青東人工島防波堤斷面的穩定性

陳兆虎， 陳德春*， 杜景景

(1.河海大學港口、海岸與近海工程學院，江蘇南京210098;2.上海友為工程設計有限公司，上海200333)

防波堤處于海岸與近海區域，保障堤后水域碼頭前沿船舶作業安全。由于受復雜的外部因素的影響，如臺風、風暴潮、巨浪、地震等，故對于防波堤斷面尺度與結構的選取，設計人員均嚴格依據規范［1］進行設計，再通過防波堤波浪斷面物理模型試驗確認最終方案。

文中基于防波堤斷面物理模型穩定性試驗，針對影響防波堤斷面穩定性的不確定性因素，運用系統科學理論和方法，以防波堤為整體系統，在層次分析法和模糊數學的基礎上，采用多指標分析法建立系統失效模型，篩選影響防波堤斷面穩定性的評判指標體系，通過模糊層次分析的方法將各個方案的優劣程度以數量化的形式表達出來，以便為防波堤斷面結構的合理選擇提供理論依據。

1 防波堤斷面模型試驗

1.1 防波堤設計方案

勝利油田青東5塊新區位于萊州灣西近岸海區。萊州灣屬渤海海域，其潮汐主要受黃河口外和秦皇島以北外海半日潮旋轉潮波以及渤海海峽日潮旋轉潮波 3個潮波系統的影響，NE-NEN向(45°-22.5°方位)風對該海域造成的影響最大。

圖1 所示人工島防波堤設計斷面結構(方案一)為:頂面設計高程▽4.0 m，采用厚30 cm的漿砌片石結構，其下為厚10 cm的碎石墊層。頂部設C25鋼筋砼結構弧形擋浪墻，擋浪墻頂高程為▽5.0 m。島身結構為10～100 kg的拋石，拋石平臺頂高程為▽2.0 m，平臺寬6.0 m，迎水坡度1∶2，自弧形擋浪墻至坡腳鋪放一層2.73 t的扭工塊體，護底塊石質量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

圖1 設計斷面(方案一)Fig.1 Design section(Plan 1)

為得到設計水位與50年一遇波浪組合作用下人工島防波堤的穩定斷面，物理模型試驗以設計斷面(方案一)為準，考慮到護面塊體類型及擺放形式、擋浪墻頂高程、迎水坡度、護底砼連鎖塊厚度對設計斷面結構及尺度穩定性的影響程度，增加4種方案(即方案二 ～方案五)加以研究［2］。

1)方案二:采用4.15 t扭工塊體沿迎水坡面規則擺放一層，墻頂高程▽5.2 m，迎水坡度1∶1.75，護底塊石質量100 ～200 kg，砼連鎖塊體厚度10 cm。

2)方案三:采用2.73 t扭工塊體沿迎水坡面規則擺放兩層(即先規則擺放一層，再對塊體孔隙位置加放2.73 t扭工塊體)，墻頂高程▽5.0 m，迎水坡度1∶2，護底塊石質量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

3)方案四:采用3 t扭王塊體沿坡面規則擺放一層，墻頂高程▽5.2 m，迎水坡度1 ∶1.75，護底塊石質量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

4)方案五:迎水坡拋石平臺以上坡面安放2層2.73 t扭工塊體，平臺及以下坡面規則安放一層12排3 t扭王塊體，其下規則安放3排2.73 t扭工塊體，墻頂高程▽5.0 m，迎水坡度1∶2，護底塊石質量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

1.2 波浪斷面物理模型試驗內容

對1.1試驗方案采用規則波與3級水位(極端水位3.55 m和高水位2.73 m，設計高水位1.73 m)組合進行波浪斷面物理模型試驗。

規則波波要素采用極限破碎波高(水深的0.6倍)［3］，試驗水位和波要素見表 1。

表1 人工島規則波浪要素Tab.1 Wave elements of the artificial island rule

1.3 人工島設計斷面物理模型試驗結果

在規則波與極端水位3.55 m、高水位2.73 m、設計高水位1.73 m組合作用下，設計斷面方案一、增加研究方案二 ～方案五共5種物理模型方案試驗［4］，結果分別見表 2、3、4、5、6。

表2 方案一規則波試驗防波堤斷面穩定性Tab.2 Plan 1:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表3 方案二規則波試驗防波堤斷面穩定性Tab.3 Plan 2:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表4 方案三規則波試驗防波堤斷面穩定性Tab.4 Plan 3:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表5 方案四規則波試驗防波堤斷面穩定性Tab.5 Plan 4:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表6 方案五規則波試驗防波堤斷面穩定性Tab.6 Plan 5:The breakwater cross-section stability of regular waves test

1.4 波浪斷面試驗結果分析

1)設計斷面護面結構采用規則安放一層2.73 t扭工塊體是失穩的，說明必須要調整護面結構，或增加扭工塊體質量，或安放2層2.73 t扭工塊體，或采用扭王塊體，或扭工與扭王塊體相結合安放。

