多的工程需要面臨環境較為惡劣的開敞海域，水深浪大的自然環境加大了結構的安全風險[1-2]。一些防波堤、護岸受大浪作用發生破壞的案例時有發生，特別是后方陸域布置有石化罐區等高危險品的項目，引起了工程界的高度重視和全社會的廣泛關注。為保證安全，許多工程項目在傳統的二維斷面試驗的基礎上，還進行了三維穩定試驗，用來驗證設計方案的安全性和合理性，發現設計風險，消除安全隱患[3-5]。本文對三維穩定物模試驗中反映出來的設計風險進行歸納，總結了三維穩定試驗對港工設計安全的幾點啟示，希望與同行業者探討。

1　工程背景

某護岸工程處于海灣灣口，水深浪大，灣口水深達30 m，50 a一遇最大波高接近8.0 m，平均周期9 s。擬建護岸總長2 100 m，軸線水深-3.0～-13.0 m。結構形式包括沉箱、斜坡式等。斜坡式護岸采用扭王字塊護面，塊體重量為10 t和15 t。護岸水下地形條件較為復雜，海底底質為堅硬巖石，坡度較陡，局部坡度達1：10～1：7。

2　研究條件與方法

一般三維穩定試驗，由于比尺較大和場地的限制，僅能對局部建筑物（如堤頭等）進行模擬。本次三維試驗采用大場地，在保證比尺較大的前提下對全部護岸進行了模擬，將傳統的整體試驗與三維穩定試驗“合二為一”，變2個模型為1個模型，既縮短了研究周期，又節約了費用。

試驗采用不規則波，幾何比尺為56，亦即波高比尺為56，周期比尺為7.483。港池寬40 m，長45 m，港池中配備有國際先進的L形造波機，可以實現180°多方向造波，實現造波方向的任意切換，跟傳統的移動造波機來變換方向的方式相比，縮短50%的研究周期。

斜坡堤護面塊體均為人工制作，塊體數量與現場安放一致。重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程要求。

3　近岸設計波高與深水波高的比較

在設計過程中，對設計波要素預先判斷時，一般認為近岸波高小于深水區。但在某些工程，近岸波高可能大于深水區。本次試驗中，近岸處水下地形坡度較陡，水深變化劇烈，波浪淺水變形和輻聚效應顯著，導致近岸處局部設計波高較深水處增大10%。

4　三維試驗在護岸穩定方面的啟示

4.1斜坡護岸淺水段與深水段穩定性的區別

斜坡段護岸長340 m，采用15 t扭王字塊護面。為表述方便，本文把水深5～12 m稱為淺水段；水深12～13m，稱為深水段。

試驗發現，50 a一遇波浪持續作用，護面塊體穩定性隨水深的變化差異較大。深水段護岸各部分保持穩定，淺水段護岸在擊岸破碎波的作用下，護底塊石被沖刷，護面塊體嚴重失穩（見圖1）。這一現象與前期預判有所偏差。

試驗對塊體失穩過程進行了分析，總結了以下主要特點：低水位時，波浪在陡坡附近破碎，形成擊岸式破碎波，強烈的破碎流使護底塊石被沖刷。在波谷作用下，底部塊體首先失穩，順著天然陡坡向外海滾落，然后擴展至中上部塊體。故優化設計的焦點問題在于加強護岸底部塊體的支撐。

圖1　設計斷面15 t塊體淺水段失穩Fig.1　15 tblock ofdesign in shallow water failed in stability

試驗先后采取了3種優化措施，包括加大底部塊體重量、增加護岸底部塊體支撐排數等。

優化措施1：單純增加底部塊體重量至21 t，塊體仍失穩，不能滿足要求，說明波浪破碎對護岸底部塊體的沖擊作用十分強烈，除增加塊體重量外，還應增加塊體的擺放排數，通過增加寬度來快速消散波能，同時底部塊體之間互相倚靠，增加了整體穩定。

優化措施2：將底部塊體重量增為35 t，并設置為5排，結果最外1排失穩。

優化措施3：將底部塊體排數增加至9排，自深水區開始鋪設，一方面減輕了低水位波浪破碎對最外排塊體的沖擊作用，同時增強了最外1排塊體的支撐。試驗結果表明，優化措施3的塊體穩定，見圖2。

