中外港口規范對比研究Ⅲ：防浪結構護面塊體穩定性計算標準

王 瞇，信 書，耿寶磊，李思瑤

(1.重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；3.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；4.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，大連116023)

海岸的防護工程通常指保護靠海的城市鄉鎮、田地和岸灘，防止風暴潮來襲導致的泛濫淹沒，抵御海浪、水流的沖刷與侵襲的各項工程設施，其中包括海堤、護岸以及保灘工程。中國在海岸防護工程方面的經驗非常豐富，規模也很龐大，同時荷蘭、美國、日本等國家在海岸防護方面也有著先進的技術和經驗，但由于各國港口規范不盡相同，所以對規范的對比研究變得十分重要，這有益于對各國的技術有更加準確深入地了解。

近年來，國內諸多學者對國內外港口相關規范進行了比較研究：王帥等[1]以斜坡式防波堤護面塊體設計為例，將英國規范與中國規范《防波堤設計與施工規范》內容進行對比；張富玲和王新[2]介紹了在海外防波堤工程設計過程中歐洲規范對于塊石級配的要求，使設計人員在國外標準下對斜坡堤的設計有比較直觀的認識。薛瑞龍等[3]從穩定性、經濟性等諸多方面闡述了海外常用的人工護面塊體的特點，并與中國常用護面塊體進行比較分析；王美茹[4]對比分析了國內外不同結構類型防波堤的發展進程、結構特點以及防浪性能的優劣。俞聿修[5]對比綜述了各國對斜坡式防波堤技術的各項穩定性實驗；朱新宇等[6]對比分析了中英規范中斜坡堤護面穩定重量計算方法的差異；樸正等[7]、潘寶雄[8]簡述了國內外常用塊體穩定重量計算公式并對其影響因素進行了分析與討論。耿寶磊等[9]、陳漢寶等[10]對中外港口規范中關于波浪重現期、越浪量等的差異進行了對比分析，但對國內外規范中防浪結構及護面塊體穩定性計算標準的全面性仍需進一步研究。

在海港工程領域，防波堤、護岸等消浪防護建筑物起著保護其掩護區域免受外海波浪侵襲，為船舶停泊、作業提供平穩、安全的水域條件，防止港池淤積和岸線侵蝕等重要作用。由此可見，防浪結構的安全問題極為重要。本文對國內外規范在防浪結構及護面塊體穩定性計算標準的差異進行系統的比較研究，為涉外工程設計者提供參考。

1 防浪結構類型

防浪工程有生物措施(如草皮、蘆葦、防浪林)和工程措施(如塊石、混凝土板護坡、防浪墻、防波堤等)。各國規范明確定義的防浪結構主要為防波堤，參照日本規范，防波堤可按下圖所示分類。

1-a 按功能分類 1-b 按結構分類

2 各國規范中斜坡堤護面塊體穩定性計算標準

由于斜坡堤具有消波性能良好、易修復、對地基的允許承載力要求不高、可修建在較軟弱的地基上、可充分利用當地的砂石材料等特點，廣泛應用于港口工程中。拋筑在斜坡式堤的護面層上以保證堤身在波浪作用下穩定的各種特定形狀的混凝土塊體或塊石，即護面塊體。護面塊體作為防波堤的最外層盔甲，其護面塊體穩定重量計算的結果將極大程度決定整個堤的安全。

2.1 中國規范

《防波堤與護岸設計規范》[11]明確指出，當波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角小于22.5°且堤前波浪不破碎，斜坡堤堤身在計算水位上、下1.0倍設計波高之間的護面塊體，單個塊體的穩定重量可按Hudson公式計算。對于設計波浪平均周期大于10 s或設計波高與設計波長之比小于1/30的坦波，塊體重量應進行模型試驗驗證。

(1)

(2)

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；H為設計波高，m，取H1/10；KD為塊體穩定系數，可按表1確定；α為斜坡與水平面夾角，(°)；γ為水的重度，kN/m3。

