中、歐標準斜坡式防波堤設計對比分析

原 娟，袁立莎，張 余，高萬國

（中交第一航務工程勘察設計研究院有限公司，天津 300220）

引言

防波堤主要是用來防御波浪的侵襲，維護港內水域的平穩，以保證船舶在港內安全地停泊和進行裝卸作業，直接承受巨大的波浪力作用。斜坡式防波堤是常用的防波堤結構形式，在港口工程中有廣泛應用，一般適用于水深不大，當地有價格便宜的大量石料的情況，或地基較軟的情況。斜波堤結構設計包括斷面尺度的確定，護面塊體的穩定重量計算，護底塊石的穩定重量計算，波浪爬高計算等。歐標與國標關于防波堤結構設計的構造要求，計算參數選取，具體計算方法等均有所區別。本文以斷面尺度設計、波浪爬高計算、護面及護底塊石穩定重量計算、構造要求等內容為例，分析對比歐洲標準與中國標準關于斜坡堤設計的差別。

1 斷面尺度設計

1.1 斜坡堤堤頂高程

國標[1]規定，對允許越浪、頂部無胸墻的斜坡堤，堤頂高程宜定在設計高水位以上不小于0.6 倍設計波高值處；對塊石、四腳空心方塊、柵欄板護面的斜坡堤堤頂高程，宜定在設計高水位以上不小于0.7 倍設計波高值處；對基本不越浪的斜坡堤和寬肩臺拋石斜坡堤，堤頂高程宜定在設計高水位以上不小于1 倍設計波高值處，對防護要求較高的斜坡堤，應按波浪爬高計算確定其堤頂高程，并需控制越浪量。

歐標[3-4]規定，防波堤的頂高程根據內側結構物和設施允許的越浪量確定，對于傳統的不設置擋浪墻的拋石斜坡堤，沒有公共服務和行車的需求，控制越浪量僅由港內泊穩條件及堤頂和內坡護面塊體的穩定情況確定。The rock manual 根據斜坡堤的功能需求提供了控制越浪量的參考標準。根據需要采用陸上推進施工方法時，堤心頂高程不宜小于高水位以上1 m。設計堤頂高程需要考慮工后沉降及由于氣候變化引起的平均海平面上升。

1.2 斜坡堤堤頂寬度

國標規定可取不小于1.1 倍設計波高，且在構造上至少能并列放兩排或隨機安放3 塊人工塊體。

歐標規定斜坡堤堤頂寬度至少能安放3 塊護面塊石或人工塊體。當采用塊石護面時，堤頂最小寬度通常為3～4 塊護面塊石的寬度，護面塊石堆放時應滿足最大連鎖性或最大堆積密度，以保證在波浪作用下的最大穩定性。堤頂寬度還要考慮堤心寬度的影響，堤心寬度需要滿足施工機械作業的要求。堤心高度至少位于高水位以上1 m，開敞條件時位于MHWS（大潮平均高潮面）以上2～3 m。

1.3 邊坡坡度

國標根據不同護面形式對斜坡堤邊坡坡度有不同的要求，塊石護面的邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。

歐標中采用塊石護面時斜坡堤邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。當考慮地震影響或地質條件較差時，邊坡應采用稍緩的坡度。

2 波浪爬高計算

歐標中通常采用波浪爬高Ru2%（水舌高度超越該爬高的概率為2 %），根據坡面的粗糙程度，堤身的透水性等可以采用不同的計算公式（圖1）。Ru2%的計算與有效波高、坡度和波陡有關。對于斜向波，根據波浪方向與防波堤軸線法向之間的夾角提供了修正系數。修正系數為該式適用于0°≤β≤80°，β 為波浪行進方向與防波堤軸線法向的夾角。對于帶肩臺的斜坡堤，TAW(2002a)給出了修正系數的計算方法。修正系數為γb=1 -kB(1-kh)，γb的計算值在0.6 和1.0 之間。該方法適用于肩臺的寬度小于1/4 深水波波長且肩臺坡度緩于1:15。式中kB為肩臺寬度影響系數，kh為肩臺中間位置深度與靜水位之間關系的函數。kB與kh的具體計算公式可查閱The Rock Manual[3]。

圖1 爬高計算方法Fig.1 Calculation methods for wave run-up

圖2 功能位置示意圖Fig.2 Functional location diagram

我國《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015（2022 版））[2]規定斜坡式建筑物上的波浪爬高分別計算規則波的波浪爬高和風直接作用下不規則波的爬高。爬高計算與護面形式（糙滲系數），有效波高，波陡及坡度等有關。但是規范中公式僅適用于正向波，關于帶肩臺的斜坡堤的波浪爬高如何修正沒有相應公式。

3 護面及護底穩定重量計算

歐標中計算斜坡堤護面塊石的公式可以用Hudson 公式或Van der Meer 公式。其中，Hudson公式不考慮波浪周期、碎波相似性參數，波浪破碎情況、風暴持續時間、堤心的滲透性對護面塊體的穩定性影響等，Van der Meer 公式可以考慮這些因素，但是公式中的波浪個數、滲透參數等參數不易確定。設計時一般選用Hudson 公式計算護面塊石。

式中：HD為設計波高，在波浪不破碎條件下，設計波高為H1/10；對于H1/10波浪在到達防波堤之前會破碎的情況，設計波高取Hb（破碎波高）或有效波高Hs 中的大值，H1/10=1.27 Hs。KD為穩定系數，塊石護面的穩定系數如表1。

