談談“塊體容許失穩率”

孫精石

（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，天津300456）

談談“塊體容許失穩率”

孫精石

（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，天津300456）

文章對防波堤和護岸等港口工程中經常用到的專業術語——“塊體容許失穩率”提出了質疑，指出其在應用過程中，主要依靠物理模型試驗來獲得，但是由于定義不嚴密，在模型試驗時，特別是3D整體穩定性模型試驗時，無法得到正確、合理的失穩率標準值。因此，難以判斷防波堤和護岸工程設計的優劣，也不能指導設計方案的優化，將直接影響工程的安全可靠、經濟合理。針對這一弊端，提出了建議：（1）保留和繼續使用“塊體容許失穩率”的有關規定，但是要在“塊體容許失穩率”定義前面加上防波堤或護岸長度的限定；（2）廢止和停止使用“塊體容許失穩率”的有關規定，從嚴掌握防波堤和護岸的失穩標準；（3）在防波堤和護岸3D穩定性模型試驗中，明確規定必須分段進行觀測，應逐段分別給出穩定性的試驗結果。這些建議，可供有關技術標準修訂時參考。

防波堤；護岸；護面塊體；容許失穩率

1 問題的提出

“塊體容許失穩率”（allowable ratio of instability of block）是一個專業技術名詞，在港口工程特別是防波堤、護岸的設計和科研活動中要經常用到它。它在《防波堤設計與施工規范》（JTS 154-1-2011）中的準確定義是：計算水位上、下各1.0倍設計波高的護面范圍內，在波浪作用下允許移動或滾落的塊體個數所占的百分率［1］。在該技術規范和《海港水文規范》（JTS 145-2-2013）中給出了它的許可值，如表1所示［1-2］。

對于如何得到容許失穩率，往往需要通過物理模型試驗來進行。在技術標準《波浪模型試驗規程》（JTJ/T234-2001）中給出了它的計算方法，即5.2.3條“斜坡式建筑物護面塊體失穩率的統計應符合下列規定：（1）護面塊體失穩率按下式計算

