漁港升級改造水工斷面物理模型試驗研究

【摘 " "要】：為解決不同波浪要素條件下防浪堤的穩定性問題，以山東省海陽市順鑫漁港升級改造工程為研究對象，采用室內試驗的方法建立水工斷面物理模擬試驗模型，研究3種不同水工斷面的穩定性及堤前最大底流速。結果表明，在極端高水位，H1%規則波及H13%不規則波波浪作用下，斷面A（頂高程7.7 m）胸墻不穩定，越浪量較大，其余工況斷面胸墻、護面塊體及護底塊石均保持穩定；在極端高水位、設計高水位及設計低水位，H1%、H5%和H13%規則波及不規則波波浪作用下，斷面C（頂高程8.5 m）和斷面B（頂高程8.5 m）各結構構件均保持穩定；A斷面、B斷面和C斷面的最大堤前底流速可達3.8 m/s，對應的護底塊石穩定質量在150～400 kg，與試驗觀察結果相符。

【關鍵詞】：防波堤；漁港；升級改造；物理模型試驗；水工斷面

【中圖分類號】：U656 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）04-32-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.008

Experimental Study on Physical Model of Hydraulic Section for Upgrading and Renovation of Fishing Port

LI Xiao

（Shandong Gangtong Engineering Management Consulting Co. Ltd.，Yantai 264000，China）

【Abstract】：In order to solve the stability problem of breakwaters under different wave element conditions， the upgrading and renovation project of Shunxin Fishing Port in Haiyang City， Shandong Province was taken as the research object. A physical simulation test model of hydraulic cross-sections was established using indoor testing methods， and the stability of three different hydraulic cross-sections and the maximum bottom flow velocity in front of the breakwater were studied. The results show that under extreme high water levels， H1% regular waves and H13% irregular waves， the breast wall of section A （top elevation 7.7 m） is unstable with a large amount of overtopping， while the breast wall， protective surface blocks， and bottom protection stones of section remain stable under other working conditions; Under the action of extreme high water level， design high water level， and design low water level， H1%， H5% and H13% regular and irregular waves， the components of section C （top elevation 8.5 m） and section B （top elevation 8.5 m） remain stable; The maximum bottom flow velocity in front of the embankment for sections A， B and C can reach 3.8 m/s， and the corresponding stable weight of bottom protection stones is 150～400 kg and is consistent with the experimental observation results.

【Key words】：breakwater; fishing port;upgrading and renovation; physical model testing; hydraulic section

水工斷面物理模型試驗是針對海港升級改造項目進行的一項關鍵研究，旨在評估水文水力性能和安全性[1]。本文嘗試結合工程實際，運用室內試驗的方法建立水工斷面物理模擬試驗模型，研究3種不同水工斷面的穩定性及堤前最大底流速，試驗考慮了不同的波浪要素、規則波和不規則波等因素，研究成果能夠為海陽市順鑫漁港升級改造提供重要的參考和指導，促進改造工程的順利進行。

1 工程概況

山東省海陽市順鑫漁港建成時間較短，使用過程中存在以下問題：由于建成后未進行港池疏浚，港池和航道水深不足，不能滿足大馬力漁船的正常航行和靠泊需求；因防波堤未建設擋浪墻，碼頭面上水較嚴重，曾發生過海浪將碼頭面上電線桿沖毀的情況；碼頭外側采用塊石護面，護面塊體大小不均勻，小塊石容易被掏蝕，目前防波堤堤頭段已經出現塊石掏蝕現象，急需進行防護；東側防波堤護面塊石頂部縫隙較大、垃圾較多，存在一定的安全隱患。結合存在的問題及發展要求，對順鑫漁港進行升級改造和整治維護。為了驗證、測量碼頭兼防波堤結構設計斷面在極端高水位、設計高水位與設計低水位波浪作用下的穩定性，測定防波堤結構在波浪作用下的堤前最大底流速，設計推薦斷面結構提出優化建議，展開物理模型試驗。

2 水工斷面水槽物理模擬試驗設計

2.1 物理模型試驗斷面

海陽市順鑫漁港升級改造斷面物理模型試驗在寬斷面波流水槽中進行，水槽長60.0 m、寬3.0 m、深1.5 m。測試斷面工況有3種，分別為斷面A（頂高程7.7 m）、斷面B（頂高程8.5 m）、斷面C（在斷面A的胸墻穩定性試驗基礎上，調整頂高程至8.5 m）。見圖1。

