防波堤設計參數試驗驗證與規范對比研究

周枝榮，史云霞，姜云鵬

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456）

0 引言

防波堤的主要作用是防御波浪、泥沙、冰凌入侵，維持水面平穩，以便船舶安全停泊和作業，是近海工程中常見的防護建筑。防波堤的安全穩定性、次生波、越浪量和波浪荷載等是港口工程從業人員普遍關注的問題。由于波浪運動本身的復雜性，上述設計參數計算與現有經驗公式的適用條件并不完全一致。已有研究結果[1～8]表明，物模試驗結果與規范公式計算結果可能存在較大差異，前期設計階段可根據規范公式進行結構參數的初步確定，再通過物模試驗對防波堤結構進行驗證。

1 研究背景

某工程位于海南島的西北部海岸線上，工程包括4座大型成品油泊位以及防波堤工程。其中防波堤工程對本工程港池西南側形成掩護，為港區碼頭的正常作業提供條件。模型共有3個斷面，斷面圖見圖1。

斷面1-1為越浪堤，堤頂標高6.0 m，堤頂寬度7.6 m，堤頂、外側邊坡和內側邊坡護面塊體均采用15 t扭王字塊，內外側邊坡均為l∶1.5。護底塊石規格80～300 kg，厚度1.5 m，外側護底范圍17 m，內側護底范圍10 m。

斷面2-2為越浪堤，堤頂標高6.0 m，堤頂寬度6.50 m，堤頂、外側邊坡和內側邊坡護面塊體均采用l0 t扭王字塊，內外側邊坡均為1∶1.5。護底塊石規格80～300 kg，厚度1.5 m外側護底范圍10 m，內側護底范圍5 m。

斷面3-3采用拋石斜坡堤結構，護面塊體為扭王字塊，堤頂設現澆混凝土擋浪墻，堤頂標高為+8.33 m，外側防浪墻頂標高為+12.53 m，內側防浪墻頂標高為+9.53 m。護面采用7 t扭王字塊體1層，坡度為1∶1.5。護底采用80～300 kg塊石，外側護底12 m寬，內側護底10 m寬。

圖1 防波堤斷面圖Fig.1 Breakwaters profile

本次試驗主要進行防波堤斷面結構的物理模型試驗驗證，主要驗證擋浪墻、結構各部位護面塊體、護底塊石的穩定性、堤后再生波的波高、越浪量等，為設計提供科學依據。

2 儀器設備與試驗方法

試驗在大型波浪水流槽中進行，水槽長為90 m，寬為3.0 m、高為1.8 m。在水槽中布置1道15 cm寬的直墻將大水槽劃分為2個寬度分別為1 m和1.85 m的水槽，以便提高工作效率，該次試驗在1 m寬側開展。水槽一端配備液壓伺服不規則造波機及其控制系統，由計算機自動生成模擬的波浪要素，另一端設置消波框減少反射波浪。斷面1-1～斷面3-3的長度比尺分別為33.8、29.5、28.3。試驗波浪采用不規則波，波譜采用JONSWAP譜。

采用BG-1型波高傳感器采集系統采集波面高度，在防波堤堤后布置3個波高傳感器測量堤后次生波高，距離分別為250 m，500 m和900 m。采用2008型微型點壓力采集系統采集波浪壓力，該系統可以自動采集波浪壓強并有相關處理功能，對采集到的點壓力進行后期處理分析。越浪量的測定是在堤頂擋浪墻上方用接水裝置接取越浪水體，通過測量重量或體積得到模型的越浪量。不規則波接取一個完整波列的總越浪水體作為相應歷時的總越浪量，然后計算單寬平均越浪量。按相似準則，將模型越浪量換算成原型越浪量。試驗波浪條件見表1。

表1 試驗波浪條件（重現期50 a）Table 1 Test wave conditions（recurrence period 50 a）

3 試驗結果分析

3.1 斷面1-1

斷面1-1護面塊體穩定性試驗結果見表2。各水位重現期50 a設計波浪作用下，斷面結構均穩定；根據防波堤與護岸設計規范[9]計算得單個護面塊體穩定重量為12 t，實際護面塊體設計值為15 t，與試驗結果相符。

表2 斷面1-1護面塊體試驗結果Table 2 Test results of armor block of section 1-1

通常地，護面塊體重量由規范公式進行計算后，設計還要考慮一定的安全富裕度。本斷面以塊體平放作為支撐棱體，未設置塊石棱體，可能對塊體穩定性產生影響，因此，護面塊體的設計重量略高于規范計算重量；結合斷面物模試驗結論，設計斷面結構穩定，因此，護面塊體設計重量是合適的。

