中長周期波作用下斜坡堤穩定性與堤后次生波試驗研究

黃 河，高 峰，江 義，樊 栩，彭 程，徐亞男

(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 港口水工建筑物技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；3.天津大學 建筑工程學院，天津 300392；4.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

在我國“一帶一路”倡議下，隨著海上絲綢之路[1-2]沿線港口工程的不斷發展與延伸，港口工程海外市場逐年擴大，項目所在地的海域條件各不相同，其面臨的水動力環境也越來越復雜。在多個碼頭工程的防波堤建設過程中，經常遇到周期長、波能大的惡劣建港條件[3]，尤其是面對北印度洋、孟加拉灣等具有季節性風浪特征的中長周期波海況條件時[4-7]，碼頭與防波堤前的波浪影響作用更加顯著，而防波堤的穩定性直接影響其后方掩護區內碼頭、人員及設備的安全和船舶的泊穩條件。因此，依托工程實例開展中長周期波浪作用下防波堤設計方案的優化研究對于推進項目設計、施工與安全運營，乃至工程建成后的經濟效益均具有重要的實際意義。

相對于國內沿海港口所在海域一般為波周期小于10 s的短波環境，更多的海外工程所面臨中長周期波浪的挑戰，其中波周期大于 10 s 且小于 30 s 時界定為中長周期波，周期大于 30 s 則為長周期波[1]。中長周期波具有波高小、波長及波速大的典型特點，具有較強的穿透力，在這種海況下施工是困難的，有效施工窗口期較短[8-10]。在港口防波堤工程中，中長周期波作用下堤身穩定不僅影響到結構安全，同時也關系到工程的風險控制。由于中長周期波具有較強的透浪特性，因此其堤后次生波對于掩護水域的碼頭布置影響顯著，直接關系到設計標準和投資規模。以位于孟加拉灣的緬甸沿海為例，其外海海浪受到北印度洋涌浪影響顯著，波型為以涌浪為主的混合浪，8 s以上的周期所占頻率57.4%，10 s以上平均周期所占頻率為42%，12 s以上周期所占頻率為15%，波況較為復雜。本文即依托緬甸某電廠碼頭工程，在前期波浪分析的基礎上，進一步根據波浪物理模型試驗對設計方案進行測試，驗證其在中長周期波作用下防波堤的穩定性，并對其結構布置進行對比優化研究。

1 工程概況

擬建工程碼頭位于緬甸伊洛瓦底三角洲的西北部，孟加拉灣東北海岸。該工程設LNG泊位1個，配套建設防波堤、引橋和引堤等。由于工程所在海岸直接面臨孟加拉灣，海域開闊有利于波浪的成長和傳播，孟加拉灣常年受季風及強臺風的影響顯著，每年4月～11月期間又是臺風活躍期。雖然臺風直接登陸工程附近海域的次數較少，但熱帶風暴及雷暴天氣對工程海域波浪影響顯著。受季風及臺風的聯合影響該海域風浪及涌浪共存，且高密度分區域位于涌浪區，經過分析該海域風浪占比32.4%，涌浪占比67.4%，呈現出以涌浪為主的混合浪特征。前期數模計算結果表明，工程外海重現期100 a波浪對應最大有效周期接近18 s。針對該海域波浪周期長、波能大的特點，通過波浪斷面物理模型試驗，測定波浪對防波堤設計方案結構布置的影響、驗證防波堤結構各部位(護面塊體和塊石、護底等)的穩定性是十分必要的，同時考慮堤后次生波傳播特性也將對堤防結構的方案設計與堤后港內水域的泊穩條件提供依據。

1.1 試驗波浪要素

工程海域附近岸線整體呈現NNE-SSW方向走向，海底坡度較陡，近海海底水深變化較快，至工程附近岬灣岸線逐漸呈現出N-S方向走向，海底地形變化對近岸波浪傳播影響較大。根據海域數學模型計算結果，外海各影響波向中以WSW向最強，且深水 WSW 向浪傳播至工程附近時，波向也受地形影響轉為近似 W 向，與防波堤軸線走向呈垂直入射。由數學模型提取本次試驗波浪要素，其波周期均在10 s以上(表1)。

表1 模型試驗波浪要素表 Tab.1 Model test wave elements

1.2 堤身結構方案

堤身結構包含設計方案與優化對比方案，剖面結構如圖1所示。

1-a 設計方案

1-b 優化方案圖1 堤身方案斷面圖(單位：mm，高程：m)Fig.1 Breakwater section

(1)設計方案：底高程-20.5 m，頂高程+8 m，堤心為1～500 kg塊石，斜坡坡度為1:1.75。迎浪側：-16.5～+8 m范圍內均為30 t扭王字塊，護面墊層為厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。背浪側：-2～+8 m范圍內均為30 t扭王字塊護面，護面墊層為厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。-19.5～ -2 m范圍內為厚度2 600 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。