主要測試內容包括在設計高水位、極端高水位條件下，采用H1%波要素（規則波）測定斷面胸墻及護面塊體的穩定性[2～3]；在極端高水位、設計高水位、設計低水位條件下，采用H5%和H13%波要素（規則波）測定斷面5 t扭王字塊體護面、蹬腳棱體、塊石墊層、護底塊石等的穩定性[4]；在極端高水位、設計高水位、設計低水位條件下，采用不規則波測定斷面塊體護面、蹬腳棱體、塊石墊層、護底塊石等的穩定性及給出波浪作用下的堤前最大底流速[5～7]。

2.2 試驗設備和試驗方法

水槽底部、槽首造波機安裝段及槽尾消能區均為混凝土結構，中間試驗段采用鋼架結構，兩個邊壁鑲嵌15 mm厚的玻璃。造波機安裝在水槽的首端，為低慣量伺服電機推板式造波機，另一端為消能設施。見圖2。

試驗波高測試采用交通運輸部天津水科院生產的BG2008型數據采集及處理系統和配套的電容式波高傳感器（浪高儀）；該系統性能穩定，測試分辨率1 mm，誤差在±1.0%F.S，滿足試驗要求。底流速測定采用聲學多普勒流速計ADV，性能穩定滿足試驗要求[8]。

為得到所需的波浪要素，需在水槽內試驗位置布置高精度浪高儀，將測得的波面時間序列進行譜分析，與相應的理論波譜進行比較，以制造符合實際條件的造波信號。在入射波率定過程中，務必使造波機產生的波形平穩、波浪重復性好，波高儀的線性允許偏差在±2%之內，率定波浪的平均波高與周期的允許誤差控制在±5%。在波浪穩定的條件下，連續采集的規則波波浪數不少于11個，取其平均值作為代表值；不規則波不少于100個，H1%、H5%、H13%和T允許誤差控制在±5%之內[9～10]。見表1和表2。

穩定性試驗中，胸墻模型、護面塊體、墊層、護底塊石等要滿足縮尺1∶25的要求。需要驗證穩定性的結構部分，模型的重心和質量滿足與原型相似的要求，重心位置允許偏差為±2 mm，質量允許偏差為±3%。單個護面塊體質量允許偏差為±5%。

綜合考慮試驗水槽的條件及塊體數等要素，試驗前將3 m寬水槽沿寬度方向分成2格，分別為0.8、2.2 m。寬度0.8 m的窄水槽放置模型，另一側用于消能，以減少造波機推板二次反射的影響。在模型前方的水槽底鋪設一緩坡地形，使模型處可產生規定要求的波浪要素。試驗時，為使波浪有足夠時間達到穩定傳播狀態，造波機與建筑物模型的間距應＞6倍平均波長，兼顧試驗室條件，將試驗模型安放在距離造波板34 m處。試驗模型制作采用預制構件現場安裝組合的方式，模型尺寸、質量等滿足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》要求。

首先，按照重力相似原則制作上部胸墻的混凝土模型；在水槽中拋填經過清洗篩選過的堤心石（0.64～6.4 g）并修筑與原型相同坡度的碎石斜坡；在斜坡底部依次鋪設護底塊石（19.2～32 g），護底塊石滿足幾何相似與重力相似準則；在斜坡上安裝胸墻，鋪設塊石墊層（19.2～32 g）及護面塊體（320 g扭王字），胸墻、塊石墊層與護面扭王字塊也均滿足幾何相似與重力相似準則。見圖3。

然后，在結構模型試驗位置放置浪高儀測定波浪，得到模型試驗依據波的波要素；觀察胸墻結構、護面結構、護底結構等是否在波浪作用下失穩。

最后，在堤腳前設置流速計測量裝置測量堤前底流速，探頭測量位置在水底上方2 cm，相對實際海底上方50 cm；每個試驗組次至少進行3次，穩定性試驗每次護面塊體均重新擺放，最大流速取3組試驗最大流速值的最大值，試驗全程錄像。

3 試驗結果

3.1 穩定性

穩定性試驗共8種工況。

3.1.1 A斷面

在極端高水位H1%波高作用下，胸墻出現明顯晃動，失穩，越浪量較大，濺浪距離較大。極端高水位H5%波高及設計高水位H1%、H5%波高作用下，斷面整體穩定；護底塊石、護面塊石以及扭王字塊護面塊體均保持穩定。見表3。