表1 穩定系數KDTab.1 Stability coefficient KD

斜坡式防波堤其他部位和其他情況下的塊體穩定重量，需另行選定如下：

(1)寬肩臺斜坡堤護面塊石的重量，可取拋填塊石穩定重量的1/20～1/5。

(2)一般斜坡堤，當外坡水下拋石棱體的頂面高程在設計低水位以下1.0倍設計波高值時，棱體的塊石重量可取按式(1)計算的塊石重量的0.3～0.4倍。

(3)對外坡設有肩臺的深水斜坡堤，當肩臺頂面高程在設計低水位以下1.5倍設計波高值處以上時，肩臺上下護面宜采用同一類型和規格的人工塊體；當肩臺頂面高程在設計低水位以下1.5倍設計波高值時，肩臺以下護面的塊體重量不應小于肩臺以上護面塊體重量的0.5倍。

(4)內坡護面塊體的重量應符合下列規定。當堤頂高程定在設計高水位以上不小于0.6倍設計波高值處(對允許越浪的斜坡堤)時，從堤頂到設計低水位以下0.5～1.0倍設計波高之間的內坡護面塊體重量，應與外坡護面的塊體重量相同；其下的內坡護面塊體，宜采用與外坡護面墊層相同重量的塊石，但不應小于150～200 kg，且應按堤內側波浪進行復核。當堤頂高程按波浪爬高計算(對防護要求高的斜坡堤，并宜控制越浪量)確定時，內坡護面應按堤內側波浪進行計算，且不宜小于外坡護面墊層塊石的重量。

(5)堤頂塊體的重量宜與外坡塊體相同。當堤頂高程在設計高水位以上不足0.2倍設計波高值時，其重量不應小于外坡護面塊體重量的1.5倍。

(6)斜坡堤堤頭部分的塊體重量，可按式(1)計算堤身塊重的結果增加不少于30%；對位于波浪破碎區的堤身和堤頭的塊體重量，均應相應再增加不少于25%，必要時可通過模型試驗確定。

(7)對斜向波當波向線與斜坡堤縱軸線法線夾角大于22.5°時，護面為塊石或四腳空心方塊時的重量可以折減，其護面塊體重量可按式(1)計算，但式中的KD應以KDβ代替，KDβ可近似按下式計算

(3)

式中：KDβ為斜向波作用時護面塊石或四腳空心方塊的穩定系數；KD為正向波作用時護面塊石或四腳空心方塊的穩定系數；k為試驗參數，四腳空心方塊取1.47，塊石(拋填2層)取1.55；β為波向線與斜坡堤縱軸線法線的夾角(°)，適用于22.5°～67.5°。

2.2 英國規范

英國規范對防波堤失效的定義是防波堤實際上已不再能對港口或陸域提供掩護，或損壞的修理費用(包括商業經營方面的損失)達到不可接受的程度。英國海工建筑物標準《Maritime Structures》[12]指出，塊體護面層是斜坡式防波堤中最重要的部分，它的損壞將導致堤身其他部位的破壞(如胸墻倒塌、墊層和堤沖蝕等)。

多年來，為尋求波高和護面塊體穩定重量間的關系，已提出了許多經驗或半經驗公式。PIANC于1976年已列出16個公式，其中最常用的是Hudson公式。該公式是通過大量的規則波對天然塊石護面堤作用的水工模型試驗而提出的，是在堤高足夠且基本不越浪的條件下求得，因此該公式不適用于堤頂高程不足的防波堤。在初步設計階段，對于天然塊石，Hudson公式中的KD值可查表2。

表2 應用Hudson公式計算塊重時KD的建議值Tab.2 Suggested KD values for rock armor using Hudson formula

同時英國規范也給出應用于天然塊石的Van der Meer公式

對于破波(ξm<2.5～3.5)

(4)

對于未破波(ξm>2.5～3.5)

(5)

式中：Hs為有效波高，m；D50為中值粒徑(等值立方體，m)；X為塊石相對于水的相對密度；α為坡角；S為損壞率；N為波浪個數；ξm為波浪破碎相似參數，ξm=tanα/(2πHs/gT2)0.5；T為波浪的上跨零點平均周期，s；P為堤心滲透性參數；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

損壞率S定義為S=A/D502，其中A為受沖蝕部位的斷面面積。“初始”損壞定義為D50大小塊石掉落1～3塊，相當于Hudson公式中5%的損壞率。應用式(4)及(5)主要問題在于如何估計堤心滲透性參數，P的建議值為：相對不透水堤心取0.1，均質塊石堤心取0.6。

通過選用來自水工模型試驗的適當KD值，Hudson公式可應用于任意擺放的人工塊體，但這只用作初步選擇塊重，以供進一步做水工模型試驗之用。該公式不適用于規則擺放的塊體。在初步設計階段，堤身段的KD值建議按表3所示值選用。