2)以方案一為準，試驗增加的方案護面結構特點是，增加安放一層扭工塊體質量為4.15 t(方案二);原設計方案安放一層2.73 t扭王塊體到安放2層(方案三);安放一層3 t的扭王塊體(方案四);上坡兩層2.73 t扭工塊體，迎水平臺及下坡規則安放一層3 t扭王塊體，下坡底3排2.73 t扭工塊體(方案五)。試驗結果表明:扭王塊體的穩定性明顯高于扭工塊體;方案二中安放一層4.15 t扭工塊體在2.73 m水位與極端高水位規則波時均失穩;方案三中安放2層2.73 t扭工塊體呈搖晃、失穩。而方案四中安放一層3 t扭王塊體和方案五中扭工與扭王塊體組合，在各種不同水位下均為穩定。

3)比較各方案墻頂水舌厚度(越浪量)，方案五和方案三相對于其它方案明顯存在優勢，而方案四則相對較差。

綜上，護面結構方案五為扭工與扭王塊體組合，一方面其墻頂水舌厚度小，另一方面從施工而言，受水位影響底部安放3排2.73 t扭工塊體較規則安放扭王塊體更為合理，平臺以下坡面規則安放一層3 t扭王塊體抗浪穩定性優于安放扭工塊體，上坡面安放2層2.73 t扭工塊體消浪性好，則波浪斷面試驗宜推薦方案五。

2 防波堤斷面模型的模糊分析

2.1 層次分析法和模糊綜合評價法

層次分析法(the analytic hierarchy process，簡稱AHP)是由美國著名運籌學家T.L.Saaty于20世紀70年代中期提出的一種系統工程方法。其基本思路是:將復雜的問題分解為若干個組成因素，將這些因素按支配關系分組形成有序的遞階層次結構，通過兩兩比較的方式，確定一個判斷矩陣，把判斷矩陣的最大特征值相對應的特征向量的分量作為相應評價指標的權重系數，然后通過矩陣的基本運算，得出每個評價的權重值。

模糊層次分析法(F-AHP)是在層次分析法基礎上引入模糊綜合評價法，將層次分析模型中一系列難以量化的定性問題轉化成定量分析［5-8］。

2.2 防波堤斷面評判模型結構

為考察所設計的青東5塊新區工程中人工島設計代表斷面尺度的合理性，提出以人工島斷面模型為一個系統，將防波堤各個組成部分作為評價指標，建立起一個系統的多指標判斷體系。并通過建立判斷體系，將各個方案的優劣程度量化，客觀地比較各個備選方案的優劣程度。要建立客觀合理的判斷體系，首先必須對防波堤結構破壞因素進行詳細的分析，找出造成防波堤結構損壞的主要因素，以此來確定模型的Ⅰ級指標和Ⅱ級指標。同時，對防波堤破壞因素進行研究也是確定各級評價指標權重的重要基礎和依據，只有充分地了解防波堤的損壞特點及其原因，才能得到一個符合實際情況的判斷體系。

選取3種設計水位情況作為模型的Ⅰ級評價指標，即:U1極端水位▽3.55 m;U2高水位▽2.73 m;U3設計高水位▽1.73 m。Ⅱ級評價指標共有5個，U11即代表護面塊體穩定性;U12代表越浪量大小;U13代表坡度的影響;U14代表護底塊石穩定性;U15代表砼連鎖塊體穩定性。詳情見圖2評判模型的結構示意。

圖2 評判模型結構示意圖Fig.2 Structure of evaluation model

2.3 防波堤斷面模型研究實例

2.3.1 Ⅰ級指標權重的確定

根據所建立的模糊層次分析的模型，Ⅰ級評價指標共計有3個，分別為:U1極端水位▽3.55 m，U2高水位▽2.73 m，U3設計高水位▽1.73 m。

1)構造比較判斷矩陣。比較判斷矩陣是通過判斷尺度將兩兩指標對總目標的貢獻程度進行比較判斷而得出的，其中引入模糊判斷數 1，3，5，7，9 及其倒數，表示一個要素相對于另一個要素的重要程度。對于防波堤而言，極端高水位對其結構安全影響性為最大，在權重的分配上理應多加考慮。但是由于極端高水位出現概率極低，故可以適當降低其權重的分配。設計高水位出現概率較極端高水位大得多，但是對于結構的破壞作用卻沒有極端高水位那么強烈。高水位▽2.73 m則介于極端水位和設計高水位兩者之間。綜合上述分析，得到3種水位的判斷矩陣，見表7。

表7 Ⅰ級指標比較矩陣Tab.7 Ⅰlevel index comparison matrix

2)計算比較判斷矩陣的特征向量。比較判斷的特征向量就是指標的權重向量，采用集合評價法計算特征值，其結果可得U1極端水位▽3.55 m，U2高水位▽2.73 m，U3設計高水位▽1.73 m三者的權重分別為0.60、0.28、0.12。即:A=(0.60 0.28 0.12)。其對應的最大特征值 λmax=3.05。

