新型消浪塊體在防波堤斷面上坡度確定的試驗研究

戈龍仔，高峰

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

新型消浪塊體在防波堤斷面上坡度確定的試驗研究

戈龍仔，高峰

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

根據以往研究的成果和參考相關堤防設計規范，對于現有不同的消浪塊體在防波堤工程設計應用時，均有對應的最佳邊坡坡度。在2013年申請交通運輸部應用基礎研究項目“新型深水防波堤結構型式與消浪塊體穩定性研究”子題三（新型消浪塊體研究與開發）中開發了一種新型消浪塊體，通過對該塊體坡度與穩定性的影響試驗中，得出了邊坡坡度與塊體穩定重量并不是如Hudson公式所體現的反比例關系，而是呈拋物線變化規律。試驗結果可為新型消浪塊體在工程上推廣應用提供基礎數據。

斜坡堤；護面坡度；新型消浪塊體；變化關系

在2013年申請交通運輸部應用基礎研究項目“新型深水防波堤結構型式與消浪塊體穩定性研究”子題三（新型消浪塊體研究與開發）中提出并研發了一種新型消浪人工塊體［1］。前期進行塊體選型時，首先對現有常用護面塊體外形特點、穩定性和經濟性進行了對比分析［2-4］，利用《防波堤設計與施工規范》（JTS154-1-2011）中塊體穩定重量和混凝土用量公式，計算得出了不同類型單個塊體穩定重量和混凝土用量分別關系見圖1和圖2。由圖1可知，在相同的設計波高情況下，扭王字塊的穩定性最好；而由圖2可知X?bloc塊體混凝土用量最少即最經濟。基于上述塊體對比，研究將最經濟X?bloc塊體與最穩定的扭王字塊形進行組合作為本次新型消浪塊體（圖3），新型消浪塊體暫命名為“十字”型塊體。最終經前期的結構計算和外形類似的現有塊體在使用過程中的經驗總結，得出本專題塊體結構尺寸見圖4，新型塊體體積V=0.229h3（h為塊體高度），塊體與其他現有鉤連體擺放方式相同，均采用單層隨機安放。

在子題三的試驗研究過程中，分別開展了包括入射波高、周期、堤前水深和坡度等多種因素對于新型人工塊體穩定性的影響試驗，本文主要討論防波堤、護岸邊坡坡度m對人工護面塊體穩定性的影響試驗研究［5］，最終得出塊體的最佳坡度m。

圖1波高H（m）與護面塊體穩定重量W（t）關系曲線Fig.1Curve of wave height H（m）and stable weight of armour block W（t）

圖2護面塊體重量W（t）與混凝土用量Q（m3）關系曲線Fig.2Curve of weight of armour block W（t）and concrete quantity Q（m3）

1 研究條件

1.1 試驗條件

（1）試驗波浪：由于本次模型試驗的主要目的為討論防波堤、護岸不同的邊坡坡度m對人工護面塊體穩定性影響系列研究，因此試驗中考慮在水槽造波機的造波能力允許范圍內，以及保證試驗時堤頂不越浪和塊體的失穩率等條件下，模型試驗波要素確定詳見表1。整體試驗過程中，波浪采用不規則波進行作用。

（2）試驗水位：根據上述確定的波要素，以及考慮水槽內斷面高度，選定模型水位d=0.35 m。

1.2 試驗斷面

試驗斷面底面高程設為0.0 m，堤頂高設為0.75 m；護面采用60 g重量新型塊體護面，擺放方式為隨機安放，墊層塊石重量為3～6 g，坡度分別設置了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四種，棱體塊石為6～12 g，坡度為1：2；護底塊石采用重為1～6 g塊石，端部坡度為1：2，具體試驗結構斷面詳見圖5。

圖3新型消浪塊體的演變過程Fig.3 Evolution process of new dissipation armour block

圖4新型消浪塊體（十字塊）結構尺寸圖Fig.4Sketch of new dissipation armour block（cross block）

2 試驗研究方法

2.1 波浪模擬

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所試驗水槽中進行，水槽長68 m，寬1 m，高1.5 m。試驗采用單向不規則波，譜型為JONSWAP譜［6-7］。

模型中波浪作用時間取30 min，在此期間若斷面破壞嚴重，則提前結束試驗；若斷面不發生破壞，則波浪繼續作用30 min。

2.2 塊體穩定性判定

塊體穩定性主要通過觀察其位移情況進行判斷，試驗中當位移變化在半倍塊體邊長以上、滑落或跳出，即判斷為失穩。當波浪累積作用下出現局部縫隙加大至半倍塊體邊長以上，也判斷為失穩。由于新型消浪塊體與其他鉤連體相同均采用單層隨機擺放，因此對于該塊體失穩仍采用上述標準進行判定。