圖2　優化措施3斷面在波浪作用下保持穩定Fig.2　Optim ized step 3 block keptstable in shallow water

4.2斜直過渡段護岸的穩定要求

該護岸有一段為方沉箱與斜坡段的交接過渡段。除外海波浪直接作用外，另一部分波浪沿沉箱傳播與外海波浪疊加，形成波能集中和水體匯集。由于堤頭處坡度較陡，波浪在過渡段發生急劇破碎，形成強烈的破碎水流，對護面塊體造成強大沖擊（見圖3），設計方案10 t扭王字塊體在低水位時有多塊滾落，在波浪持續作用下呈持續發展態勢，失去護面功能，判斷為失穩。由此可以看出，波浪疊加和破碎是過渡段塊體失穩的主要原因。將堤頭處10 t塊體調整為12 t（見圖4），堤頭處塊體仍然難以穩定。

圖3　沿沉箱段傳播至斜直過渡段堤頭的上沖水體Fig.3　Thew ave lashed against transitional section alongcaisson

圖4　優化方案12 t塊體仍然失穩Fig.4　Optim ized 12 t block failed in stability

塊體重量優化為20 t并加棱體支撐后，塊體有少量晃動但無明顯位移，保持穩定（見圖5）。經極端高水位和設計高水位驗證后，堤頭段護面塊體保持穩定。因此，堤頭處護面塊體應加大至20 t，塊體重量是原設計值的2倍。

圖5　塊體改為20 t，并加棱體支撐，塊體穩定Fig.5　Optim ized 20 t block w ith prism support kept stable

5　塊體失穩原因分析

現行JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規范》[6]，給出的單個塊體的穩定重量計算公式為：W=0.1γbH3/[KD（Sb-1）3cotα]（1）式中：W為護面塊體單個重量，t；γb為塊體材料的重度，取23.0 kN/m3；H為設計波高；KD為塊體穩定系數；Sb為塊體材料重度與水重度的比值，Sb=γb/γ；γ為水的重度，kN/m3；α為斜坡與水平面的夾角，（°）。

同時，規范[6]4.2.4條也指出，該公式的限定條件是波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于22.5°，且堤前波浪不破碎。

按照規范規定，斜坡堤堤頭部分的塊體重量，應增加20%～30%。位于波浪破碎區的堤身和堤頭的塊體重量，均應相應再增加10%～25%。若考慮堤頭和波浪破碎兩個因素，塊體重量應為公式計算結果的1.6倍左右。

5.1淺水段與深水段塊體

按式（1）計算，淺水段和深水段扭王字塊的穩定重量為10～15 t。深水段堤前波浪不破碎，屬于正向作用，符合公式使用的前提條件，塊體是穩定的，因此，試驗結果與規范公式的計算結果是一致的。

但對淺水段護岸而言，波浪在堤前發生破碎，且屬于斜向作用，不符合規范關于波浪形態和角度的要求。

換言之，深水段屬于護岸設計的標準段，可以使用規范公式對塊體重量進行初步確定；淺水段屬于非標準段，不符合規范公式的使用要求，不能直接通過公式計算來確定塊體的穩定重量。

淺水段塊體失穩原因為：強烈的破碎流使護底塊石被沖刷，底部塊體失去支撐向外海滾落，然后擴展至中上部塊體。優化設計的焦點問題在于加強護岸底部塊體的支撐。通過試驗確定的塊體穩定重量，是最初設計的2.3倍。

5.2斜直過渡段護岸塊體

對于斜直過渡段護岸，由于波浪方向特殊，與直立段沉箱形成一定的夾角，波浪在沉箱與斜坡堤過渡段發生急劇破碎，形成強烈的破碎水流，對護面塊體造成強大沖擊。因此，也不符合規范公式的使用要求。波浪疊加和破碎是過渡段塊體失穩的主要原因。試驗優化后的塊體重量，是原設計值的2倍。

6　三維穩定試驗對設計安全的啟示和探討

防波堤規范[6]3.1.6條明確指出，防波堤是邊界條件復雜、風險性和重要性較高的工程，計算理論尚有不完善之處，規定防波堤結構應進行波浪模型試驗驗證。該規定再次強調了波浪模型試驗對確保設計安全的重要意義。