(2)優化對比方案：為進一步驗證設計富余度，在設計方案基礎上將斜坡坡度改為1:1.5，迎浪側-16.5～ +8 m范圍內扭王字塊增至36 t，護面墊層為厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。背浪側：-4～+8 m范圍內均為36 t扭王字塊護面，護面墊層為厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。-19～-4 m范圍內為厚度3 000 mm的1 550～3 100 kg塊石和1 000 mm的100～200 kg塊石。

2 模型試驗

2.1 模型簡介

圖2 風浪流試驗水槽與防波堤模型實景Fig.2 Wind wave flow test flume and model real scene

遵循試驗規程，并根據試驗室已有人工塊體模型，選定幾何比尺為1:39，即水深比尺、波高比尺、波長比尺均為39，周期比尺為6.25。模型中各種塊石和人工塊體按重力比尺挑選，質量偏差控制在±5%以內。斷面中所涉及到的人工塊體均根據《防波堤與護岸設計規范》(JTS 154-2018)中常用護面塊體形狀尺寸制作，人工塊體采用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求。

對于不規則波，采用JONSWAP頻譜模擬，其解析式為

(1)

斜坡式防波堤護面的破壞程度主要根據發生位移的塊石數量進行統計，1984年的護岸手冊中規定了防波堤損壞程度的衡量標準是波浪作用區域的移動塊石數量占這個區域的百分比，也稱作失穩率nd，其波浪作用區域是指靜水面上下一個波高的范圍，表達式如下

nd(%)= (發生位移塊體數量/作用區域塊體總數)×100%

(2)

這個評價標準建立在目測觀察法上，需要記錄塊石移動的數量，波浪作用區域塊石數量和結構物的設計有關。 如今，可以借助信息化圖形掃描技術，實現視覺測量輪廓的方法來自動化識別失穩情況，但由于在水、氣交界面上很難進行處理解析，依然存在限制應用的條件，例如需要在水槽全干或者充滿水的情況下使用。反而，一些純機械方法測量能夠比較容易地在水面上下進行測量，但是得到的結果少且精度低。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 設計方案試驗

(1)穩定性。

對于后期二銨的價格走勢，鄭冰表示，二銨后市的價格還是要看成本是否會出現大的波動。目前來看，經銷商普遍都比較擔心高價買入后，到了后期又出現大幅度跌落現象。后期二銨價格或將仍有一定的上升空間，但是目前價格已經漲到一個相對尷尬的高點，未來價格的不確定性還很多，如果說漲價帶來了機遇，相對應的風險也還是很大。但相比較而言，如果前期有提前備肥的經銷商，可操作的利潤空間還是相對可觀的。

極端低水位不規則波波浪連續作用6 h后，堤身迎浪面底部30 t扭王字塊發生晃動，前護底塊石保持穩定。堤頂發生少量越浪，波浪著浪點在防波堤內坡戧臺附近，但無塊石位移。100 a重現期不規則波作用下，底部30 t扭王字塊發生晃動，但未發生位移，前護底塊石仍保持穩定。越堤水體沖擊內坡戧臺，導致1 550～3 100 kg塊石發生少量位移(失穩率1.1%)，但護面形狀未發生變形，未喪失護面功能；縮減波周期后(T=10.00 s)，越浪著浪點沖擊的波內坡戧臺附近無塊石發生位移，斷面整體保持穩定。

設計低水位50 a重現期不規則波作用時，堤身迎浪面底部個別30 t扭王字塊發生晃動，但未發生位移，前護底塊石保持穩定。越堤水體沖擊內坡戧臺，導致1 550～3 100 kg塊石發生少量位移(失穩率2.07%)，但護面形狀未發生變形，且未喪失護面功能。100 a重現期不規則波時，迎浪面底部個別30 t扭王字塊發生晃動，但未發生位移，前護底塊石保持穩定。越堤水體沖擊內坡戧臺，導致1 550～3 100 kg塊石發生位移(失穩率2.80%)，但護面形狀未發生變形，未喪失護面功能?？s減波周期后(T=10.00 s)內坡戧臺附近無塊石位移，斷面整體穩定。

設計高水位50 a重現期不規則波作用時，堤身迎浪面戧臺附近個別30 t扭王字塊發生晃動，但未發生位移，越堤水體沖擊內坡戧臺導致著浪點附近1 550～3 100 kg塊石發生位移(失穩率1.59%)，但護面形狀仍未發生變形，且未喪失護面功能。100 a重現期不規則波時，試驗現象如圖3-a所示，戧臺附近30 t扭王字塊發生晃動，越堤水體導致內坡的1 550～3 100 kg塊石發生位移(失穩率1.95%)，但護面形狀未發生變形，且未喪失功能。縮減周期后(T=10.00 s)，斷面整體保持穩定。

3-a 堤頂越浪現象3-b 堤后次生波傳播沿程衰減圖3 設計方案重現期100 a波峰作用場景與堤后次生波沿程變化趨勢Fig.3 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the design scheme