3.1.2 B斷面

在波浪作用下整體穩定，胸墻、護底塊石、扭王字塊護面塊體均保持穩定。見表4。

3.1.3 C斷面

在波浪作用下整體穩定，胸墻穩定，護底塊石、扭王字塊護面塊體均保持穩定。見表5。

3.2 最大底流速度

A斷面測試的最大底流速度為0.68 m/s，B斷面測試的最大底流速度為0.68 m/s，C斷面測試的最大底流速度為0.69 m/s；原型最大底流速度按相似性原則進行反算，假設物理模型中的最大底流速度（Vm）和長度比尺（Lr），則原型的最大底流速度（Vp）可以通過Vp=Vm/Lr計算得出，原型A斷面測試的最大底流速度結果為3.40 m/s，B斷面測試的最大底流速度為3.80 m/s，C斷面測試的最大底流速度為3.45 m/s。見圖4。

根據JTS 208—2020《防波堤與護岸施工規范》護底塊石的穩定質量與堤前波浪底流速對應表，原型所有斷面的最大底流速度介于3～4 m/s，穩定質量介于150～400 kg，與穩定性試驗觀察結果相符。

3 結論

1）在極端高水位，H1%規則波及H13%不規則波波浪作用下，斷面A胸墻不穩定，越浪量較大，建議優化胸墻結構及頂高程。在極端高水位，H5%規則波；設計高水位及設計低水位，H1%、H5%和H13%規則波及不規則波波浪作用下，斷面A胸墻、護面塊體及護底塊石均保持穩定。

2）在極端高水位、設計高水位及設計低水位，H1%、H5%和H13%規則波及不規則波波浪作用下，斷面C和斷面B的胸墻、扭王字護面塊體、護底塊石均保持穩定。

3）斷面B、斷面C在極端高水位、設計高水位、設計低水位工況，護底300～500 kg塊石個別有輕微晃動和微量位移，后趨于穩定，未喪失護底功能，判斷為穩定；在極端高水位、設計高水位及設計低水位規則波及不規則波波浪作用下，斷面A、斷面B的最大堤前底流速可達3.8 m/s，對應的護底塊石穩定重量在150～400 kg，300～500 kg能夠滿足設計要求，與試驗觀察結果相符。

參考文獻：

[1]鐘 " "杰，王文飛，沈雨生.涌浪條件下斜坡式防波堤越浪量的對比分析[J].水運工程，2020，（9）：50-55+131.

[2]肖立敏，王海龍，孫林云.東營港區航道工程潮流物理模型試驗研究[J].水運工程，2020，（4）：66-69+138.

[3]伊 " "鋒，房克照，孫家文，等.滲透潛堤對沙灘剖面演化影響的物理模型試驗研究[J].海洋與湖沼，2022，53（4）：951-959.

[4]王 " "俊，尤再進，梁丙臣.風暴浪作用下沙質岸灘穩定機制物理模型試驗研究[J].海洋與湖沼，2022，5（4）：933-950.

[5]王 " "昊，張慈珩，劉海源，等.越南茶榮沿海港口波浪三維整體物理模型穩定性研究[J].水運工程，2022，（12）：62-67.

[6]潘天嬌，馮 " "曦，倪興也，等.可透浪斜坡式防波堤透浪系數對入射波要素的響應[J].河海大學學報（自然科學版），2022，50（2）：45-53.

[7]李 " "堯，李啟況，李佳昊，等.規則波作用下斜開槽防波堤的波浪力研究[J].海洋湖沼通報，2022，44（5）：1-8.

[8]劉 " "輝，倪靖宇，于蘊澤.基于物理模型試驗法的雙層扭王字塊體護面結構穩定性研究[J].水運工程，2021，（11）：74-80.

[9]戈龍仔，欒英妮，陳漢寶，等.斜向波作用下防波堤銜接段塊體的穩定性和沉箱結構上波浪力試驗研究[J].海洋通報，2021，40（1）：113-120.

[10]周 " "超，寇海磊，閆正余，等.砂土地基中箱筒型防波堤基礎穩定性試驗研究與機理分析[J].海洋工程，2021，39（6）：47-56.