斯里蘭卡某深水防波堤結構設計與穩定性試驗

陳昊哲，陶然

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

0 引言

隨著海外市場的不斷開拓，我國工程企業承建的東南亞、非洲和地中海區域的港口工程項目逐年增多，這些區域的港口工程大多位于深水且以涌浪影響為主的海域。目前工程界對深水且強涌浪條件下的防波堤的穩定性問題尚未得到全面認識。

防波堤常采用斜坡堤結構形式，一般由護面、墊層、堤心和堤腳等構成。國內外學者對于斜坡堤穩定性做了大量研究工作，主要是針對斜坡堤護面塊體的穩定性[1-6]。目前我國JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》[7]采用Hudson 公式，歐洲標準Rock Manual[8]采用Van der meer 公式。針對斜坡堤堤腳和棱體塊石的穩定性的研究成果相對較少，歐洲標準Rock Manual 采用Gerding 公式[9]和Van der meer 公式[10]計算斜坡堤堤腳塊石的穩定質量。

本文以斯里蘭卡科倫坡某防波堤工程為例，結合本工程深水和強涌浪的特點，介紹了該深水防波堤的設計，開展了波浪斷面物理模型試驗，對其波浪作用下的穩定性進行了研究，并對防波堤設計進行了優化。

1 工程概況

1.1 工程簡介

斯里蘭卡是印度洋上的一個熱帶島國，位于亞洲南部。本工程位于斯里蘭卡西南海岸的科倫坡市，建設外海深水防波堤，在外防波堤堤后建設內防波堤、人工沙灘和人工運河等。防波堤是整個工程的重要保障，外防波堤總長約3 245 m，外防波堤堤身段海床底高程約-20.0 m。

1.2 水深條件

本次研究的防波堤堤身段海床底高程主要在-20.0 m 左右，其設計高水位為+1.2 m，平均水位為0.7 m，100 a 一遇低水位為-0.2 m。設計高水位時，防波堤堤前水深為21.2 m，水深較大。

1.3 波浪條件

本工程面向印度洋，波浪主要為涌浪。由于本工程防波堤后方掩護陸域的重要性很高，本工程防波堤按200 a 一遇波浪進行設計，同時采用200 a 一遇波高+20%波浪對防波堤設計進行校核。根據本工程的波浪數學模型模擬結果[11]，外海最強浪向主要為SW 向，波浪譜峰周期Tp=13～17 s。防波堤設計波浪要素見表1。可見，本工程防波堤設計波高較大，波浪周期較長。

表1 防波堤設計波浪要素Table 1 Wave elements of breakwater

2 防波堤設計

2.1 設計概況及依據

按照歐洲標準Rock Manual 進行設計。本工程防波堤為無擋浪墻的斜坡堤，按允許越浪進行設計，歐洲標準Rock Manual 中對于斜坡堤的堤頂高僅指出其需結合越浪量進行確定。參照我國JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》，對于允許越浪、頂部無胸墻的斜坡堤，堤頂高程宜定在設計高水位以上不小于0.6 倍設計波高處。據此計算本工程防波堤的堤頂高程為+5.04 m。但是考慮到本工程的特殊性（即防波堤掩護后方不是碼頭，而是人工沙灘），防波堤的堤頂高程較高會導致其后方水動力較弱、水體交換不夠，后方人工沙灘容易泥化，故堤頂高程最終定為+4.0 m。

防波堤內、外坡坡度均為1 ∶1.33，堤心采用1～500 kg 開山石，堤心下為回填砂，為防止回填砂流失，本工程防波堤將回填砂設置在堤心石下部，同時設置了反濾層。對于堤后回填砂，由于一方面靠近防波堤的回填砂位于水下、高程較低（高程約-9.0～-10.0 m），受到的越浪水體及堤后次生波的作用較弱，另一方面露出水面的人工沙灘回填砂距離防波堤較遠（距離約300 m），受到的堤后次生波的作用也不強。堤后回填砂的穩定性在設計過程中已進行了驗證，在設計條件下堤后回填砂保持穩定。

本工程防波堤其它主要部位（護面塊體、外坡堤腳塊石和內坡棱體塊石）的設計過程分別介紹如下，本工程防波堤原設計斷面結構見圖1。

圖1 防波堤原設計斷面結構圖（尺寸：mm，高程：m）Fig.1 Drawing of the breakwater original design plan(Dimension:mm,elevation:m)

