加納特馬新港防波堤斷面優化試驗研究

嚴士常，王廣生，陳國平，楊越，鄭金海*

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；2.中國港灣西部非洲區域公司，科特迪瓦阿比讓 06BP6687；3.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210024；4.河海大學水科學研究院，江蘇 南京 211106）

0 引言

由于中長周期波浪對斜坡式防波堤作用十分復雜，在實際工程設計時，需要通過物理模型試驗來進行驗證。張先武等[1]以印尼Karang Taraje碼頭工程為例，進行了防波堤斷面結構設計和優化，并通過物理模型試驗進行驗證；李懿等[2]結合某海外項目，通過對其防波堤堤根段進行波浪局部整體物理模型試驗，研究斜向中長周期涌浪作用下斜坡堤結構的穩定性，并對結構進行了優化；鐘杰等[3]以某一具體港口防波堤工程為例，通過波浪斷面和局部整體物理模型試驗，對涌浪作用下斜坡堤堤腳塊石的穩定性進行了研究，將正向和斜向波浪作用下斜坡堤堤腳塊石的穩定性結果進行對比并對原設計方向進行了優化；陳昊哲等[4]結合斯里蘭卡某深水防波堤工程，通過波浪斷面物理模型試驗對防波堤的設計進行優化，提出可通過適當降低內坡棱體平臺的高程來提高防波堤在波浪作用下的穩定性。黃河等[5]依托緬甸某電廠碼頭工程，通過波浪物理模型試驗驗證了防波堤結構各部位穩定性，測定了堤后次生波傳播變化規律，并對設計方案斷面進行了優化。柳玉良等[6]研究了周期對防波堤護面塊體的影響規律，認為波陡為0.04 時護面塊體的穩定性最差。陳松貴等[7]在大水槽中采用大比尺研究了珊瑚礁地形上防波堤堤頂越浪量，王聰等[8]也研究了斜坡堤堤頂越浪量。本文以加納特馬新集裝箱碼頭防波堤工程為例開展波浪水槽物理模型試驗，研究在中長期波浪作用下斜坡堤結構的穩定性，并對結構進行了優化。

1 工程概況

加納特馬港新集裝箱碼頭工程位于非洲西海岸幾內亞灣的北側（圖1），受南大西洋咆哮西風帶產生的涌浪影響，灣內波浪周期長[9]。工程海域水位為0 m 及2.3 m 時（本文均為海圖基準面CD），堤前100 a 一遇設計波浪有效波高為3.2 m，譜峰周期為17 s，堤前設計波浪方向在175°左右，堤前波浪玫瑰圖[10]見圖2，其中Hs為有效波高。灣內風暴持續時間很長，基于1979—2015 年海浪資料中波高最大的12 個波浪過程，得出不同有效波高波浪的風暴持續時間，其中波高大于0.925 倍最大波高的波浪持續時間超過20 h，大于0.95 倍最大波高的波浪持續時間大于14 h[10]，如圖3 所示。

圖1 特馬港新集裝箱碼頭工程位置圖Fig.1 Location of new container terminal project in Tema Port

圖2 堤前不同波高的平均方向和出現頻率的波浪玫瑰圖Fig.2 Wave rose diagram of mean direction and occurrence frequency for different wave heights in front of breakwater

碼頭工程分兩期實施，一期及二期工程設計并建造4 個15 萬噸泊位，采用沉箱重力式結構，上部結構為現澆混凝土胸墻與混凝土面層。碼頭岸線總長度1400 m，碼頭前沿停泊水域水深-16.9 m，碼頭面高程為+4.0 m。設計并建造1 座L 形防波堤，平面布置見圖4，西堤（CH+0 m—CH+1 400 m）為堤根段，東堤（CH+1 400 m—CH+3 600 m）為堤頭段。考慮到項目施工順序，擬先建設堤根段（約1 400 m 長），為驗證堤根段斜坡堤的結構穩定性并對結構進行優化，對堤根段進行了專項研究。

圖4 特馬港新集裝箱碼頭工程平面布置圖Fig.4 Plan layout of new container terminal project in Tema Port

2 試驗方案

2.1 試驗波浪要素

根據數模計算的結果[10]選取試驗波浪要素（表1），水位2.0 m 時1 a 一遇波浪用于預備試驗，在正式試驗之前作用3 h，減小偶然誤差；水位2.3 m 時100 a 一遇加大20%波浪用于驗證斷面安全富裕，波浪入射角為175°，入射波波向線與防波堤堤軸線法線呈56°的夾角。