表3 堤身人工塊體的KD初步建議值Tab.3 Suggested preliminary KD values for concrete armor units in structure trunk

實踐表明，增大塊重將導致護面塊體實際強度減弱，建議人工塊體最大限重如表4所示。

表4 建議的人工塊體的最大限重Tab.4 Suggested maximum sizes of concrete armor units

2.3 美國規范

美國港口規范《Coastal Engineering Manual》[13]提到，復雜的波流沖擊使得無法計算作用于護面塊體的流動力。此外，復雜的塊體形狀及其隨機放置使得無法計算相鄰塊體間的相互作用。因此，不能進行瞬時護面塊體穩定性條件的確定性計算，這也是穩定性公式基于水工模型試驗的原因。

塊體穩定性公式只適用于概念設計，且應該考慮這些公式的不確定性。根據SPM測試結果，在破碎波情況下，一般不推薦使用單層護面塊石，而中國規范在相同情況下給出的KD=5.5。而且美國規范認為護面塊體安放范圍應該在最低水位下1.5H的位置，超過1.5H小于2H，護面塊體的穩定重量可采用W/2。例如，常用的Hudson公式是基于兩層護面塊石、規則波、不越浪的實驗經驗公式。美國分別于1977年、1984年在不同試驗條件下對護面塊石的穩定系數進行了測試，其穩定系數選取具體可參考表5和表6。一般考慮H1/10=1.27Hs，由此可見SPM于1984年提出的KD系數較1977年更偏安全，且進一步提出了人工護面塊體KD值。

表6 基于1984年SPM規則波實驗值KDTab.6 KD-value by SPM 1984, H=H1/10

表5 基于1977年SPM規則波實驗值KDTab.5 KD-value by SPM 1977, H=Hs, for slope angles 1.5≤cosα≤3.0 (based entirely on regular wave tests)

2.4 日本規范

日本港口設施技術標準與評述《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》[14]指出，為了保護斜坡堤上的碎石，有必要確保護面塊體有足夠穩定的質量，這樣它就不會自己散開。這種穩定的質量，通常可以通過水工模型試驗或使用適當的公式計算得到。

Hudson公式基于規則波模型試驗，當將它應用到現實中不規則波情況下，該使用何種波高就成了一大問題。但是，對于由石塊或人工塊體構成的結構，當不規則波列中最大波高的單波波浪襲擊護面塊體時一般不會破壞，而是在不同波高波浪連續作用下發生破壞。考慮到這個事實和過去的經驗，用斜坡處入射波的有效波高作為Hudson中的波高，因為有效波高是代表一個隨機波列的總體規模。但是請注意，對于水深小于等效深水波高一半的地方，應使用水深等于等效深水波高一半的有效波高。

(6)

Ns3=KDcotα

(7)

研究發現，在10%的誤差范圍內，產生同等損壞率的規則波高與不規則波的有效波高的比值在1.0～2.0之間。換句話說，不規則波的作用比規則波的作用更具有破壞性。

Hudson建議天然塊石質量增加約10%，而在人工塊體質量增加約30%。然而，由于這被認為是不夠的，因此規范建議最好是使用質量至少為式(6)所給出數值的1.5倍的護面塊體。

由于波浪對水面下的斜坡堤的作用比水面以上的作用弱，在靜水面以下大于1.5Hs水深，護面塊體質量可適當減小。波浪從不同方向沖擊著堤頭，堤頂向后方倒塌較前方的風險更大。因此堤頭的塊石重量應比式(6)更重。

規范引用美國陸軍工程海岸工程研究中心于1984年出版的護岸手冊《Shore Protection Manual》中防波堤堤身部分KD取值標準，見表7。

表7 美國陸軍工程兵團海岸工程研究中心提出的防波堤堤身KD值Tab.7 KD Value of rubble stones proposed by C.E.R.C. (breakwater trunk)

然而，到目前為止大多數的KD值均未充分結合各種影響因素，如結構和波浪的特性等，基于該公式的結構設計往往無法保證經濟性。為了計算出更合理的護面塊體穩定重量，因此最好使用與所討論的條件相匹配的實驗結果，或者使用計算公式、計算圖。

