寬肩臺斜坡堤堤頭穩定性試驗研究

張 兵，劉鳴洋，朱穎濤*，陳漢寶

(1.山東省交通規劃設計院集團有限公司，濟南 250101；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程研究中心 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

寬肩臺斜坡堤為肩臺尺度較寬，在波浪作用下允許肩臺和坡面產生一定變形并形成動態平衡剖面的塊石護面斜坡堤，由于此種斜坡堤可以采用更輕的護面塊石重量，因此適用于現場附近有充足石料來源的地區。已有針對寬肩臺斜坡堤穩定性的研究主要采用斷面模型試驗，不能反映斜向浪作用下尤其是堤頭形態的變化規律，例如常見的半圓形堤頭，其有限區域內存在無限個迎浪方向，總有一部分處于非正向浪作用下，可能使得堤頭向港內側傾斜[1]。因此，針對寬肩臺斜坡堤堤頭穩定性開展三維模型試驗，能夠彌補二維模型試驗在描述堤頭整體形態上的缺陷，提升對防波堤堤頭等關鍵部位穩定性的認識水平，進而為其設計提供科學依據。

1 引言

諸多研究者中，謝世楞[1]對寬肩臺式斜坡堤的特點和設計中的主要問題，給出了斷面尺度、外坡和內坡護面塊石重量的確定方法、外坡的動態平衡剖面曲線以及堤頭型式等，提供了工程初步設計的參考。劉志遠等[2]通過開展斷面物理模型試驗研究，對寬肩臺式防波堤設計斷面尺度的確定、外坡塊石重量和級配的確定進行了較詳細的分析推理歸納。劉子琪等[3]通過對寬肩臺防波堤穩定性進行斷面模型試驗，闡述了寬肩臺式防波堤在不規則波及規則波作用下沖刷剖面的演變過程及最終動態平衡斷面，探討了寬肩臺式防波堤穩定性的試驗方法和程序。鄭子龍等[4]對寬肩臺式防波堤在不規則波作用下的變形進行了斷面試驗研究，描述了最終動態平衡斷面的形成過程，并對設計方案進行了優化，發現降低堤心石高程有利于穩定性。李珊等[5]采用了斷面物理模型試驗對寬肩臺堆石防波堤進行了穩定性試驗，發現護面塊石形狀和級配明顯影響護面破壞程度，護面層數越厚則波能損失越大，護面越穩定，同時還提出了描述護面變形的統計方法。陳謙等[6]將人工護面塊體斜坡堤與寬肩臺斜坡堤進行了對比分析，得出兩種不同結構形式在掩護效果、護面穩定性、石料用量、工程造價等方面的不同特點和差異性。周雅等研究者[7]利用斷面物理模型試驗，對不規則波作用下斜坡堤越浪量與各個影響因素之間的關系進行分析，發現對斜坡堤越浪量影響最大的因素為堤頂超高，肩臺及平臺寬度也是重要的影響因子，護面不同扭王字塊擺放型式下，護面層空隙率相同時，斜坡堤上越浪量也基本相同。戈龍仔等[8]運用波浪斷面物理模型試驗，對堤頂和設計斷面結構優化等措施進行了對比研究，發現擋浪墻頂高程的提高、擋浪墻前肩臺寬度增加和優化擋浪墻弧形斷面均對越浪量減少有利。

以上關于防波堤穩定性的研究成果中，全部都采用斷面物理模型試驗作為研究手段，因此研究的對象幾乎僅限于堤身形態的變化。實際上，寬肩臺防波堤堤頭護面塊石除了存在斷面內的物質輸移以外，還存在軸向或縱向移動，處于非正向浪作用下的護面塊石可能因重量不夠而向港內推移，嚴重時會造成整個堤頭在平面上向港內側傾斜。由于該現象無法通過斷面模型試驗描述，故本文通過開展三維模型試驗，對斜向浪作用下寬肩臺式斜坡堤堤頭的護面和護底形態變化過程進行觀察，并進行若干優化方案的試驗，揭示其動態平衡形態隨塊石重量變化或塊體種類改變的規律。

2 模型試驗資料

2.1 模型實例

模型試驗以福建省福清海亮沃口一級漁港東防波堤南堤頭為研究對象。該防波堤為寬肩臺斜坡堤[9]，總長1 550 m，如圖1所示。南堤頭附近區域防波堤外坡肩臺寬18 m，高程為5.0 m，肩臺以上坡度為1:2，肩臺以下坡度為1:1.5，堤頂高程10.0 m，堤頂寬度為8.0 m，內坡坡度為1:1.5；外坡設有二級壓載平臺，平臺寬20 m，高程為1.0 m，內、外坡及肩臺拋填0.8～2.5 t塊石。堤心拋填石料重量5～300 kg，外坡坡腳設有45 m寬的150～300 kg拋石護底。