表1 試驗波浪要素Table 1 Experimental wave characteristics

2.2 堤身結構

堤身結構設計方案剖面結構如圖5 所示。泥面高程-7.8 m，塊體頂高程為5.11 m，堤心為1～1 000 kg 塊石，迎浪側斜坡坡度為1 ∶1.5，-4.10～+5.11 m 范圍內均為ACCROPODE II 護面塊體，護面墊層厚度為1 100 mm 的300～500 kg 塊石，-6.20～-4.10 m 范圍為2～5 t 塊石，-7.8～-6.2 m 由300～500 kg 的護底塊石和碎石墊層構成。背浪側斜坡坡度為1∶1.25，-4.0～+5.5 m 范圍內均為2～5 t 的塊石，護面墊層厚度為1 100 mm 的300～500 kg 塊石。

圖5 防波堤斷面圖Fig.5 Cross-section diagram of breakwater

2.3 試驗方法

試驗在波浪水槽（長80 m、寬1.0 m、深1.5 m）內進行，水槽一端裝有不規則波造波機，可以按照要求模擬規則波和各種譜型的不規則波，按照正態重力相似準則設計模型，綜合考慮確定模型幾何比尺為1∶30，模型中各種塊石和人工塊體按重力比尺挑選，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求，自背浪側堤腳處布置了3 根波浪儀，間距50 m（原型值）用于監測防波堤堤后次生波傳播過程。試驗過程全程使用高清攝像機進行錄像，在迎浪面和背浪面上部均裝有高清攝像頭拍攝每組試驗前后的照片和視頻，用于輔助觀測護面塊體的位移。

護面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，本工程中護面塊體不允許失穩，護面塊體是由水泥制成，并在表面涂漆來防水，本試驗中每個塊體的重量約為170 g，塊體按照相關規定隨機擺放（圖6）。

圖6 模型中Accropode II 塊體的擺放Fig.6 Placement of Accropode II units in model

塊石翻滾或者位移超過半倍塊石尺寸視為失穩，堤腳塊石穩定性采用失穩數Nod[11]判別，具體公式如下：

式中：Ndisplaced為塊石失穩個數；Wsection為試驗斷面寬度；Dn為塊石粒徑，通常采用D50。

堤頂塊石及堤后斜坡塊石穩定性試驗使用失穩率來表示，失穩率使用以下表達式：

式中：N 為作用區域塊體總數，其中迎浪側總數為靜水位上、下1 倍設計波高范圍內的護面塊體總數，堤頂和背浪側均為全部的塊石數量。Rate＞3%判定為失穩。

3 試驗結果及分析

3.1 防波堤設計斷面穩定性

表2 為防波堤斷面物理模型試驗結果，設計方案在T2 組次中，堤腳塊石、ACCROPODE II 護面塊體均滿足穩定要求。堤頂2～5 t 塊石失穩率大于3%，圖7 為設計斷面在T2 試驗組次波浪作用下前后背浪側對比，從圖中可以明顯發現塊體的滾落，在整個試驗過程中防波堤堤頂有7 塊塊石移動，不能滿足穩定性要求，這是由于防波堤堤頂高程較低，越浪量較大，越浪形成成片水體直接沖擊堤頂和背浪側的塊石，越浪流水平方向的作用較大引起堤頂塊石失穩。

表2 原設計防波堤設計斷面塊石穩定性結果Table 2 Stability results of block stones for designed section of original design breakwater

圖7 原設計斷面在T2 試驗組次波浪作用前后背浪側對比圖Fig.7 Comparison diagram of original designed section on leeward sides before and after wave action in T2 experiment

3.2 防波堤優化斷面試驗

由于堤頂越浪較大，設計斷面堤頂塊石失穩率不滿足穩定要求，進行優化研究，提高堤頂高程是減小堤頂越浪量最有效的措施。為了對比堤頂高程對堤頂塊石穩定性影響，進行3 個優化方案試驗，優化方案一：塊體頂高程抬高至6.01 m；優化方案二：塊體頂高程抬高至6.51 m，見圖8（a）和（b）。T2 試驗工況下試驗結果見表3。

表3 T2 試驗工況下各防波堤設計斷面的塊石穩定性結果對比Table 3 Comparison of stability results of block stones for different designed sections of breakwater under T2 experimental condition

圖8 優化方案防波堤斷面圖Fig.8 Sectional diagram of optimized design breakwater

隨著堤頂高程增加，越浪量減小，堤頂越浪流水平方向的作用減弱，堤頂塊石失穩率下降明顯；隨著堤頂高程增加，越浪量雖然減小，但越浪水體和迎浪面斜坡相互作用下越過堤頂直接沖擊在背浪側，沖擊作用增強，并且背浪側斜坡較陡，沖擊水流作用下穩定性較差，斜坡塊石滾落的數量增多，失穩率逐漸增加，超過3%的控制標準，不能滿足穩定要求。