2.2 防波堤護面設計

本工程防波堤護面采用扭王字塊體，Rock Manual 中斜坡堤扭王字塊體護面的穩定質量計算采用Van der meer 公式：

取宰后成熟度好的萊蕪黑山羊后腿肉，將其分為3組，每組包含7個樣本(200g±0.5g)。在填充空氣的條件下將樣本用不同的氣調包裝膜進行氣調包裝試驗，檢測新型包裝材料與普通包裝材料對冷鮮羊肉的貯藏效果。包裝好的樣本按照包裝膜的編號分為A組、B組、C組，統一貯藏于0～4℃，有待進一步檢測。

式中：Hs為設計有效波高，m；Δ 為人工塊體密度與水密度的相對值；Dn為人工塊體的當量直徑，m；堤身段扭王字塊體的穩定參數為2.7。

根據式（1）及設計波高（Hs=6.4 m），計算得到的扭王字塊體穩定質量為15.9 t。為留有一定的安全裕度，本設計取17 t 扭王字塊體護面。

2.3 防波堤外坡堤腳設計

Rock Manual 中斜坡堤堤腳塊石的穩定質量計算采用Gerding[9]公式和Van der meer[10]公式：

Gerding 公式：

Van der meer 公式：

式中：Hs為設計波高，m；Δ 為塊石密度與水密度的相對值；Dn50為塊石的中值當量直徑，m；ht為堤腳棱體平臺至水面的高度；h 為防波堤的堤腳前水深；Nod為破壞數，表示沿著斷面方向1 倍塊石直徑Dn50寬度范圍內發生滾動的塊石個數，設計中根據設計要求取不同的Nod值。

2.4 防波堤內坡棱體設計

防波堤內坡棱體塊石主要受越浪水體的作用，國內外規范中無相應的計算方法。原設計考慮減少護面扭王字塊體的工程量，內坡塊石棱體平臺高程定為-3.0 m，內坡棱體塊石質量也取2～5 t。

3 物理模型試驗

為了研究波浪作用下本工程防波堤設計的安全性和合理性，對防波堤進行了波浪斷面物理模型試驗。研究斷面各部位（護面塊體、外坡堤腳塊石和內坡棱體塊石等）在波浪作用下的穩定性，并根據試驗結果，對防波堤斷面設計進行了優化。

3.1 試驗儀器設備

防波堤波浪斷面試驗在南京水利科學研究院河流海岸研究所的風、浪、流水槽中進行。水槽長68 m、寬1.8 m、深1.8 m。水槽內配有不規則波造波機，可產生不同譜型的不規則波。

3.2 模型設計

防波堤斷面試驗為正態模型。考慮到試驗各因素，本斷面試驗的幾何比尺λl取為1 ∶35.9。根據重力相似定律，各相關物理量的模型比尺為：水深比尺 λh=λl，時間比尺質量比尺 λW=壓強比尺 λp=λl，越浪量比尺

3.3 試驗方法

模型中防波堤結構各部位與原型均保持幾何相似。護面塊體等除與原型保持幾何相似外，還與原型保持質量相似。堤腳塊石和棱體塊石也保持質量相似。

試驗中波浪按不規則波浪（Jonswap 譜，譜峰因子γ 為其平均值3.3）進行模擬。對于防波堤的穩定性試驗，每組工況的波浪持續時間為6 h（原型值）。

對于防波堤外坡堤腳塊石和內坡棱體塊石，其波浪作用下的破壞結果以失穩率D 表示，%，其為發生失穩的塊石個數與相應塊石總數的比值。護面扭王字塊體失穩判別標準以塊體滾落或位移累積超過塊體最大幾何尺度的一半為失穩。

外坡堤腳塊石和內坡棱體塊石的失穩判別標準為在200 a 一遇設計波浪作用下其失穩率小于10%（參考Rock Manual 的相關規定）；在校核波浪（200 a 一遇波高+20%波浪）作用下可以有部分塊石發生滾落，但其失穩程度不應影響護面塊體的穩定性。

4 穩定性結果

4.1 原方案穩定性

由防波堤原方案波浪斷面物理模型試驗結果可見，由于本工程防波堤頂高程（+4.0 m）較低、設計波浪波高較大、周期較長，在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的200 a 一遇波浪作用下，防波堤越浪量較大。同時由于內坡棱體平臺高程較高，越浪水體對內坡棱體的沖擊作用很強，內坡棱體塊石滾落較多。防波堤原方案斷面的各部位穩定性結果如下。