式中：n為失穩率；nd為靜水位上、下1倍設計波高范圍內護面塊體的失穩數；N1為靜水位上、下1倍設計波高范圍內護面塊體的總數”［3］。

這一切看來都十分完美，有定義，有控制標準，有計算方法。多年來在港口工程中也一直是沿用這種方法來進行防波堤或護岸穩定性的驗證和優化，最后來決定護面塊體的重量和構造型式?？墒沁@種情況，在近年隨著科學技術的進步和大量工程實例的檢驗發生了一些變化，產生了一些新的矛盾，需要我們去解決。過去在確定“塊體容許失穩率”的工作中，大多是依靠波浪斷面模型試驗，即2維（2D）的模型試驗，往往是在波浪水槽中，使塊體在波浪正向作用下接受考驗［4］。但是許多防波堤和護岸工程，明明經過了斷面試驗是穩定的，失穩率不超標，可是在實際工程中卻在設計波浪作用下產生了失穩，發生了海損事故［5］。因此人們開始思考，開始進行新的探索。在實際工程中，防波堤和護岸不可能總是受到波浪正向的作用，防波堤和護岸往往也不是一條直線，在平面形狀發生變化，在地形和波向發生改變時，防波堤和護岸的穩定性也產生了變化。于是就提出了在整體模型中進行防波堤和護岸的穩定性試驗，即所謂的3D模型［6-7］。過去由于認識不夠，再加上3D模型試驗成本較大，例如一個斷面模型，在1 m寬的波浪水槽中做試驗，所用的護面塊體數量最多是幾百塊，而在3D模型中，塊體即使不全部模擬也要幾千上萬塊，如果全部模擬塊體數量甚至要幾萬塊，原型中有多少塊護面塊體，模型中也要按比尺縮小制作多少塊，工作量很大。因此，3D塊體穩定試驗開展的不夠廣泛。但是，近年來卻受到了越來越多的重視，許多國內外的重要工程都提出來要進行三維穩定性試驗的要求［8-10］。在這種形勢下就出現了新的問題——如何來確定護面塊體的容許失穩率？這個看似簡單的問題，在實踐中卻不簡單。舉個普通例子，2D斷面模型試驗一般幾何比尺不會超過40，在1 m寬的水槽中，假設計算水位上、下各1.0倍設計波高的護面范圍內塊體數量是100，塊體容許失穩率是1%，如果試驗中出現2塊塊體失穩，則失穩率就是2%，判定為不穩定，要進行優化?？墒侨绻?D試驗中，某一段原型堤長為500 m，計算水位上、下各1.0倍設計波高的護面范圍內塊體數量是2 000塊，局部出現了10塊塊體失穩，明顯已經破壞，則失穩率是10/2 000=0.5%，按規范規定標準則不超標，要判定為穩定。這一結論能成立嗎?顯然是不合理的。下面再舉一個工程模型試驗實例［10］來說明一下這個問題，某國外海港城項目，有一游艇港護岸直線段長470 m，用1.0～3.0 t大塊石做護面，在Hs=6.4 m，Tp=13 s波浪作用下，其穩定性試驗結果見表2。通過表2我們可以看到幾個問題：（1）在近150 m長試驗觀測范圍內，分成了長度基本相等的6段，每段長度約25 m，模型幾何比尺是49，模型中觀測段長度是0.5 m左右，每段護面塊石的總數大致相同，在同一個波浪要素作用下，護面塊石失穩率從0.6～3.1是不均勻的，相差很大；（2）如果用容許失穩率2%做標準來衡量從K0+278到K0+351這段堤是穩定的，而從K0+351到K0+ 425是不穩定的；（3）如果用全部堤長來計算，塊石總數5 487，失穩塊石數107，則失穩率只有1.95%，而1倍波高范圍失穩率平均值是1.93%，應該判斷為穩定。最后應該如何評價這段護岸（防波堤）設計成果呢？顯然不能按照全長來計算，應該分段進行檢驗優化才是合理的。

表1各種塊體的容許失穩率n和穩定系數KDTab.1Allowable ratio of instability of various block n and stability coefficient KD

還有一個問題是，如何計算水位上、下各1.0倍設計波高的護面范圍內塊體總數？這在3D整體模型中，在波浪作用不可能沿防波堤長度都是均勻的時候，是無法做到的。還需指出，就是在2D斷面模型試驗中也會遇到有漏洞，盡管試驗水槽的寬度不變，但是模型的幾何比尺不同，則同樣寬度水槽所代表的塊體個數也差別很大，比尺40的塊體個數會比20的多一倍，如果在試驗中，水位上、下各1.0倍設計波高的護面范圍內失穩的塊體個數相同，則計算出來的失穩率也會差一倍，應該相信哪一個？由于不能正確得到失穩率，也就無法驗證和判斷防波堤或護岸工程護面設計的合理性，是否需要進行優化和改進，這也會直接影響到工程的安全可靠和經濟合理。因此，對“塊體容許失穩率”這一專業術語的定義和執行應當做出調整，以利于港口工程中防波堤和護岸設計、科研工作。

表2重現期200 a波浪作用下游艇港外護岸K0+270～K0+470段護面塊石各色段失穩率（塊石重量1.0～3.0 t）Tab.2Instability ratio of dyeing armor stone outside the yacht port shore protection K0+270～K0+470 section under the action of waves return period of 200 a（stone weight 1.0～3.0 t）

2 解決問題的建議

綜上所述，在目前情況下，無論是3D還是2D防波堤或護岸穩定性模型試驗中，再引用“塊體容許失穩率”的定義和標準去進行控制是行不通的，需要重新審視和定義，給出更科學合理的規定和計算方法。為此，提出以下建議：