南堤頭平面圖見圖2，斷面結構如圖3-a所示。對南堤頭設計了若干優化方案：優化方案一為南堤頭的4.5～5.0 m肩臺部分至1.0 m肩臺坡腳部分，以及堤頂至4.5～5.0 m肩臺之間的護面塊石部分，表層為2.0～2.5 t塊石，護底塊石改為0.5～2.0 t塊石，其表面1～2層為1.0～1.5 t塊石；優化方案二為優化方案一的基礎上，2.0～2.5 t塊石部分改為3.0～3.5 t塊石；優化方案三為干砌條石方案，即在優化方案二的基礎上，將所有護面塊石表面改為0.8 m×0.8 m×1.7 m干砌條石。三個優化方案斷面圖如圖3-b所示。

圖1 防波堤平面示意及試驗場地布置 圖2 南堤頭平面圖(單位：mm；高程：m)

3-a 原方案

3-b 優化方案圖3 防波堤堤頭斷面(單位：mm；高程：m)Fig.3 Cross-sectional view of the breakwater head

表1 計算點D波浪要素Tab.1 Wave parameters at location D

2.2 試驗水位和波浪要素

該漁港工程[9]N-S向朝向開敞大海，其中主浪向為SE向。本工程水文信息以1985國家高程為基準，據此采用的試驗水位如下：極端高水位(100 a)為4.65 m，設計高水位為3.15 m，設計低水位為-2.76 m，極端低水位(100 a)為-3.79 m。100 a一遇極端高水位疊加重現期100 a波浪，計算點D處H1%為6.76 m，H5%為5.77 m，H13%為5.01 m。波浪要素計算點如圖1所示，計算點波浪要素如表1所示。表1中破碎波浪為數值模擬計算所得[10]，而考慮到本試驗的造波設備可以造出對應波高且未破碎的波浪，本研究對于表1中顯示為“破碎”的波浪采用H1%對應的值進行造波控制。

3 試驗方法

3.1 試驗設施和模型制作

模型試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院綜合試驗廳中完成。模型按重力相似準則設計，采用正態、定床模型。試驗場地為42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(如圖1所示)，采用幾何比尺λ為40。模型中各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級配符合《防波堤與護岸設計規范》[11]中對于寬肩臺斜坡堤的規定，同時滿足《波浪模型試驗規程》的要求。造波采用總長40 m可移動推板式不規則波造波機及其控制系統。

防波堤形態變化，除進行肉眼觀察和直接測量外，亦采用三維激光掃描儀獲得被掃測物體表面前后形狀變化，其原理是利用激光測距，記錄被測物體表面大量點的三維坐標、反射率和紋理等信息[12]。

3.2 波浪模擬

根據《波浪模型試驗規程》(JTJ/T234-2001)[13]，寬肩臺式防波堤的斷面穩定性試驗應采用不規則波進行，因此，本研究的整體穩定性物理模型試驗采用不規則波進行。不規則波采用頻譜模擬，頻譜采用《港口與航道水文規范》(JTS 145-2015)[14]中的JONSWAP譜。其解析式為

(1)

(2)

(3)

(4)

波浪模擬按照先從低水位到高水位，再從高水位到低水位的循環，以模擬一次風暴潮過程。根據《波浪模型試驗規程》規定，每個試驗水位的波浪作用時間，以直至形成動態穩定形態為準，且不小于原體的2 h。模型試驗開始前，每個水位先用小波連續作用一段時間，以消除塊石擺放密實程度對變形結果的影響。

3.3 堤頭穩定性判定

完成從低水位到高水位，再從高水位到低水位的往復試驗后，對防波堤堤頭的最終動態穩定情況進行記錄。每個試驗水位造波直至形成動態穩定斷面后，對防波堤的形態進行觀察，并采用三維激光掃描儀等記錄堤頭輪廓變化，然后與前一試驗水位動態穩定形狀輪廓進行對比分析。根據《波浪模型試驗規程》，對于各級肩臺處的棱體塊石，參考寬肩臺式斜坡堤失穩條件進行判定，即堤心石外露時判定為失穩。

