海堤前特殊地形對護面塊體穩定性影響及對策

戈龍仔，劉海源，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

海堤前特殊地形對護面塊體穩定性影響及對策

戈龍仔，劉海源，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

通過在波浪水槽內對海堤護面塊體穩定性物理模型試驗，發現在堤前存在特殊地形的條件下，波浪傳播該區域后發生變形、破碎，形成的波能集中沖擊范圍內護腳人工塊體，導致其失穩，進而使斷面上整個護面塊體向海側滑移失穩。文章分析了塊體失穩原因和影響因素，并從設計角度提出多種針對特殊地形下人工塊體失穩的改善措施。

特殊地形；物理模型試驗；波浪破碎；塊體穩定性；工程措施

Biography：GE Long?zai（1977-）,male,associate professor.

在以往傳統的水槽波浪斷面物理模型試驗中，考慮斷面波浪正向入射和試驗水槽場地規模限制，以及在設計院所提供的斷面結構圖顯示，大部分防波堤、護岸工程斷面前地形變化一般較小，且多數地形為泥或者沙，因此在試驗時一般直接在波浪水槽平底上進行塊體穩定性的驗證，很少模擬堤前帶地形的變化。在2011年臺風浪“梅花”大連登陸后，大連海岸線有部分護岸工程出現人工塊體出現破損失穩，并從護岸破壞的檢測報告上表明，大量塊體均出現向海側滑移滾落而發生破壞，根據其斷面破壞原因分析，發現大部分破壞的護岸斷面均建立在有一定坡度基巖的特殊地形上，在臺風浪“梅花”長周期波（原型觀測到平均周期約11.0 s）作用下，波浪傳至近岸，發生淺水變形波浪迅速增加產生破碎，破波作用最后導致護面塊體被帶至海側而失穩。且試驗結果表明，即使在加大人工塊體重量滿足設計波浪作用的情況下，因堤前特殊地形的影響，坡腳塊體仍失穩，說明地形對塊體穩定性影響明顯。本文通過在波浪水槽中，模擬堤前帶特殊地形［1］對大連新港沙坨子圍堰加固改造工程原設計斷面進行試驗，復演了護岸斷面破壞這一過程，分析特殊地形下破壞塊體的破壞機理，最后通過加大壓腳塊體重量和延長護底長度，以及開挖不同深度基坑等多種修改和優化措施，找到能使該類型護岸斷面塊體穩定的對策。通過現場護岸破壞及試驗中不同方案的驗證發現，對于堤前存在特殊地形變化對塊體的穩定性影響較大，需引起工程設計重視，必要時進行物理模型試驗的驗證和得出對應改善措施，可供類似工程設計參考。

1 模型試驗概述

試驗為大連港新港港區沙坨子海域回填及圍堰工程，原設計斷面堤前泥面高程為-7.0 m，堤頂高程為+9.5 m，采用5 t扭王字塊護面，護面坡度1：1.5；護底均采用300～500 kg塊石，斷面前地形坡度為1：10～1：15，具體結構型式見圖1。

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院試驗水槽中進行，水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m。模型按重力相似準則設計制作，試驗比尺選擇為λ=30，力比尺為λF=27 000，時間比尺為λt=5.48，模型設計遵循重力相似準則，模型設計和試驗方法、步驟均嚴格按照相應規范要求進行［2-4］。試驗波要素見表1，另外考慮到臺風浪因素，試驗中增加平均周期11 s、13 s。試驗采用單向不規則波，譜型為JONSWAP譜［5］。

2 模型試驗結果及分析

在各水位波浪作用下，波浪傳播至堤前帶斜坡的特殊地形后，發生明顯的淺水變形，波陡變大，最終導致波浪在堤前發生卷破，卷破波正好沖擊作用5 t扭王字塊護面與300～500 kg護底塊石連接位置，連續作用1 h（原體值，下同），300～500 kg塊石被帶至5 t扭王字塊護面斜坡上，同時5 t扭王字塊被帶至海側滾落失穩，破壞形態與現場檢測破壞斷面形式基本相同，波浪卷破、模型塊體破壞形態見圖2。