（1）保留和繼續使用“塊體容許失穩率”的有關規定，但是要在“塊體容許失穩率”定義前面加上防波堤或護岸長度的限定。建議加上“在長度不超過原型40 m”，或者“在長度不超過原型20～50 m”的限定詞。因為在大多數斷面模型試驗的水槽寬度為1.0 m左右，而斷面模型幾何比尺一般不超過40，在3D模型中，多數比尺為50左右，以模型長度1 m為一個觀測段也是容易實現的。對于軸線為曲線的防波堤或護岸，可以按照弧線的長度來分段，每段長度不宜太大，應盡量使每段的扇形面積與直線段相當，對于圓形的堤頭段至少要分成堤外（向外海）、堤內（向港內）兩段來處理。只有對模型的代表長度給出確定值，才能通過模型試驗正確計算出“塊體容許失穩率”。

（2）廢止和停止使用“塊體容許失穩率”的有關規定，從嚴掌握防波堤和護岸的失穩標準。對防波堤或護岸人工護面塊體除塊石之外，失穩率一律用0來控制，即不容許發生失穩。理由是塊體在波浪作用下發生失穩一個重要原因是塊體的重量不足，而重量的增加對工程造價的影響是有限的，沒有必要斤斤計較，確保安全是最重要的。和國外技術標準相比，我國計算防波堤護面塊體重量時采用的Hudson公式中穩定系數KD值是偏大的，重量是偏小的［11］，從嚴掌握失穩標準也是合理的。這也應當包括防波堤的堤頭段，因為按照我國規范規定，防波堤堤頭段護面塊體的重量已經比堤身加大了，其失穩標準不宜再放寬。用失穩率為0來控制，不管在什么模型中只要發生失穩，經重復試驗仍失穩，就確定是失穩，必須進行優化，這樣問題就簡單多了。這樣做也和我國規范的發展趨勢相符，在1979年港口工程技術規范中扭工字塊允許有1%～2%的失穩率，1998年《防波堤設計與施工規范》（JTJ298—98）中扭工字塊允許失穩率降到了0～1%，而2011年規范修訂后，現在則變成了0%。對于塊石護面而言，應當允許發生少量失穩，但是要給出穩定標準的限定條件：a、塊石護面模型試驗的原型波浪作用時間，從“不宜少于2 h”增加到“不應少于6 h”；b、塊石護面不能產生明顯變形；c、局部塊石失穩不能使堤心石外露。通過這樣限定可以保證塊石護面的安全穩定，也避免了失穩率計算的麻煩，這個標準有一定彈性，也容易掌握。

（3）在防波堤和護岸3D穩定性模型試驗中，明確規定必須分段進行觀測，其分段長度以模型1 m為宜。應逐段分別給出穩定性的試驗結果，經綜合分析后給出結論，確定該段防波堤或護岸是否穩定，是否需要優化，而不能將局部的試驗結果推廣到全部防波堤或護岸。

（4）對這一應用了多年的專業技術術語進行修改，應當聽取更多專業人士的意見，也希望能給出更好的解決方案。在廣泛討論征求意見的基礎上，最后取得共識，供有關技術標準的修訂中予以采用，以利于港口工程中防波堤或護岸設計、科研工作的開展。在有關規范未修訂之前，應用“塊體容許失穩率”時，一定要慎重，要把使用條件和結果說清楚。

3 結語

（1）港口工程中防波堤或護岸護面設計所采用的“塊體容許失穩率”定義不夠嚴密，難以通過物理模型試驗得到正確合理的統計值，不利于對設計結果的檢驗和優化，必須加以改進；

（2）建議在“塊體容許失穩率”定義中加上防波堤或護岸長度的限定，或者停止使用這一專業術語，從嚴掌握塊體失穩率標準，除塊石護面以外人工護面塊體失穩率一律用0%來控制；

（3）在防波堤和護岸3D穩定性模型試驗中，明確規定必須分段進行觀測，逐段給出穩定性的試驗結果，不能將局部的試驗結果推廣到全部防波堤或護岸；

（4）對“塊體容許失穩率”開展必要地討論，聽取更多專業人士的意見，在達成共識的基礎上修訂有關技術標準，在未修訂之前使用時一定要慎重。

參考文獻：

［1］JTS 154-1-2011，防波堤設計與施工規范［S］.

