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
边界条件。

在主防波堤堤根段，波浪方向集中在190°N～205°N，选取190°N和205°N两个入射方向进行试验(190°N与防波堤堤根段轴线基本平行，205°N与
防波堤堤根段轴线成15°角)。

防波堤模型在港池内的布置见图4。

图4 模型布置
为准确模拟波浪对主防波堤堤根段的作用，对主防波堤堤根段范围内的地形进行模拟。

护面、垫层、护脚和护底块石等均严格挑选，保证质量相似。

护面块体、挡浪墙等除保持几何相似外，还保持质量相似。

对于护脚和护底块石的稳定性，其标准为：在波浪作用下允许有少量块石原地摆动、个别块石位移，表层没有明显变形。

护面块石的稳定标准采用BS 6349中的规定，即波浪作用下护面块石失稳率Nd小于5%且垫层块石不裸露为稳定。

试验中为统计护面块石的失稳情况，将护面块石分成不同的色段，波浪作用后统计各色段内发生失稳的块石个数，可以得到护面块石在WSL±Hs(WSL为静水位，Hs为有效波高)范围内的失稳率。

护面块石失稳率Nd的计算公式如下：
(1)
式中：Ndisplaced为各段内发生失稳的护面块石个数；Ntotal为相应段内的护面块石总数。

试验中波浪模拟采用不规则波，不规则波波谱采用Jonswap谱(谱峰因子γ取平均值3.3)。

对于每组稳定性试验，波浪的连续作用时间为原型6 h。

2.4 试验组次
试验水位包括设计高水位和设计低水位，试验波浪入射方向包括190°N和205°N 两个(190°N波向与防波堤堤根段轴线基本平行，205°N波向与防波堤堤根段轴线成15°角)，波浪重现期为100 a一遇，波浪周期TP为12、15、18 s共3种。

试验水位、波向及相应的波浪要素见表2。

表2 试验组次试验组次编号水位波向波浪要素Hs∕mTP∕sT1T2T3T4T5T6设计高水位2.5 m190°N3.9205°N3.9121518121518T7T8T9T10设计低水位0.1
m190°N3.6205°N3.615181518
3 原方案稳定性结果
T6试验中波浪对主防波堤堤根段的作用状况见图5。

由图5可见，与正向波浪作用下的情况不同，斜向长周期涌浪沿着主防波堤堤根段可形成明显的沿堤流，其对防波堤护面块石有较强的冲蚀作用。

需要说明的是对于主防波堤堤根段，各组波浪作用后挡浪墙、护脚及护底块石均满足稳定性要求，同时由于挡浪墙顶高程较高，防波堤顶无越浪，主防波堤堤根段、堤顶及内坡护面块石也均满足稳定性要求，所以本文重点分析外坡护面块石的失稳情况。

该组波浪作用后主防波堤堤根段原方案的破坏状况见图6。

由图6可见，在斜向长周期涌浪的作用下，原方案护面块石很多发生滚落，垫层块石大面积可见，原方案2 000～4 000 kg护面块石失稳。

高水位及205°N波向波浪(T4～T6)作用后，主防波堤堤根段原方案各段外坡护面块石的失稳率试验结果见表3(试验段共长400 m，沿着防波堤轴线约每50 m一段分别统计失稳情况)。

图5 波浪对主防波堤堤根段作用状况
图6 波浪后主防波堤堤根段原方案破坏状况表3 主防波堤堤根段原方案外坡护面块石失稳率Nd
分段失稳率Nd∕%TP=12 s (T4)TP=15 s (T5)TP=18 s (T6)K0+174.2—
K0+217.20.00.00.3K0+217.2—K0+274.20.31.13.7K0+274.2—
K0+323.25.26.310.1K0+323.2—K0+365.77.09.211.0K0+365.7—
K0+424.24.65.19.1K0+424.2—K0+475.22.83.77.0K0+475.2—
K0+524.26.711.717.2K0+524.2—K0+574.29.212.919.7
由表3可见：
1)在设计高水位及相应的205°N向(与防波堤堤根段轴线成15°角斜向入射)100 a
一遇波浪作用下，主防波堤堤根段原方案K0+174.2—K0+274.2段内护面块石失稳率小于5%，可满足稳定性要求，而K0+274.2—K0+574.2段内护面块石失稳
率较大，大部分位置处护面块石失稳率大于5%，最大失稳率达到19.7%(TP=18 s，堤根段前部K0+524.2—K0+574.2段内)，该段内护面块石破坏严重、不满足
稳定性要求。