在工程實踐中，由于地形地勢、波浪條件、結構形式千差萬別，規范沒有明確具體采用何種模型試驗對結構安全進行驗證，需要根據工程具體情況具體分析。

三維穩定試驗對港工設計安全具有以下幾點啟示：

1）特定地形條件下近岸處波高會大于深水處波高，值得設計在對設計波要素進行預先判斷時特別注意。

2）低水位對應的波高一般較小，但低水位的破壞作用可能大于其他水位，并產生破壞。

3）工程設計需要特別注意擊岸破碎波的影響，并加強護岸底部的防護，對結構過渡段應予以重點關注。

4）斜向浪對扭王字塊護面塊體的作用比正向浪偏于危險，尤其是護岸（防波堤）的拐彎段和堤頭段。

5）通過規范公式對塊體重量進行初步確定，需要一定的使用條件；對于結構設計的標準段，可以使用公式來計算。對于非標準段或者不符合規范公式的使用要求，不能直接通過公式計算來確定塊體的穩定重量。

6）規范中考慮堤頭和波浪破碎兩大因素，塊體重量為公式計算結果的1.6倍左右，通過試驗確定的塊體穩定重量，可達到最初設計值的2～ 2.3倍。

7）當波浪和地形條件比較復雜時，通過物理模型試驗驗證護岸的穩定性是必要的。本研究再次體現了三維穩定試驗在驗證護岸（防波堤）穩定和優化設計方面的必要性。

[1]俞聿修.斜坡式與直墻式防波堤技術的新進展[J].港工技術，2000（4）：1-4. YUYu-xiu.A new progress in technology of rubblemound breakwaterand verticalwallbreakwater[J].PortEngineering Technology, 2000(4):1-4.

[2]俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社，2002. YU Yu-xiu.Random wave and its application to engineering[M]. Dalian:Dalian University of Technology Press,2002.

[3]姜云鵬，劉昌興，彭程.波浪作用下陡坡和緩坡地形對護岸工程的影響[J].水運工程，2015（4）：61-65. JIANG Yun-peng,LIU Chang-xing,PENG Cheng.Influence of steep slope and mild slope on revetment under wave action[J]. Port&Waterway Engineering,2015(4):61-65.

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[5]郭文鑫，趙劉群.對規范JTJ298—1998的幾點建議[J].水運工程，2011（7）：58-60. GUOWen-xin,ZHAO Liu-qun.Suggestions on code JTJ 298—1998[J].Port&Waterway Engineering,2011(7):58-60.

[6]JTS154-1—2011，防波堤設計與施工規范[S]. JTS154-1—2011，Codeofdesign and construction ofbreakwaters [S].

Im pact of three dim ensional stability tests on port engineering design safety

ZHOU Zhi-rong1,JIANGYun-peng2
（1.CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China; 2.Tianjin Research Institute forWater TransportEngineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

It is clearly stipulated in the existing Code of Design and Construction of Breakwaters,the breakwater structure should be validated by wave model tests.In engineering practices,considering the diversified terrain,wave conditions and structural types,the code doesnotexplicitly specifymethodsofmodel tests for structuralsafety verifications,so specific analysis should be carried out according to project conditions.Considering the two factors of breakwater head and wave breaking,the weight of armor block is about 1.6 times of calculating results by formula.However,the stabilized weight of armor block in nonstandard structure segment,determined by testwavemodel,can be as high as 2-2.3 times that of the original design.It demonstrates the great significance of physical model test in verifying the stability,especially under complex wave and topography conditions.Thewavemodel testsare capable of forecasting design risks,so as to ensure the safety of the projects.

design safety;three dimensional stability tests;obliquewaves;armor block;wave breaking

U656.111

A

2095-7874（2016）10-0056-04

10.7640/zggw js201610013

2016-01-29

2016-08-21

周枝榮（1983—），男，湖北洪湖人，碩士，高級工程師，注冊土木工程師（港航），港口、海岸及近海工程專業。E-mail：zhouzhirong_2004@126.com