4 試驗結果與分析

4.1 原方案堤頭穩定性

對控制浪向SE向進行從低水位到高水位，再從高水位到低水位的循環往復試驗。本研究定義極端低水位—設計低水位—設計高水位—極端高水位—設計高水位—設計低水位—極端低水位的往復循環為一個完整水位循環。試驗中發現在每個水位條件下造波2 h(原體值)，堤頭均可形成該水位下的動態平衡形態。原方案堤頭試驗前和各個試驗水位下達到的動態平衡形態，依時間先后順序如圖4-a～圖4-h所示。

4-a 試驗前 4-b 極端低水位(累積作用2 h后) 4-c 設計低水位(累積作用4 h后) 4-d 設計高水位(累積作用6 h后)

4-e 極端高水位(累積作用8 h后) 4-f 設計高水位2(累積作用10 h后) 4-g 設計低水位2(累積作用12 h后) 4-h 極端低水位2(累積作用14 h后)圖4 堤頭形態變化

圖5 堤頭最終形態Fig.5 Final morphology of the breakwater head

根據試驗現象觀察，主浪向作用下，從極端低水位至設計低水位環節，大量150～300 kg護底塊石受波浪沖刷攜帶作用，沿堤頭環向即東西兩側推移，并圍繞堤頭中心形成環形凸起(如圖4-b和4-c)，與二級肩臺護面塊石坡腳的距離由28 m、31 m和36 m縮小至19 m、21 m和28 m；在設計高水位至極端高水位再至設計高水位的對應波浪作用下，4.5～5.0 m肩臺最南端部位0.8～2.5 t塊石有明顯滾動移位，但并未露出堤心石，堤頂的1～2層0.8～2.5 t護面塊石在極端高水位下原位置滾動較明顯，同時150～300 kg護底塊石受波浪作用沿徑向(向堤頭中心方向)被沖刷至1.0 m和4.5～5.0 m肩臺上(如圖4-d～4-f)；在往復循環的設計低水位至極端低水位環節，150～300 kg護底塊石再次形成圍繞堤頭中心的環形凸起，其位置相比極端低水位至設計低水位環節更加靠近堤頭中心(如圖4-g和4-h)，與二級肩臺護面塊石坡腳的距離由9 m、10 m和11 m縮小至8 m、8 m和10 m。在堤頭西邊港側部分，150～300 kg護底塊石在波浪的沖刷攜帶作用下沿環向移動，在內坡形成了堆積體。在經歷一個完整水位循環往復試驗后，堤頭的最終動態平衡形態如圖5所示。

對堤頭地形進行三維激光掃描，得到各個試驗水位波浪作用后的三維形態，從三維形態中沿圖5虛線位置提取斷面輪廓，得到各個試驗水位所達到的動態穩定斷面如圖6所示。由圖6可知，護面塊石在兩個肩臺向港側的轉角處均形成了S形剖面，尤其以5.0 m肩臺處最為明顯；隨著各個水位試驗的進行，150～300 kg護底塊石的環形凸起逐漸向堤頭中心靠攏。

圖6 原方案堤頭斷面輪廓變化

圖7 優化方案一堤頭試驗前后形態Fig.7 Original and final morphology of the breakwater head of optimized scheme 1

4.2 優化方案一堤頭穩定性

原設計方案護面塊石產生了較明顯的S形剖面形狀，且護底塊石在設計低水位和極端低水位下發生了更加明顯的輸移現象，且都是從表面部分的塊石輸移開始演變。針對原設計方案表面塊石質量較小的問題，提出了優化方案一。對優化方案一進行從低水位到高水位，再從高水位到低水位的循環往復試驗，并對寬肩臺防波堤南堤頭試驗前和所有試驗水位波浪作用后達到的動態平衡形態進行記錄，結果如圖7所示。對堤頭進行三維激光掃描，得到最終的動態穩定三維形態，從三維形態中沿圖7中虛線位置提取斷面輪廓，得到最終斷面如圖8所示。由圖8可知，在兩個肩臺向港側的轉角處形成的S形剖面特征，相比原方案明顯減弱，這是因為該優化方案表面1～2層護面塊石采用了更大質量(2.0～2.5 t)，增強了穩定性；該優化方案采用的0.5～2.0 t和1.0～1.5 t護底塊石由于質量明顯大于原方案，因此在各個試驗水位下均未有明顯輪廓變化。因此，優化方案一的穩定性相比原設計方案具有明顯的改善。

圖8 優化方案一堤頭斷面輪廓變化Fig.8 Morphological change of the optimized scheme 1 in cross-sectional view