2)虽然TP=12 s波浪作用下长周期的影响还不明显，但是由于斜向波浪作用下产
生的沿堤流对护面块石有顺着堤轴线方向的冲蚀作用，这与正向波浪作用下垂直于护面的冲击作用情况不同，所以TP=12 s波浪斜向作用下护面块石失稳，而该护
面块石由英国标准BS 6349以及欧洲标准The rock manual按正向波浪作用计算该工况是稳定的。

3)入射波浪周期越长，护面块石失稳率明显越大，这是由于入射波浪周期越长，斜向波浪沿着主防波堤堤根段形成的沿堤流越强烈，其对护面块石的冲蚀破坏作用越强。

Tp=18 s波浪作用下护面块石破坏非常严重、明显失稳，而该护面块石由英
国标准BS 6349以及欧洲标准The rock manual按正向波浪作用计算该工况也是稳定的，可见长周期波浪对护面块石的稳定性影响明显。

4 优化方案稳定性结果
4.1 优化方案1
考虑到原方案K0+270.2—K0+574.2段内护面块石破坏严重、不满足稳定性要求，为提高外坡护面块石的稳定性，对原方案进行了优化。

对于优化方案1，主防波堤堤根段K0+174.2—K0+274.2段内外坡坡度由1:1.5调整为1:2.0，外坡护面采用1 000～3 000 kg块石；K0+274.2—K0+574.2段内外坡坡度也由1:1.5调整为1:2.0，外坡护面块石增大为3 000～5 000 kg。

对优化方案1进行了典型工况(T6)的试验，失稳率结果见表4。

表4 主防波堤堤根段优化方案1外坡护面块石失稳率Nd及对比分段Nd∕%优化方案1原方案K0+174.2—K0+217.20.00.3K0+217.2—
K0+274.22.03.7K0+274.2—K0+323.23.210.1K0+323.2—
K0+365.72.511.0K0+365.7—K0+424.24.19.1K0+424.2—
K0+475.25.87.0K0+475.2—K0+524.214.217.2K0+524.2—K0+574.215.819.7 由表4可见：
1)与原方案相比，优化方案1减小了外坡坡度，同时对破坏较严重的K0+274.2—K0+574.2段增大了护面块石质量，优化方案1的护面块石失稳率明显减小、护面块石的稳定性提高。

2)但是对于前部K0+424.2—K0+574.2段，由于受到斜向波浪沿着主防波堤堤根段形成的沿堤流的冲蚀破坏作用较强，该范围内护面块石破坏仍较严重，失稳率仍大于5%，该范围内3 000～5 000 kg护面块石不满足稳定性要求。

4.2 优化方案2
为了在优化方案1基础上进一步提高外坡护面的稳定性，将K0+274.2—
K0+424.2段外坡护面块石增大为3 000～6 000 kg(外坡坡度保持1:2.0)，前部
K0+424.2—K0+574.2段内护面块石替换为人工块体(3.0 m3XBLOCK块体，坡
度改为1:1.33)。