3)比較判斷矩陣的一致性檢驗。采用隨機一致性比率CR來判斷比較矩陣的一致性，根據

2.3.2 Ⅱ級指標權重的確定

Ⅱ級評價指標共有5個，即護面塊體穩定性U11、越浪量大小U12、坡度的影響U13、護底塊石穩定性U14、砼連鎖塊體穩定性U15。

1)構造比較判斷矩陣。通過對大量國內外防波堤損壞案例統計資料的分析，由護面塊體以及堤頂越浪造成的防波堤損毀占據比例相當大。綜合青東人工島物理模型試驗的各項研究分析也發現，防波堤的護面塊體的穩定性和堤頂越浪量的大小是影響防波堤斷面穩定性的主要因素。綜合考慮，對判斷模型中Ⅱ級指標的權重分配從大到小依次為:U11護面塊體穩定性，U12越浪量大小，U13坡度的影響，U14護底塊石穩定性，U15砼連鎖塊體穩定性。依據以上原則，構造Ⅱ級評價指標的判斷矩陣，見表8。

表8 Ⅱ級指標比較矩陣Tab.8 Ⅱ level index comparison matrix

2)計算比較判斷矩陣的特征向量。比較判斷矩陣的特征向量就是指標的權重向量，采用集合評價法計算特征值，其結果可得極端高水位▽3.55 m中的Ⅱ級評價指標U11護面塊體穩定性，U12越浪量大小，U13坡度的影響，U14護底塊石穩定性，U15砼連鎖塊體穩定性的權重，分別為 A1=(0.42 0.26 0.16 0.10 0.06)。其對應的最大特征值 λmax=5.10。

3)比較判斷矩陣的一致性檢驗。采用隨機一致性比率CR來判斷比較矩陣的一致性，根據

2.3.3 評價集及隸屬函數的建立

1)評價集的建立。根據防波堤物理模型試驗現象及要求，防波堤物理模型試驗中對防波堤安全穩定的評價集為

2)防波堤設計方案的優劣主要取決于結構的穩定和工程造價的大小，在整體結構穩定的基礎上，其越浪量的大小能夠從一定程度上反映出防波堤結構設計的合理性。采用模糊分布中半梯形分布形式建立防波堤越浪量與模型試驗評價集之間的隸屬函數［9-11］。具體的隸屬函數關系如下:

其中 c1，c2，c3，c4分別是區間(v1，v2)(v2，v3)，(v3，v4)(v4，v5)的中間值。對于防浪墻，水舌厚度的值分別為:v1=0，v2=0.05 m3/(s·m)，v3=0.1 m3/(s·m)，v4=0.15 m3/(s·m)，v5=0.2 m3/(s·m)。

2.3.4 各個方案的模糊綜合評價

模糊綜合評價是一個復雜的系統工程，具體評價步驟如下:

1)先根據隸屬函數，確定不同水位情況下的評價矩陣 Ri(i=1，2，3);

2)再利用公式 Bi=A1Ri(i=1，2，3)，計算出Ⅱ級指標下的綜合評價值;

3)最后應用公式B=AR，計算出一級指標情況下，即每一個水位下的綜合評價。其具體的計算結果見表9、10。

根據最大隸屬度的原則，對青東人工島防波堤斷面5種方案進行相互比較，可以得到如下優劣順序:①方案五，②方案四，③方案三，④方案一，⑤方案二。同時，根據模糊層次分析法的分析可以看出在5種方案中，方案四、方案五相比方案二、方案三及方案一要好得多。根據其隸屬度判斷，方案四和方案五應屬于優良方案，而方案三和方案一當屬于一般方案，方案二則應屬于較差方案。

表9 各方案在不同水位情況下的綜合評價Tab.9 Comprehensive evaluation of various programs in the case of different water levels

表10 各方案的綜合評價Tab.10 Comprehensive evaluation of each scheme

3 結語

綜合物理模型試驗和模糊層次分析方法，研究勝利油田青東人工島防波堤斷面穩定性，得到以下結論:

1)護面結構為2.73 t扭工塊體與3 t扭王塊體組合，上坡面安放2層2.73 t扭工塊體消浪性好，平臺與下坡面規則安放一層3 t扭王塊體抗浪穩定性優于安放扭工塊體，底部隨機安放3排2.73 t扭工塊體較規則安放扭王塊體易于施工且不受水位影響。

2)分析防波堤破壞因素，建立相應的評價模型體系，運用模糊層次分析法評價防波堤結構穩定性與物理模型試驗結果一致，為防波堤結構優選提供了一種研究方法。

3)防波堤結構穩定性由眾多因素影響決定，在建立判斷模型后要充分考慮到各種不同因素對其的影響，可通過不斷調整防波堤斷面結構，使其達到最穩定的狀況。

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