［2］JTS 145-2-2013，海港水文規范［S］.

［3］JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規程［S］.

［4］孫精石，李智賢，黃伊立.鲅魚圈港防波堤斷面試驗研究［J］.水道港口，1984（3）：23-32.

［5］張慈珩，陳漢寶，耿寶磊，等.STEM波作用下斜坡式結構護面塊體穩定性的物理模型研究［J］.水道港口，2013，34（6）：488-492. ZHANG C H，CHEN H B，GENG B L，et al.Physical model on stability of sloping breakwater armor unit under STEM wave action［J］.Journal of Waterway and Harbor，2013，34（6）：488-492.

［6］耿世杰.斜坡堤三維穩定性的試驗研究［D］.天津：天津大學，2012.

［7］姜云鵬，張燁，鄭子龍.波浪作用下護岸三維穩定試驗研究［J］.水道港口，2014，35（1）：15-18. JIANG Y P，ZHANG Y，ZHENG Z L.Research of 3D stability model test on revetment under wave action［J］.Journal of Waterway and Harbor，2014，35（1）：15-18.

［8］張慈珩.Kuantan，Pahang Darul MakmurDraft Final Report 3D and 2D Stability Study of Breakwater（馬來西亞Pahang河口改造項目防波堤3D和2D穩定性物理模型試驗研究）［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010.

［9］張華昌，柳玉良.青島萬達東方影都人工島游艇碼頭項目游艇碼頭港池局部整體物理模型試驗報告［R］.青島：海軍工程設計研究院工程綜合試驗研究中心，2014.

［10］楊氾.斯里蘭卡科倫坡港口城項目南口門局部整體波浪泥沙物理模型試驗研究報告（送審稿）［R］.南京：南京水利科學研究院，2015.

［11］王帥，方愛東，蔡偉，等.中英規范斜坡式防波堤護面塊體設計對比研究［J］.水運工程，2014，494（8）：61-65. WANG S，FANG A D，CAI W，et al.Comparative study on design method of armor block for rubble mound breakwater between Chinese and British standards［J］.Waterway Engineering，2014，494（8）：61-65.

Talk about"allowable ratio of instability of block"

SUN Jing?shi
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

In this paper,the professional term"allowable ratio of instability of block"used in breakwaters and shore protection was questioned.It was pointed out that in its application process,it was mainly depended on the physical model test.But because of the low strictness of definition,the correct and reasonable standard value of in?stability rate could not be obtained in model test,especially 3D overall stability model test.Therefore,it is difficult to judge the breakwater and shore protection engineering design quality,and also cannot guide the optimization de?sign scheme.It will directly affect the safe and reliable,economic and reasonable engineering.Aiming at the short?comings,the following suggestions were put forward:(1)adding length limit to breakwaters or shore protection in us?age of the relevant regulations of"allowable ratio of instability of block";(2)abolishing and stopping usage of rele?vant regulations of"allowable ratio of instability of block",strictly controlling the instability standard of breakwater and shore protection;(3)in 3D stability model test of breakwater and shore protection,observation must be segment?ed,and the stability test results should be given piecewise.The suggestions can be provided to related technical standard as a reference for revision.

breakwater;shore protection;armor block;allowable ratio of instability

U 656.31；TV 139.2+6

A

1005-8443（2015）06-0490-04

2015-04-27；

2015-05-28

孫精石（1941-），男，遼寧省沈陽市人，研究員，主要從事港口及通航問題研究。

Biography：SUN Jing?shi（1941-），male，professor.