对优化方案2进行了全部工况(T1～T10)的试验，典型工况(T6)作用后主防波堤堤根段优化方案2的状况见图7。

由图7可见，波浪作用后，优化
方案2护面块石滚落较少，且垫层块石未可见，护面3.0 m3XBLOCK块体无脱落。

优化方案2的外坡护面稳定性具体试验结果见表5(优化方案2其他各部位与原方
案相同，均满足稳定性要求)。

图7 波浪后主防波堤堤根段优化方案2状况表5 主防波堤堤根段优化方案2外坡
护面稳定性试验结果
分段失稳率Nd∕%TP=12 s(T1)TP=15 s(T2)TP=18 s(T3)TP=12 s(T4)TP=15
s(T5)TP=18 s(T6)TP=15 s(T7)TP=18 s(T8)TP=15 s(T9)TP=18
s(T10)K0+174.2— K0+217.20.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0K0+217.2—
K0+274.20.00.00.80.30.81.40.00.00.20.4K0+274.2—
K0+323.20.00.30.51.01.52.30.00.40.40.4K0+323.2—
K0+365.70.00.00.20.20.61.60.30.50.30.5K0+365.7—
K0+424.20.61.21.91.82.23.90.61.31.52.1K0+424.2—K0+475.2护面3.0 m3 XBLOCK块体稳定K0+475.2—K0+524.2护面3.0 m3 XBLOCK块体稳定
K0+524.2—K0+574.2护面3.0 m3 XBLOCK块体稳定
由表5可见：
1)与优化方案1相比，优化方案2的K0+274.2—K0+424.2段外坡护面块石增大为3 000～6 000 kg，该段内护面块石失稳率减小，稳定性进一步提高。

2)各组波浪作用下，优化方案2的K0+174.2—K0+424.2段外坡护面块石最大失稳率为3.9%，小于5%，且该段内垫层块石均无裸露，满足稳定性要求；堤根段前部(K0+424.2—K0+574.2段)的护面3.0 m3 XBLOCK块体满足稳定性要求。

3)与原方案结果类似，相同水深、波向以及波高情况下，入射波浪周期越长，护面块石失稳率也越大。

相同水深、波高以及波浪周期情况下，205°N波向作用时的护面块石失稳率明显大于190°N作用时的情况，这是由于波浪15°角斜向入射时沿主防波堤堤根段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。

综上可见，通过优化试验研究，主防波堤堤根段优化方案2各部位均满足波浪作用下的稳定性要求。

5 结语
1)斜向长周期涌浪可沿堤形成较强的沿堤流，其对斜坡式防波堤护面的冲蚀破坏作
用较强，在其作用下原方案斜坡堤护面破坏严重，不满足稳定性要求。

2)优化方案1在原方案基础上减小了外坡坡度、增大了护面块石质量，虽然稳定性整体提高，但是前部(K0+424.2—K0+574.2段)护面块石稳定性提高不明显、破坏仍较严重，不满足稳定要求；优化方案2将前部(K0+424.2—K0+574.2段)护面块石替换成人工块体以增强斜坡堤的抗冲蚀能力，同时进一步增大了其余段的护面块石质量，优化方案2斜坡堤的各部位均满足稳定性要求。

3)相同水深、波向以及波高情况下，入射波浪周期越长，护面块石失稳率也越大。

相同水深、波高以及波浪周期情况下，波浪15°角斜向入射时沿主防波堤堤根段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。

参考文献：
【相关文献】
[1] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口与航道水文规范：JTS 145—2015 [S].北京：人民交通出版社，2015.
[2] Civil Engineering and Building Structures Sector Committee.British Standard Code of practice for maritime structures:BS 6349[S].UK:Authority of the Standards Committee,2010.
[3] CIRIA,CUR,CETMEF.The Rock Manual [S].London:CIRIA,2007.
[4] 柳玉良,王海峰,卢燕.波浪周期对防波堤护面块体稳定性影响的试验分析[J].海岸工
程,2012,31(3):9-14.
[5] 张先武,张华平.长周期涌浪作用下斜坡式防波堤结构优化设计[J].水运工程,2015(1):58-62.
[6] 周加杰,高峰,张华平.长周期涌浪作用下防波堤设计关键技术[J].中国港湾建设,2014(12):25-29.
[7] 周加杰,罗春艳,钟少杰,等.印尼Adipala防波堤水文特性分析及施工技术[J].水运工
程,2013(6):183-186.
[8] 黄海龙,周益人,王驰,等.长周期波浪作用下顶宽对抛砂潜堤稳定性的影响研究[J].水运工
程,2014(5):69-72+89.
[9] 杨会利,许磊磊,陈汉宝.涌浪对防波堤稳定性影响的试验研究[J].水运工程,2016(4):78-82.
[10] 王科华,张军.以长周期涌浪影响为主的海域近岸极值波浪推算方法[J].中国港湾建
设,2016,36(8):11-15.
[11] DHI.Port of Lekki-Evaluation and assessment of wave conditions[R].Denmark:Danish Hydraulic Institute,2014.。