兩種不同消浪塊體護面的斜坡堤對比研究

袁立莎，原 娟，李 超

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

在水運工程斜坡式防護建筑物設計中，護面塊體結構的消浪性能至關重要，其直接關系到水工建筑物的安全性、經濟性和功能性。近些年來，隨著海外工程的不斷建設，逐漸突顯出采用我國自主研發新技術的重要性以及必要性。對于新型消浪塊體，王美茹研發了用于斜坡式護面結構的雙聯型人工塊體，并提出了在有效波高20 cm、平均周期不大于3 s 下雙聯塊體與扭王字塊體的穩定性對比分析；陳漢寶等在波浪水槽試驗驗證了有效波高5 m、平均周期13.83 s 下雙聯塊體的斷面穩定性；王美茹等提出在海域波浪、潮流等復雜水動力條件和泥沙運動活躍的自然條件下，雙聯塊體修復某破損防波堤的關鍵技術和相應建議。通過對以往相關研究資料統計分析可知，在東南亞地區已經有相應的采用我國自主研發新型塊體的工程實際經驗，并通過試驗進行了穩定性驗證，但對于非洲幾內亞灣區域，對于主要受涌浪控制的防波堤結構，相應的研究資料不足，且缺少與扭王字塊體同等條件下的對比研究分析。本文通過非洲幾內亞灣區域某項目防波堤設計，采用雙聯塊體和扭王字塊體作為護面結構開展試驗研究，進行對比分析。

1 工程概況

非洲某防波堤工程區瀕臨幾內亞灣，屬熱帶雨林氣候，全年氣溫較高，年、日氣溫相差較小；降水豐沛，一般4 月～10 月為雨季，11 月～3 月為旱季，全年相對濕度較高，盛行西南風。根據當地2008年～2016 年風速及風向統計資料，多年平均最大風速為11.64 m/s（2015 年），風向為西南風（SW），多年平均風速為4.32 m/s，主導風向為西南風（SW）和西風（W）。

港址區水域開闊，波浪分為風浪和涌浪，且以長周期涌浪影響為主，常年盛行西南風（SW），波浪周期約12～18 s。工程海區的潮汐性質為規則半日潮。根據本項目2019 年約4 個月的潮汐觀測資料統計，最高高潮位為2.21 m，平均高潮位為1.74 m，平均低潮位為0.67 m，最大潮差1.9 m，見圖1。

圖1 工程位置

工程所在海域布設有6 條海流觀測垂線，于2019 年在大、中、小潮期間進行全潮海流觀測。經統計，觀測海區各垂線海流流速表現出由淺層次向深層次逐漸減小的趨勢，各垂線附近海流均指向東向。大部分垂線最大流速均發生在較淺層次；大、中、小潮最大流速變化趨勢不明顯。在大潮期間，實測最大流速為53 cm/s，流向為78°；最大垂線平均流速為41 cm/s，流向為79°；最大余流流速為35.7 cm/s，流向為77°。在中潮期間，實測最大流速為64 cm/s，流向為77°；最大垂線平均流速為45 cm/s，流向為75°，最大余流流速為33.7 cm/s，流向為76°。在小潮期間，實測最大流速為47 cm/s，流向為91°；最大垂線平均流速為33 cm/s，流向為92°；最大余流流速為27.6 cm/s，流向為72°。

根據本項目2019 年觀測資料和潮汐表的相關資料推算，所在海域的設計高水位為2.8 m（海圖基準面），設計低水位為0.3 m，極端高水位為2.8 m。試驗波浪要素為數模推算值，見表1。

表1 防波堤工程設計波浪要素（50 年一遇）

考慮到越浪水體產生的次生波高對港內停泊的小型船只作業、系泊的影響，防波堤試驗設計斷面頂高程為6.0 m，堤頂寬度為7.5 m，堤心采用1～500 kg 塊石，防波堤迎浪側堤腳采用單重為100～200 kg 大塊石護底，護底厚度為0.8 m，護底寬度為15 m，斷面采用1:1.5 斜坡，迎浪側斜坡、堤頂、背浪側斜坡護面采用兩種方案，方案一為4 t 扭王字塊體護面，方案二為4 t 雙聯塊體護面，下設墊層200～400 kg 塊石，迎浪側和背浪側斜坡坡腳均平鋪兩排塊體，平鋪塊體頂高程為-2.0m，塊體前采用200～400 kg 拋石棱體掩護，拋石棱體頂高程為-2.5 m，見圖2、圖3。