極端高水位50 a重現期不規則波時，堤身迎浪面戧臺附近30 t扭王字塊發生晃動，但未發生位移，越堤水體沖擊內坡戧臺導致1 550～3 100 kg塊石發生位移(失穩率1.96%)，但護面形狀未發生變形，且未喪失功能。100 a重現期不規則波作用下，越堤水體沖擊內坡戧臺導致1 550～3 100 kg塊石發生位移(失穩率3.03%)，護面形狀未發生變形，且未喪失功能?？s減周期后(T=10.00 s)斷面整體保持穩定。

(2) 堤后次生波。

當波浪均越過堤頂至堤后發生破碎，破碎后形成新的波列繼續向后傳播，堤后次生波強度與入射波相比則明顯減小[11-13]。根據堤后布置波高傳感器測試結果，堤后次生波沿程衰減，以重現期100 a波浪為例，不同工況下堤后次生波波高沿程傳播變化趨勢如圖3-b所示，包含了兩種波周期(15.12 s和10 s)的對比。波浪周期對堤后次生波影響顯著，沿程各測點中波周期T=15.12 s所對應次生波波高比T=10 s時更大，其平均增大約37%。同時，隨著試驗水位的升高，堤后次生波逐步增強，而隨著越堤后傳播距離增加，沿程變化均呈現逐步遞減減弱的趨勢。

另外，由于波浪在越堤后經歷一次破碎后形成新的波列，因此堤后次生波的波周期也發生相應變化，但與入射波周期相比，整體變化幅度有限，堤后次生波周期有隨著越浪量增大而減小的趨勢，但總體變化幅度有限。

2.2.2 方案優化對比試驗

針對設計方案試驗情況，為進一步提升安全性和驗證設計富余度，針對原設計方案堤身進行結構優化對比測試。主要優化措施包含：將斜坡坡度改為1:1.5，護面塊體增至36 t，護面墊層的1 550～3 100 kg塊石增至1 800～3 600 kg以及塊石厚度增至3 000 mm，并將范圍調整為-19～-4 m，且戧臺高程由-2.0 m改為-4.0 m。試驗結果表明，各工況條件下斷面越浪現象依舊存在，但斷面各部位經過優化加強后均可保持穩定，護面塊體、護底塊石位移以及越浪后內坡戧臺處塊石的晃動或少量位移現象均有明顯改善，失穩率可達到0%。

根據堤后布置波高傳感器測試結果，隨著試驗水位的升高，堤后次生波逐步增強，且隨著越堤后傳播距離增加，沿程變化也均呈現逐步遞減減弱的趨勢。同時，波周期對堤后次生波影響顯著。以重現期100 a為例，設計高水位重現期100 a波峰作用場景與堤后次生波沿程變化趨勢如圖4所示。

4-a 堤頂越浪現象4-b 堤后次生波傳播沿程衰減圖4 優化對比方案重現期100 a波峰作用場景與堤后次生波沿程變化趨勢Fig.4 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the optimized comparison scheme

此時，對應波周期長短影響堤后次生波大小，優化對比方案中沿程各點T=15.12 s波周期所對應波高約比T=10 s時仍然要大，只是平均增大幅值降至26%，但也同樣表現為高水位時差異略小，而在低水位時差異會顯著增大。整體而言，優化對比方案堤后次生波有所增大，表明在堤頂高程不變的情況下，坡度增大后波浪更易爬高越浪，這在10 s波周期時表現得更為顯著。同時，越堤后衰減速率有明顯差異，設計方案的堤后次生波沿程衰減相對更快一些。上述結果反映出，中長周期波對于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波傳播衰減速率也均有不同程度的影響。

3 結論

(1)兩個方案越浪的著浪點位置均在防波堤內坡戧臺附近，設計方案時在設計低水位重現期100 a時越浪對內坡戧臺沖擊最大，其附近塊石發生位移失穩率最高。優化方案中由于戧臺頂淹沒水深增加，越堤水體沖擊減弱從而得到改善。

(2)相對設計方案，優化方案中堤頂越浪增大，越浪產生的堤后次生波最大值出現在極端高水位重現期100 a波浪作用下。相同工況下，縮短波周期(T=10 s)試驗堤頂越浪量有所減小，堤后次生波隨之減小。

(3)隨著越堤后傳播距離的增加，次生波沿程變化呈現逐步遞減趨勢，沿程各測點中T=15.12 s波周期所對應波高值均比T=10 s時更大，在低水位時這種現象更為明顯。同時，中長周期波對于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波傳播衰減速率也均有不同程度的影響。

(4)需要注意的是，結合堤后次生波傳播趨勢，后方碼頭距離防波堤軸線的距離建議盡可能避免受到越堤水體的直接影響，此時更應重視臺風大浪期等極端波況后的現場觀測和碼頭附屬設施的防護。