1）護面17 t 扭王字塊體

在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，17 t扭王字塊體無明顯位移或脫落，17 t 扭王字塊體滿足設計波浪作用下的穩定要求。

在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和 17 s）作用下，波列中大波作用時越浪水體對內坡護面塊體及棱體的沖擊作用很強。當波浪累積作用時間相當于原型6 h 后，外坡護面扭王字塊體無明顯位移，滿足穩定性要求。但是內坡護面扭王字塊體由于內坡棱體變形嚴重而發生下移，塊體間出現明顯縫隙，不滿足穩定性要求。

2）外坡堤腳塊石

防波堤原方案斷面外坡堤腳塊石失穩率結果見表2。

表2 防波堤斷面外坡堤腳塊石和內坡棱體塊石失穩率Table 2 Damage percentage of the seaside toe rocks and rear side prismatic rocks of the breakwater

由試驗結果可見，對于防波堤原方案外坡堤腳塊石（平臺高程-9.5 m，塊石質量為2～5 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，其失穩率最大為6.8%，小于10%，滿足穩定性要求。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇 +20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，雖然其失穩率最大值超過了10%，但是外坡堤腳塊石整體變形不明顯，仍可支撐護面塊體，滿足穩定性要求。

3）內坡棱體塊石

防波堤原方案斷面內坡棱體塊石失穩率結果見表2。

由試驗結果可見，由于原方案內坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強，其在200 a 一遇波浪和200 a 一遇+20%波浪作用下失穩率均很大。本次試驗范圍內水位越低，內坡棱體上部的水面高度越小，其受到的越浪水體沖擊作用越強，失穩率越大。

對于防波堤原方案內坡棱體塊石（平臺高程-3.0 m，塊石質量為 2～5 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s 和16 s）波浪作用下，其失穩率最大為23.7%，遠大于10%，內坡棱體塊石失穩。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，其失穩率最大為54.8%（即有超過一半的棱體塊石滾落），內坡棱體嚴重變形，已不能支撐護面塊體，護面塊體發生下移，不滿足穩定性要求。

4.2 優化方案穩定性

由于防波堤原方案內坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強，其嚴重失穩。為了增強內坡棱體塊石的穩定性、減小其受越浪水體的沖擊作用，優化方案將內坡棱體平臺高程由-3.0 m 降為-5.0 m（塊石質量改為 2～3 t）。防波堤優化方案斷面結構見圖2。

圖2 防波堤優化方案斷面結構圖（尺寸：mm，高程：m）Fig.2 Drawing of the breakwater optimization design plan(Dimension:mm,elevation:m)

防波堤優化方案斷面內坡棱體塊石失穩率結果見表2。

由試驗結果可見，由于優化方案將防波堤內坡棱體平臺高程降低了2 m，其受到的越浪水體沖擊作用顯著減弱，其失穩率顯著降低，內坡棱體塊石的穩定性顯著提高。

對于防波堤優化方案內坡棱體塊石（平臺高程-5.0 m，塊石質量為2～3 t），在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的 200 a 一遇（Hs=6.4 m，Tp=13 s和16 s）波浪作用下，其失穩率最大為1.8%，小于10%，滿足穩定性要求。在各級水位（-0.2～+1.2 m）及相應的200 a 一遇+20%波浪（Hs=7.7 m，Tp=14 s 和17 s）作用下，其失穩率最大為8.1%，且內坡棱體整體變形較小，仍可支撐護面塊體，滿足穩定性要求。同時，由于內坡棱體較好的支撐作用，護面塊體在200 a 一遇+20%波浪作用下也未發生明顯位移，滿足穩定性要求。

5 結語

1）本工程海域水深較大、強涌浪，根據歐洲標準Rock Manual 設計的護面塊體和外坡堤腳塊石經波浪斷面物理模型試驗研究可滿足波浪作用下的穩定性要求。

2）原方案內坡棱體平臺高程較高，受到的越浪水體沖擊作用很強，其在200 a 一遇波浪和200 a一遇+20%波浪作用下均嚴重失穩。優化方案將防波堤內坡棱體平臺高程降低了2 m，其受到的越浪水體沖擊作用顯著減弱，內坡棱體塊石的穩定性顯著提高。

3）對于深水、強涌浪海域的防波堤工程，如防波堤堤頂高程較低時，建議不能單純為了節省造價而一味提高內坡棱體塊石平臺的高程。為了提高防波堤在波浪作用下的穩定性，宜適當降低內坡棱體平臺的高程，必要時應通過波浪物理模型試驗進行專題研究。