根據規范[10]計算得次生波波高與試驗測得波高對比見表3。結果表明，極端高水位和設計高水位條件下，次生波試驗值明顯大于計算值，誤差百分比（以計算值為基數）分別為18.8%和35.6%，平均為27.2%；設計低水位時，次生波較小，試驗值小于計算值。

表3 斷面1-1次生波波高統計表Table 3 Statistical table of secondary wave height of section 1-1

3.2 斷面2-2

斷面2-2護面塊體穩定性試驗結果見表4。各水位重現期50 a設計波浪作用下，斷面結構均穩定；計算得單個護面塊體穩定重量為4.6 t，實際護面塊體設計值為10 t，試驗表明塊體穩定，說明設計留有一定的富裕度。

表4 斷面2-2護面塊體試驗結果Table 4 Test results of armor block of section 2-2

根據規范計算得次生波波高與試驗測得波高對比見表5。結果表明，各水位條件下，次生波試驗值明顯大于計算值，在極端高水位和設計高水位條件下，誤差百分比（以計算值為基數）分別為43.8%和33.6%，平均為38.7%。

表5 斷面2-2次生波波高統計表Table 5 Statistical table of secondary wave height of section 2-2

3.3 斷面3-3

斷面3-3護面塊體穩定性試驗結果見表6。

表6 斷面3-3護面塊體試驗結果Table 6 Test results of armor block of section 3-3

由表6可知，各水位重現期50 a設計波浪作用下，斷面結構均穩定；根據規范計算得單個護面塊體穩定重量為3.5 t，實際護面塊體設計值為7 t，試驗表明塊體穩定，說明設計留有一定的富裕度。

在極端高水位與50 a重現期波浪組合作用下，不同堤頂高程對應越浪量試驗值及根據規范[10]計算值見表7。結果表明，現狀條件下（頂高程為12.53 m），試驗值與計算值相差較小，誤差百分比為2%。頂高程抬高后，計算得越浪量明顯大于試驗測得的越浪量，換言之，隨著頂高程的抬高，試驗測得越浪量的變化幅度明顯大于計算值。

表7 波浪作用下越浪量統計表Table 7 Statistical table of overtopping discharge under wave actions

擋浪墻受最大水平力時對應的測點壓強分布圖見圖2。

圖2 擋浪墻水平波浪力最大時壓強分布圖Fig.2 Pressure distribution at maximum horizontal wave force of crest wall

擋浪墻水平波浪力試驗值和計算值對比見表8。

擋浪墻最大總水平力為278.7 kN/m。根據JTS 145—2015《港口與航道水文規范》[10]給出的公式計算得水平總力為108.7 kN/m，與試驗值差別較大，試驗值約為計算值的2.6倍。根據總水平力計算方法P=p（d1+Z），影響總水平力的主要因素有平均壓強p和作用高度（d1+Z）。擋浪墻平均壓強計算值p=47.2 kPa，與試驗結果49.4 kPa相差不大，但兩者作用高度差別較大，試驗值約為計算值的2.7倍。由此表明，物模試驗中的壓強作用高度明顯大于規范公式計算結果，是兩者總水平力差異較大的主要原因。

表8 擋浪墻波浪力統計表Table 8 Statistical table of wave force of crest wall

4 結語

1）本次試驗的3個斷面護面塊體設計重量均大于規范公式計算穩定重量，物模試驗與規范公式結論一致，且設計有一定富裕度。

2）總體而言，極端高水位和設計高水位時次生波波高較大，試驗值明顯大于規范公式計算值，差別在20%～40%不等。同時考慮到利用水槽試驗量測堤后次生波波高值手段的局限性，其相較于防波堤三維整體試驗，次生波波高試驗值可能會偏大，因此，具備一定條件下，防波堤堤后次生波波高値可采用三維整體試驗驗證。

3）現狀條件下，越浪量試驗值與計算值相差較小，誤差百分比為2%。隨著頂高程的抬高，試驗測得越浪量的變化幅度明顯大于計算值。

4）影響總水平力的主要因素有平均壓強p和作用高度（d1+Z）。擋浪墻平均壓強計算值與試驗結果相差不大，但兩者作用高度差別較大，試驗值約為計算值的2.7倍。由此表明，物模試驗中的壓強作用高度明顯大于規范公式計算結果，是兩者總水平力差異較大的主要原因，值得后續進行深入研究。