圖1 護岸斷面結構詳圖Fig.1 Sketch of cross?section of revetment

表1 試驗波浪要素Tab.1 Wave parameters of model test

圖2 波浪卷破及塊體破壞失穩情況Fig.2 Situation of wave breaking and unstability of armor block

參考《防波堤設計與施工規范》JTS154-1-2011規定，在給定設計波要素的條件，對失穩斷面的護面塊體穩定重量進行驗算，計算式如下

式中：W為單個塊體的重量，t；棱體塊石重量按照規范規定取該值的0.3～0.4倍，本次取0.3;γb為塊體材料的重度，kN/m3；護面塊體取23，棱體塊石取26.5；H為設計波高，m；護面塊體計算取H5%，棱體塊石計算取H13%；KD為塊體穩定系數，可按表查詢，護面塊體計算取18，棱體塊石計算取4.0；α為斜坡與水平的夾角；γ為水的重度，kN/m3，取10.25。

采用式（1），計算得到不同水位波浪作用下護面塊體、棱體塊石重量結果見表2，從表2護面塊體重量可知，除極端低水位波浪作用下，設計斷面塊體重量能滿足要求外，其余均超設計塊體重量，因此塊體重量不足也是導致失穩的原因。而對于棱體塊石，則全部不滿足要求。

表2 不同水位波浪作用下護面塊體、棱體塊石重量Tab.2 Weight of armor block and prism stone under different water levels and wave action

根據上述原設計斷面破壞的形態，按照加大護面塊體、坡腳棱體重量思路［6-8］，提出修復加固方案。

（1）修復加固方案1：在原5 t扭王字塊上加安一層10 t扭王字塊，外坡坡比維持原坡比1：1.5，另外在300～500 kg護底塊石平臺安放扭王字塊，縮短護底塊石寬度，其他與原設計相同。試驗結果表明：在卷破波沖擊作用下，護面10 t扭王字塊滾落海側，失穩。

（2）修復加固方案2：由修復加固方案1試驗結果可知，雖然10 t護面塊體重量能滿足入射波浪的沖擊作用，但因基巖斜坡上棱體塊石失穩，從而導致整個護面塊體滑移失穩。因此提出仍采用10 t扭王字塊護面，但在+5.45 m高程處（即護面塊體1：1.5斜坡）設置寬度為11.1 m的護面肩臺，另外護底采用2排10 t扭王字塊體，且直接置于海底巖基斜坡上，取消300～500 kg護底塊石（圖3）。試驗結果表明：斷面仍失穩。主要因坡腳處扭王字塊直接安放在基巖上，其本身自重沿海側方向產生一個向下的分力，從而使自重本身減弱，另外塊體間咬合嵌固及與基巖的摩擦也相應減弱，因此波谷作用時，加速塊體向海側滑移，導致護面整體滑移［9-10］。

圖3 修復加固方案2結構詳圖Fig.3 Sketch of modified and reinforcement case 2

圖4 修復加固方案3結構詳圖Fig.4 Sketch of modified and reinforcement case 3

圖5 修復加固方案4結構詳圖Fig.5 Sketch of modified and reinforcement case 4

通過試驗發現因護底塊體滾落，而導致整個斷面失穩，對此在該方案基礎上繼續加大2排護腳扭王字塊的重量，用以加強其支撐作用。即分別加大至16 t和30 t扭王字塊，甚至直接采用混凝土壓腳塊（方塊長3.84 m（原體值），寬3.84 m，厚2.1 m，居中為一直徑1.8 m的空心圓柱，單個塊體重量為59 t），結果表明：在波谷作用下，16 t、30 t扭王字塊和混凝土壓腳塊體仍整體向海側滑移失穩。說明在該區域特殊地形影響和波谷拖曳力作用下，直接安放人工塊體，難以使斷面得以穩定。

（3）修復加固方案3：針對波浪作用下塊體向海側滑移，因此在坡腳采用炸礁形成的基槽方式，在基槽中安放兩排13 t扭王字塊體作為護底（圖4），從而對人工塊體增加一個向岸支撐力。試驗結果表明：各水位波浪作用下，斷面各部均能穩定。

但考慮到工程實際情況，若采用修復加固方案3即炸礁形成基坑可能對原斷面整體穩定性產生影響，以及后期施工難度大，因此設計提出采取其他措施，但采用堤前基坑方式是有效保證塊體整體滑移方式。