另外模型中為了便于說明波高與失穩率之間的關系，因此試驗中定義在波浪作用下，塊體有輕微晃動，但未達到失穩時幅度，稱該狀態為臨界，此時作用的波高為極限波高。

關于塊體失穩率依據規范的相關規定，采用下式進行計算

式中：n為失穩率，%；nd為靜水位上、下各1倍設計波高范圍內失穩塊體數；N1為靜水位上、下各1倍設計波高范圍內塊體的總數，進行不同坡度斷面試驗，其塊體數量N1則有所不同。

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

圖5模型試驗斷面示意圖Fig.5Sketch of cross?sections of breakwater

表2斜坡堤邊坡坡度Tab.2Slopes of sloping breakwater

3 試驗結果及分析

3.1 現有護面塊體與坡度m關系論述

由《防波堤設計與施工規范》（JTS154-1-2011）中塊體穩定性計算式Hudson公式為

式中：W為單個塊體的穩定重量，t；γb為塊體材料的重度，kN/m3；γ為水的重度，kN/m3；H為設計波高，m；KD為塊體穩定系數；α為斜坡與水平面的夾角，（°），此時式中斜坡堤坡度m=ctgα。

依據式（2）可知，塊體的穩定重量與坡度m成反比例關系，即坡度越緩，則要求的穩定重量則越小。但參考國內外其他已有研究成果來看［8-11］，例如四腳空心方塊、條石和螺母塊體等都是斜坡坡度越陡反而越穩定；在《防波堤設計與施工規范》（JTS154-1-2011）中4.1.10節也給出了不同護面塊體在斜坡堤最為合適的邊坡坡度規定［12］（表2）。由表2中規定可知工程上常用的安放人工塊體最合適的邊坡坡度為1：1.25～1：2.0。

3.2 新型消浪塊體與坡度試驗

為探求新型消浪塊體穩定條件下的最合適的邊坡坡度m，本次試驗研究過程中分別進行了1：1.25、1：1.5、1：2、1：3四種不同護面坡度試驗，在不同入射波浪作用下，分別測定其坡度m和塊體失穩率n（%）、極限波高H（m）的關系，最終得出新型消浪塊體合適的邊坡坡度m。

圖64種坡度斷面上護面塊體失穩情況Fig.6Instability rate of armor block in four slope cross?sections

表3不同坡度m與失穩率n（%）、極限波高的關系Tab.3Relationship of different slope m and instability rate n（%），limited height

圖7不同坡度m和極限波高H（m）關系曲線Fig.7Curve of different slope m and limited height H（m）

在堤前水深d=0.35 m，不同波浪試驗條件作用下，通過對新型消浪塊體4種不同坡度m斷面試驗現象觀測發現，塊體失穩機理主要為：當波浪沖擊護面塊體時，部分水體沿堤坡上爬，另外部分水體則透過塊體進入其內部，波谷時波浪沿坡面下落，滲入護面塊體內部的水體也向外排出，此時外流的水體對護面塊體產生一個離岸的浮托力；隨著波浪的連續作用，當塊體浮托力增大至大于塊體本身的自重后，塊體失重被擠出，失去塊體間的鉤連，從而導致塊體滾落失穩。失穩范圍主要集中在靜水位附近，不同坡度塊體失穩現象具體見圖6。在不同入射波浪作用下，分別測定不同坡度m和塊體失穩率n（%）、極限波高的變化關系，具體見結果分別見表3和圖7、圖8。

通過圖7、圖8斷面坡度m與極限波高H、塊體失穩率的關系可知，新型消浪塊體既不是斜坡坡度越陡越好，也不是越緩越好，變化而是一個拋物線的過程，由兩組周期不同波高作用均得出設計時采用1：1.5坡度較合適。

4 結語

通過對防波堤、護岸不同邊坡坡度m與護面新型消浪塊體穩定性的系列試驗研究，得到主要結論如下：

（1）坡度與新型消浪塊體穩定性的影響關系，并不適用Hudson穩定性計算公式所體現的結果，即塊體不是斜坡坡度越陡越好，也不是越緩越好，而是一個拋物線的過程，結果表明在1：1.5較合適。

（2）通過系列試驗得到防波堤、護岸坡度m與極限波高、失穩率間的變化關系，根據其變化趨勢結果，可為《防波堤設計與規范》（JTS154-1-2011）中穩定重量計算式的完善提供試驗基礎數據。

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Experimental study of new dissipation block to determine slope on breakwater sections

GE Long?zai，GAO Feng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

According to the results of previous studies,and reference to design specification of the relevant dike design codes,there was the best slope corresponding to the application for the existing different dissipation blocks when the breakwater engineering is designed.In 2013,a kind of new dissipation block was developed in the application of basic research projects,which is based on the application of basic research projects,"the new type and the stability of deep water breakwater".Through experimental study of the influence about the slope and stabi?lized weight of block,it is concluded that the slope and stabilized weight of block is not such as embodied in the Hudson formula simple inverse proportion,but showed a parabolic variation.The test results can provide basic data for the generalization and application of the new dissipation blocks in engineering.

sloping breakwater;armor slope;new dissipation blocks;relationship

U 656.2；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0486-04

2015-07-28；

2015-10-28

交通運輸部應用基礎研究項目（2013329224230）

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。

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