為了比較背浪側斜坡坡度對塊石穩定的影響，進行一個優化方案試驗，稱之為優化方案三：堤頂高程為6.51 m，迎浪側300～500 kg 的護底塊石被移除，背浪側斜坡由1 ∶1.25 放緩至1 ∶1.5，如圖8（c）所示。T2 試驗工況下試驗結果見表3，背浪側斜坡坡度變緩有利于塊石穩定，坡度變緩使得該處的塊石失穩率下降到2.4%，符合穩定性的控制標準。在斜坡式防波堤設計中，優化設計方案可以從調整堤頂高程和護面斜坡的坡度等角度入手，其中對于背浪側斜坡塊石的穩定性應該重視。

3.3 波浪斜向入射折減對原設計斷面穩定性的影響

波浪入射角和防波堤斷面堤軸線法線的夾角為56°，而斷面試驗中按照正向入射模擬，波浪斜向入射和正向入射對防波堤穩定的影響不同，特別是受越浪水體作用的堤頂及堤后塊石穩定性差別較大，由于試驗條件限制，需要對試驗波浪進行修正。根據Galland[12]的研究成果，可以對入射波的波高進行折減，折減公式為：

式中：Hseq為折減后入射波的有效波高；Hs′為未被折減入射波的有效波高；β 為入射波波向線與防波堤堤軸線的夾角；x 為經驗系數，其中當護面塊體采用ACCROPODE 時，對于計算越浪量所采用的經驗系數為0.75。本次試驗的折減波浪見表4，需要說明，Galland[12]試驗采用的譜峰周期范圍為0.71～1.50 s。

表4 試驗波浪要素Table 4 Experimental wave characteristics

表5 為T3、T4 組次作用下原設計斷面穩定情況，其中T4 組次采用的是1.2 倍的100 a 一遇波浪入射，各部位均滿足穩定性的要求，2 組試驗堤頂塊石均沒有失穩，背浪側斜坡塊石失穩率均小于3%，滿足失穩率標準。河海大學采用模型比尺為40.2 的整體物理模型試驗成果[13]表明，CH+1 240 m—CH+1 400 m 堤段堤頂塊石失穩率為1.4%，堤后斜坡塊石失穩率為1.0%，均小于3%，滿足穩定要求。由此可見，采用折減波浪的試驗結果和波浪整體物理模型試驗堤頂和堤后斜坡塊石失穩率雖有差別，但結果差別不大，均滿足穩定要求。波浪斜向入射工況下，沒有條件開展整體物理模型試驗時，可在斷面物理模型試驗中采用折減波浪試驗成果代表波浪斜向作用對堤頂及堤后斜坡塊石穩定的影響。盡管本文采用的波浪周期超出Galland[12]試驗的周期范圍，但試驗結果表明該折減公式依然適用。

表5 折減波浪作用下原設計防波堤設計斷面塊石穩定性結果Table 5 Stability results of block stones for designed section of original breakwater design under reduced wave action

3.4 堤后次生波高分析

當波浪越過堤頂形成越浪，越浪在堤頂形成越浪流，可能沖刷并破壞斜坡堤堤面，之后在港內形成堤后次生波，對于港內船舶的泊穩產生較大的影響。以T2 試驗工況為例，不同設計斷面下堤后次生波波高沿程傳播變化趨勢見圖9，從圖9（a）中可知，提高塊石堤頂高程使得堤后次生波波高顯著下降，從圖9（b）中可知，堤后次生波的波周期隨著堤頂高程的提高而增大，并且與入射波周期相比有較大的變化，這是因為提高塊石堤頂高程導致越浪水體減少。總體上看，由越浪產生的次生波強度不大，對港內影響較小。

圖9 不同設計斷面下堤后次生波沿程傳播變化趨勢Fig.9 Variation trend of secondary wave propagation along coastline behind breakwater for different design sections

4 結語

1） 試驗結果表明，抬高斜坡式防波堤堤頂塊石高程能有效改善堤頂塊石的穩定情況。

2） 堤后斜坡塊石穩定性并不一定隨著堤頂高程增加而提高，結合抬高堤頂高程和減小堤后斜坡坡度2 種方式可有效增加堤后斜坡護面塊石穩定性。

3） 波浪斷面試驗中將斜向入射波浪概化成正向入射波浪使得實驗結果偏安全，沒有條件開展波浪整體物理模型的時候，可以采用對波高進行折減的方法考慮斜向入射的影響。總體上看堤后次生波強度不大，在風暴過后應特別注意監測并及時維護設施。