斜向长周期涌浪作用下斜坡式防波堤结构稳定性优化

斜向长周期涌浪作用下斜坡式防波堤结构稳定性优化

李懿;牛红林;薛丁源

【摘要】海外港口工程大部分位于以长周期涌浪影响为主的海域,长周期涌浪对防波堤的作用尚未得到全面认识和研究,尤其是斜向入射的情况.以某一具体港口防波堤工程为例,通过波浪局部整体物理模型试验,对斜向长周期涌浪作用下斜坡堤结构的稳定性进行了研究,并根据试验结果对原方案进行优化,提出了稳定的斜坡堤结构.研究结果表明,斜向波浪作用时,相同水深、波向以及波高情况下,入射波浪周期越长则护面块石失稳率越大;相同水深、波高以及波浪周期情况下,波浪15°角斜向入射时沿堤形成的沿堤流对护面的冲蚀破坏作用比波浪基本顺向入射时的情况更为强烈,护面块石失稳率相比较大.

【期刊名称】《水运工程》

【年(卷),期】2018(000)009

【总页数】7页(P69-75)

【关键词】斜向;长周期涌浪;斜坡堤;稳定性;3D模型试验

【作者】李懿;牛红林;薛丁源

【作者单位】中国港湾工程有限责任公司,北京100027;中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230;中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230

【正文语种】中文

【中图分类】U656.31

随着我国“一带一路”政策的实施，海外港口工程项目逐年增多，且大部分位于以长周期涌浪为主的海域。与国内防波堤设计波浪周期通常10 s左右相比，以长周期涌浪为主的海域主浪向波浪周期通常为15～18 s，长周期涌浪对防波堤的作用尚未得到全面认识和研究，尤其是斜向入射的情况。

斜坡堤是港口工程中重要的水工建筑物，是防波堤最常采用的结构形式。关于斜坡式防波堤设计，JTS145—2015《港口与航道水文规范》[1]采用Hudson公式计算护面块体的稳定质量，同时指出对于设计波浪平均周期大于10 s 或设计波高与设计波长之比小于1/30 的坦波，块体质量应进行模型试验验证。目前欧美国家大多采用Vandermeer公式计算护面块体的稳定质量，与Hudson公式相比，Vandermeer公式考虑了更多因素的影响[2-3]。但是Vandermeer公式是基于

2D水槽断面试验结果得出的，对于斜向波浪作用下的情况，现行的欧洲标准The rock manual指出斜向波浪作用下的斜坡堤护面块体的稳定性需要通过物理模型试验进行验证。目前已有一些关于长周期涌浪对斜坡堤作用的成果：柳玉良等[4]试验研究了波浪周期对防波堤护面块体稳定性影响；张先武等[5-6]以印尼Karang Taraje码头工程为例，通过波浪断面和整体物理模型试验，对长周期涌浪作用下斜坡式防波堤结构的优化设计进行了研究；周加杰等[7]以印尼Adipala防波堤工程为例，结合波浪断面物理模型试验和现场施工实践分析了印度洋长周期波浪作用下防波堤施工期的稳定性；黄海龙等[8]以尼日利亚EACDBBVIL围堤工程为例，通过波浪断面物理模型试验，对长周期波浪作用下抛砂潜堤的稳定性进行了研究，结果表明长周期波浪作用下抛砂潜堤很难保持设计稳定；杨会利等[9]结合以色列Ashdod项目，对涌浪对防波堤稳定性的影响进行了专项的研究。可见，由于长周期涌浪对斜坡堤作用的复杂性，加之斜向波浪作用更为复杂，需要通过局部整体物理模型试验专门研究斜坡堤结构的稳定性。

本文以某港口防波堤工程为例，对其防波堤堤根段进行波浪局部整体物理模型试验，研究斜向长周期涌浪作用下斜坡堤结构的稳定性，并对结构进行了优化。

1 工程概况

某港口工程位于西非的几内亚湾内，项目建成后可靠泊超巴拿马型集装箱船(约1

万TEU)。西非的几内亚湾属于长周期涌浪影响为主的海湾[10]，为给港内泊位提

供良好的作业条件，拟建设西防波堤(主防波堤)和东防波堤对港域进行掩护，防波堤均采用斜坡堤结构。工程总平面布置见图1。防波堤设计主要采用英国标准BS 6349以及欧洲标准The rock manual。考虑到项目施工顺序，拟先建设主防波堤堤根段(约600 m长)。为验证主防波堤堤根段斜坡堤的结构稳定性并对结构进行

优化，对主防波堤堤根段进行了专项研究。

图1 工程总平面布置

1.1 水深及波浪条件

主防波堤堤根段海床底高程由-8.5 m升至1.0 m，其设计高水位为2.5 m，设计

低水位为0.1 m。

该工程海域波浪以长周期涌浪为主，根据DHI公司的波浪数值模拟结果[11]，外

海波向集中分布在S-SSW向(180°N～220°N)，波浪周期Tp为12～18 s，外海

波浪传至主防波堤堤根段时波向集中分布在190°N～205°N。各级水位下主防波

堤堤根段的100 a一遇设计波浪要素(图1中设计波浪计算点处)见表1。

表1 主防波堤堤根段的100 a一遇设计波浪要素波向水位波浪要素

Hs∕mTp∕s190°N～205°N设计高水位 2.5 m3.912～18设计低水位 0.1 m3.612～18

1.2 原方案设计

主防波堤堤根段采用斜坡堤结构，胸墙顶高程为9.50 m，内外坡坡度均为1:1.5，根据英国标准BS 6349以及欧洲标准The rock manual计算，K0+217.2—

K0+574.2段外海侧护面和护脚采用2 000～4 000 kg的块石，K0+174.2—

K0+217.2段外海侧护面和护脚采用1 000～3 000 kg的块石，其中K0+375.7—K0+574.2段设置了100～300 kg块石护底，断面结构见图2。主防波堤堤身段

采用无胸墙的斜坡堤结构，堤顶高程为7.00 m，内外坡坡度均为1:1.33，外海侧和内侧护面均采用3.0 m3的XBLOCK块体。XBLOCK块体属于荷兰Delta Marine Consultants公司，该块体消浪性能和稳定性类似于扭王字块体，但是混凝土用量相比较小，可节约工程造价，该块体在国外已有较多工程应用。断面结构见图3。

图2 主防波堤堤根段K0+174.2—K574.2段断面(高程：m；尺寸：mm。下同)

图3 主防波堤堤身段断面

2 试验概况

2.1 试验仪器设备

波浪局部整体物理模型试验在南京水利科学研究院河流海岸研究所波浪港池内进行，港池长50 m、宽24 m、高1.2 m，港池内布置有消浪设施。港池配有相邻两边

布置的L型多向不规则波造波机(单边宽20 m)，由计算机自动控制产生所要求模

拟的波浪要素。

2.2 模型设计

试验采用正态模型，根据Froude数相似律设计。考虑到结构物尺度、模型范围、水深、波浪条件以及试验场地设备等，本次试验模型几何比尺λl为1:48.0。根据Froude数相似律，其他各物理量的比尺为：水深比尺λh=λl=48.0，时间比尺质

量比尺

2.3 试验方法

局部整体物理模型试验主要研究波浪作用下主防波堤堤根段的结构稳定性，模型范围包括主防波堤堤根段(K0+174.2—K0+574.2段)以及部分堤身段，以满足模型