此外，日本規范還引用了1987年Van der Meer對高堤頂斜坡堤做的系統試驗后提出的護面塊體穩定重量計算公式，該公式不僅考慮了坡度、還考慮了波陡、波數和損壞程度。為了便于計算，下列公式與Van der Meer原始公式略有改動，用H1/20替代了H2%。

Ns=max(Nspl,Nssr)

(8)

Nspl=6.2CHP0.18(S0.2/N0.1)ξm-0.5

(9)

Nssr=CHP-0.13(S0.2/N0.1)(cotα)0.5ξmP

(10)

3 各國規范的比較分析

由于Hudson公式形式簡單，且一般情況下可以獲得較好的結果，在國內外均得到普遍應用，但國內外對其適用范圍作了不同的規定。中國規范將天然塊石統歸為“塊石”對其KD值進行規定，國外規范根據塊石光滑、圓潤程度進一步細分后給出KD取值標準；英國、日本規范中天然塊石的擺放方式僅為隨機擺放，而中國、美國規范還包括規則擺放；各國規范均對最常見的2層天然塊石擺放進行規定，此外，中國規范還可適用于1層塊石擺放，英國、日本規范可適用于3層及以上塊石擺放。僅中國、英國、美國規范對人工護面塊體KD值進行羅列，其中美國規范將人工護面塊體統歸為“三角錐體”、“四角椎體”，中國、英國規范對具體的塊體形式進行了標定。英國、美國、日本規范詳細列出了不同波浪類型(破波、未破波)作用于斜坡堤時的KD取值標準，中國規范表中取值僅適用于未破波，并強調破波情況下的護面塊體重量至少為未破波的1.25倍，即KD破波≤ 0.8KD未破波。英國、美國規范對斜坡堤堤頭、堤身護面KD取值情況分別作了羅列，中國規范表中取值僅適用于堤身，并強調堤頭護面塊體重量至少為堤身的1.3倍，即KD堤頭≤0.76KD堤身。國外規范對適用的坡度范圍進行了相應說明，但中國規范中未見相關規定。此外，中國規范還規定了斜向波作用時相應的穩定系數。具體數據區別見表8。

表8 Hudson公式適用范圍中外對比Tab.8 Comparison of the application range of Hudson formula between China and Foreign countries

由表8數據可知，相較之下中國規范中對穩定系數的取值大于英國、美國、日本規范中相應值，意味著按中國規范計算所得穩定重量更小。例如中國規范扭王字塊、扭工字塊的穩定系數15～18，而英國規范相應值為10～12，這就導致相同設計波浪情況下計算所得護面塊體穩定重量英國規范為中國規范的1.5～1.8倍。英國規范中2層天然塊石堤頭穩定重量為堤身的1.25、1.43、1.74倍(相應坡比1.5、2.0、3.0)，同等情況下計算所得中國規范中堤頭穩定重量為堤身的1.3倍。此外，英國規范列出了西方國家已經廣泛采用的Van der Meer方法，該方法基于不規則波試驗，除了考慮Hudson公式中已經考慮的因素外，還分別考慮了波浪形態、周期、波陡、風暴延時、堤身結構滲透性，以及波浪作用后的堤面破壞水平的影響，該方法被認為是至今計算護面塊重上考慮因素最多、最全面的一種方法，但由于參數眾多，實際工程設計中應用較少，且一般與Hudson公式進行對比計算，綜合選取較大值。

Hudson公式由于是通過規則波試驗條件下針對天然塊石護面提出來的，而現實中的波浪是不規則的；其并沒有考慮到周期與越浪、波浪形態、堤身透水性等因素，而且其對于石塊適用于1∶1.5～1∶5的坡度，對于人工異型塊體則適用于1∶1.5～1∶3的坡度，這也是計算塊體穩定性時所要考慮的因素。日本與歐美國家應用Hudson公式時在KD值的選取上基本是一樣的，其規范建議在使用該公式計算穩定重量時，要取計算數值的1.5倍。

4 結語

通過對各國護面塊體穩定性標準的對比分析，可以看出中國在塊體穩定系數的取值上更偏于保守，比國外規范大20%以上，這也意味著在同等設計波高條件下塊體穩定重量更小，這將在工程造價、施工難度等方面增強與國外承包商的競爭力。但同時我們也可以看出國外規范在計算塊體穩定重量時，對于穩定系數取值考慮的因素更全面，其穩定系數的分類也更為詳細，這將為我們開發新型塊體及研究塊體穩定性提供啟發與幫助。