（4）修復加固方案4：根據修復加固方案2各種重量塊體失穩的形態，因此增加塊體護底長度，即由2排10 t扭王字塊體增加至10排（即方式一，圖5）。試驗結果表明：在設計波要素波浪作用下，則穩定，但加長周期至11 s時，波谷在回落過程中，由于波浪水平拖曳力加大。靠海側第一排扭王字塊有一塊向海側滾落失穩。

因此在方式一失穩斷面基礎上，將前兩排人工塊體重量由10 t加至16 t（即方式二），在設計和加長周期至11 s條件下，斷面穩定，但再加大周期至13 s時，波浪連續作用0.5 h，靠海側第一排16 t扭王字塊護底有2塊向海側翻滾而失穩。最終采用30 t扭王字塊替換靠海側前兩排的16 t扭王字塊（即方式三）進行試驗，在設計波高和加長周期條件下，斷面各部分均能保持穩定。

由試驗結果表明加固方案3（方式三），斷面穩定，但工程上為節省加固修復成本，從設計角度上對其進行了優化，提出進一步優化加固方案。

（5）優化加固方案1：考慮縮短護腳扭王字塊排數，由10排扭王字塊縮短為7排，且靠近海側前兩排首先仍考慮為16 t扭王字塊（即優化方案一），試驗結果表明：在波浪作用下，尤其波谷作用下，靠海側第一排16 t扭王字塊向海側翻滾失穩。

（6）優化加固方案2：由10排扭王字塊縮短為2排，且全部采用30 t扭王字塊進行護底，試驗結果表明：在波浪作用下，仍出現晃動，但沒有滾落和跳出，仍判定其臨界穩定。

綜上，由于堤前地形的影響，導致波浪形態和水流流態紊亂［11］，通過多種改善和優化措施找到經濟合理加固方案，另外上述10余種修改措施和塊體穩定性結果計算也表明，對于復雜波態條件下，即使在加大人工塊體重量滿足設計波浪作用的情況下，因堤前特殊地形的影響，坡腳塊體仍失穩，在此顯示物理模型的必要性。

圖6 不同加固方案，波浪作用護面塊體破壞失穩情況Fig.6 Situation about armor block stability in different modification cases

3 結語

通過對波浪水槽試驗中堤前帶特殊地形對護面塊體穩定性和改善措施的試驗研究，主要結論如下：

（1）堤前特殊地形對入射波產生變形，導致在堤前發生卷破，形成復雜波態，沖擊護腳塊體，尤其波谷時表現明顯，影響了塊體穩定性。

（2）由斷面護面塊體失穩形態可知，堤前地形和破碎產生的較強浮托力和挾帶力是造成護腳塊體失穩的主要原因。

（3）針對堤前帶特殊地形對護腳塊體穩定性影響，通過試驗提出多種改善措施，可采用坡腳開挖基槽，以及適當延長護腳塊體寬度和加重塊體重量等。且開挖措施效果明顯，可供類似工程設計參考。

（4）因堤前特殊地形的影響，即使在加大人工塊體重量滿足設計波浪作用的情況下，坡腳塊體仍失穩，在此顯示物理模型的必要性。

（5）本研究再次說明水運工程中采用物理模型試驗驗證和優化設計方案的重要性，在某些情況下，模型試驗可能是有效解決問題的唯一手段。

［1］天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所.大連港礦石碼頭#2堆場護岸修復工程斷面波浪物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所,2012.

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Influence of complex terrain in front of seawall on armor block stability and its countermeasures

GE Long?zai，LIU Hai?yuan，LUAN Ying?ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

Based on physical model test of armor block in wave flumes,it is found that deformation and break?ing of waves occur under the condition of special terrain.Then the artificial block within the range of possibilities is impacted by the concentration of wave energy,which results in the instability of toe protection armor block and the slippage of the whole armor blocks.In this paper,the reasons of block instability and the influence factors were ana?lyzed.From the point of harbor construction design,some improvement measures were put forward to solve the prob?lem of block instability owing to the special terrain.

special terrain;physical model test;wave breaking;block stability;engineering measures

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0125-05

2013-04-11；

2013-05-16

戈龍仔（1977-），男，江西省臨川人，副研究員，主要從事港口航道及近海工程研究。