圖2 防波堤斷面示意

圖3 護面塊體結構

2 物理模型試驗

試驗按照《港口工程技術規范》及《波浪模型試驗規程》進行，采用不規則波，按正態重力相似準則設計模型。結合試驗斷面及設備性能等因素確定模型長度比尺為λ=32。

時間比尺：λt=λ1/2

壓強比尺：λp=λ

越浪量比尺：λp=λ2/3

不規則波波譜取JONSWAP 譜：

式中：

Hs為有效波高（m）；Tp為譜峰值周期（s）；γ為譜峰值參數，取3.3。

試驗水槽長80 m、寬1.0 m、高1.5 m，水槽一端安裝不規則造波機，另一端設置消波系統，水槽縱向分為兩部分，一部分鋪設試驗斷面，另一部分用以消除波浪的二次反射。試驗中扭王字塊體的擺放按照Rock Manual (2007) 的相關規定，采用菱形定點隨機擺放，相鄰兩個塊體的擺放方向不同，每個塊體均保持與下墊層接觸。雙聯塊體同樣采用定點隨機擺放方法。護面塊體失穩判別標準以塊體滾落或位移累積超過塊體最大幾何尺度的一半為失穩。

3 試驗結果分析

3.1 斷面穩定情況

試驗主要采用單向不規則波進行。斷面模型試驗過程采用水位順序為：設計低水位→設計高水位→極端高水位→設計高水位→設計低水位。

試驗穩定情況見表2。

表2 試驗穩定情況對比

迎浪側護底塊石由于護底塊石高程相對較高，護底塊石上水深相對較小，且波浪較大，波浪底部流速較大，且波浪在護底和迎浪面斜坡下部之間破碎，波浪作用強烈。設計低水位及相應波浪組合作用下，護底塊石大量滾動；設計高潮位及極端高潮位時，塊石少量滾動。

迎浪側拋石棱體在設計低水位時，由于拋石棱體頂高程相對較高，護底塊石上水深相對較小，且波浪較大，波浪底部流速較大，設計低水位及相應波浪組合作用下，護底塊石少量滾動；設計高潮位及極端高潮位時，塊石個別滾動。

采用扭王字塊體護面的防波堤斷面，由于大部分波浪在護底和斜坡之間破碎，波浪對護面作用較強，在設計高潮位1.8 m 及相應波浪組合作用下，迎浪面個別塊體晃動；在極端高潮位2.8 m 及相應50 年一遇波浪組合作用下，迎浪面個別塊體輕微晃動，由于越浪量較大，且越浪形成了成片水體，對堤后作用較大，堤后個別塊體晃動。

采用雙聯塊體護面的防波堤斷面，大部分波浪在護底和斜坡之間破碎，波浪對護面作用較強，在設計高潮位1.8 m 及相應波浪合作用下，迎浪面個別塊體晃動；在極端高潮位2.8 m 及相應50 年一遇波浪組合作用下，由于越浪很大，越浪形成成片水體，越浪水體對堤后護面塊體作用較大，經過波浪相當于原型2 小時作用后，個別塊體晃動。

3.2 越浪量及堤后波高

設計高潮位1.8 m 及相應2 年一遇波浪作用下，個別大波作用時有浪花飛濺，越浪量很小；設計高潮位1.8 m 及相應50 年一遇波浪作用下越浪量為0.061 m3/(m·s)，越浪形成成片水體；極端高潮位2.8 m 及相應 50 年一遇波浪作用下越浪量為0.151 m3/(m·s)。堤后波高見表3、表4。

表3 設計高潮位50 年一遇波浪作用下堤后波高/m

表4 設計高潮位2 年一遇波浪作用下堤后波高/m

4 結語

結合某斜坡式防波堤工程實例，通過室內水槽波浪物理模型試驗，研究分別采用雙聯塊體和扭王字塊體作為護面結構的防波堤穩定性問題等，以及堤后波高及越浪量情況。該模型試驗驗證，在不同水位和重現期波浪的連續作用下，堤身整體及護面塊體均基本穩定。雙聯塊體與扭王字塊體在穩定性上具有同級別的安全性。

但值得注意的是，該工程區域為沙質海岸，底坡較陡，波浪較大，且長期處于涌浪作用條件下，應考慮一定的安全富裕儲備。同時，護面塊體的安放質量將會極大影響防波堤結構整體的穩定情況，特別是在存在施工作業條件、人工、設備受限等因素的地區，在護面結構塊體實施中要嚴格控制塊體擺放數量和隨機安放的鉤聯效果。