4.3 優化方案二堤頭穩定性

優化方案一中，表面2.0～2.5 t護面塊石相比原設計方案其穩定性明顯提高，但仍存在可見的輪廓形狀變化，故繼續增大護面塊石表面部分的質量至3.0～3.5 t，形成優化方案二。對優化方案二進行從低水位到高水位，再從高水位到低水位的完整往復循環試驗，并對寬肩臺防波堤南堤頭試驗前和所有試驗水位波浪作用后達到的動態平衡形態進行記錄，結果如圖9所示。根據試驗現象觀察，堤頭表面1～2層3.0～3.5 t塊石由于質量相比優化方案一進一步增大，其在完整循環往復試驗后并未形成明顯可見的S形剖面，而是僅發生個別塊石原位置滾動。因此，優化方案二的穩定性相比優化方案一得到進一步提升。

4.4 優化方案三堤頭穩定性

除了利用工程現場附近的塊石以外，本研究還考慮和評估了人工護面塊體——干砌條石的穩定性，比較其和拋石護面塊體的性能區別，由此形成優化方案三。對優化方案三進行從低水位到高水位，再從高水位到低水位的循環往復試驗，并對寬肩臺防波堤南堤頭試驗前和所有試驗水位波浪作用后達到的動態平衡形態進行記錄，結果如圖10所示。根據試驗現象觀察，堤頭表面0.8 m×0.8 m×1.7 m干砌條石在完整循環往復試驗后保持了很好的穩定性，與表層為1.0～1.5 t護底塊石銜接處保持穩定，而在海側與其北邊3.0～3.5 t護面塊石銜接處，發生了錯動倒伏現象。干砌條石方案的斜坡堤穩定性評估宜參照常規斜坡堤穩定性標準，在此標準下，本文所研究的斜坡堤穩定性良好。另外，堤頭和堤身銜接處為防波堤的薄弱環節，設計和施工時應保證質量。

圖9 優化方案二堤頭試驗前后形態 圖10 優化方案三堤頭試驗后形態

4.5 塊石穩定重量分析

根據《防波堤與護岸設計規范》，寬肩臺斜坡堤在設計中其護面塊石的穩定重量為一般斜坡堤拋填塊石穩定重量的1/20～1/5。一般斜坡堤護面塊石穩定重量計算公式如下

(5)

式中：h為單個塊石的重量，t；γb為塊石材料重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；H為設計波高，m，本文取H5%；KD為塊石穩定系數，對于拋填2層取4.0；α為斜坡與水平面夾角，(°)。

根據《防波堤與護岸設計規范》，干砌條石護面層厚度計算公式如下

(6)

式中：h為干砌條石護面層厚度，m；m為坡度系數，這里取2；A為系數，對于斜縫干砌取1.2；d為堤前水深，m。結合本試驗實例的波長值，設計波高H取H13%。

表2 護面塊石穩定重量Tab.2 Stable weight of armor stone

表3 干砌條石穩定厚度Tab.3 Stable height of dry-laid square stone

由規范計算所得護面塊石穩定重量和干砌條石穩定厚度分別如表2和表3所示。計算結果表明，100 a波浪條件下，寬肩臺防波堤的肩臺護面塊石重量取0.8～2.5 t，理論上重量合理。但從試驗現象分析，防波堤堤頭的原設計方案護面塊石剖面變化明顯，增加表層護面塊石重量至3.0～3.5 t，形成S形剖面的趨勢才基本消失。這是因為寬肩臺堤頭護面塊石穩定重量比堤身護面塊石所需穩定重量通常要大(一般為1.6～3.1倍)[1]，以保證堤頭的穩定性。通過對比規范中干砌條石護面層厚度公式計算值(見表3)與優化方案三采用的厚度，可知干砌條石厚度取1.7 m滿足穩定性要求。

5 結論

本文針對寬肩臺斜坡堤堤頭穩定性，開展了三維物理模型試驗研究。研究了不同護面塊石重量下，堤頭動態穩定剖面的變化規律。試驗結果表明：

(1)斜向浪作用下，以堤頭端點為圓心，高水位情況下護底塊石主要沿徑向推移至肩臺，而低水位情況下則沿環向往堤頭兩側發生輸移。

(2)寬肩臺斜坡堤堤頭護面塊石的S形動態穩定剖面特征隨著塊石重量的增加而減弱，堤頭護面塊石所需穩定重量一般為堤身塊石所需穩定重量的1.6～3.1倍。

(3)相較于不能反映斜向浪作用的斷面試驗，三維試驗能夠反映寬肩臺斜坡堤堤頭的空間物質輸移現象和規律以及堤頭與堤身塊石穩定重量的差異，可為工程設計提供更準確的參考依據。