表1 KD 建議值Tab.1 Suggested KD values

《防波堤與護岸設計規范》（JTS 154-2018）中護面塊體穩定重量計算同樣采取Hudson 公式，不同的是設計波高根據平均波高與水深的比值取H5%或H13%。平均波高與水深的比值≥0.3 時，取H13%，反之取H5%。

歐標中穩定系數對于堤身、堤頭、不同坡度、波浪是否破碎取值不同（如表1）。破碎波對應穩定系數為非破碎波的0.5 倍，相應的護面塊石重量增加50 %；堤頭位置穩定系數根據坡度不同，為堤身穩定系數的0.575～0.8 倍，相應的護面塊石重量需增加25 %～74 %，坡度越緩堤頭護面塊石重量需相應增加的越多。國標中穩定系數為固定數值（KD=4），對于堤頭和破碎波通過構造要求調整護面塊石的大小。堤頭部分的塊體重量，按堤身塊體重量增加不少于30 %，對位于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 %。

歐標中對護底塊石穩定重量沒有明確計算公式，設計中可采用護趾公式計算的塊石重量來能滿足護底塊石的穩定要求。

護趾塊石穩定重量通過ht/h 與穩定個數Hs/（△Dn50）的關系確定，如表2。表中ht為護底以上的水深，h 為堤前水深。Hs 為有效波高△,為塊石相對重度=)1/(-γγb(γb為石料重度，γ 為水的重度)，Dn50為護趾塊石的中值粒徑。

表2 護底塊石中值粒徑計算Tab.2 Calculation for median nominal diameter of bedding layer

當ht/h<0.5，護趾塊石的穩定重量應采用護面塊石穩定重量的計算方法。《防波堤與護岸設計規范》（JTS 154-2018）規定護底塊石的穩定重量根據堤前最大底流速確定。最大波浪底流速根據設計波高（H13%）、水深、波長等計算，根據最大底流速查規范表格可得到對應的護底塊石重量。

4 構造要求對比

1）墊層塊石的穩定重量

國標規定，對外坡護面為隨機安放人工塊體時的墊層塊石可取護面塊體重量的的1/20～1/10。

歐標規定，墊層塊石穩定重量取護面塊石穩定重量的1/15～1/10。

2）堤頭

國標規定堤頭段的長度可采用15 m～30 m，深水斜坡堤堤頭段長度不宜小于堤身高度值的2 倍；堤頭部分的護面結構穩定重量按堤身穩定重量增加不少于30 %。

歐標規定堤頭段的長度取1～2 倍堤身高度；堤頭的護面塊體穩定重量計算時取小于堤身的穩定系數值。

3）護底塊石

國標規定，對砂質海底，在護底塊石層下宜設置厚度不小于0.3 m 的碎石層或土工織物濾層。

歐標規定，當海底為松散的砂子或更細的土時，可以采用石頭或土工織物濾層。對石料濾層的級配要求或厚度及土工織物的透水性等提出了明確要求和具體計算方法[3,5,8]。

5 工程案例

計算以坦桑尼亞某項目防波堤為例，對歐標和國標的計算結果進行分析比較。該項目防波堤采用拋石斜坡結構，斜坡坡度為1:2，護面采用塊石結構，為防止波浪引起的沖刷，迎浪側設5 m 寬的塊 石護底，背浪側設3 m 寬的塊石護底。

設計高水位和設計低水位分別為：772.2 m 和770.6 m。設計高水位設計波浪要素見表3。

表3 設計波浪要素Tab.3 Wave parameters

國標和歐標關于波浪爬高、護面塊石穩定重量及護底塊石穩定重量的計算結果如表4～7 所示：

表4 波浪爬高Tab.4 Wave run-up

表5 歐標護面塊石穩定重量Tab.5 Weight of rock armour by Euro code

表6 國標護面塊石穩定重量Tab.6 Weight of rock armour by Chinese standard

表7 護底塊石穩定重量/kgTab.7 weight of bedding layer/kg

表中RU2%中采用Van der Meer 方法，該方法適用于粗糙坡面的斜坡堤，對透水堤和不透水堤均適用。

該方法的一般公式為:

對于透水堤波浪爬高的限值為：

式中：

a，b，c，d-系數分別為0.96，1.17，0.46，1.97；

ξm為破碎參數，ξm=tanα/√som；

som—波陡，som=H/L0=2πH/(g×T2)；

α—斜坡坡度。

國標結果明顯小于歐標結果，對國標和歐標的計算公式進行比較，國標波浪爬高取累計頻率13 %的爬高，歐標取超越概率2 %的爬高。

將國標不規則爬高累計頻率取為2 %，爬高結果為2.15 m，3.3 m，4.21 m，4.94 m 與歐標結果基本一致，可見國標與歐標波浪波高結果的不同主要是由于累計頻率取值不同，即標準不一致造成的。

從兩種規范計算結果對比分析，波浪不破碎時，歐標計算波高為國標計算波高的1.27 倍；波浪破碎時，歐標穩定系數折減為2.0，而國標則將塊石穩定重量擴大25 %。導致歐標塊石穩定重量明顯大于國標結果，為國標塊石重量的1.3～2 倍。

兩種規范的護底塊石重量都與波高和水深有關，國標中還與波浪周期有關。用國標方法計算的護堤塊石穩定重量要大于歐標方法。

6 結語

通過工程實例的對比研究，可得出如下結論：

歐標中對于計算波浪爬高、護面塊石穩定重量等沒有指定的公式，計算時需要根據波浪、水深、結構型式等選擇適用的公式。

歐標中波浪爬高取積累概率2 %的爬高，國標中取積累概率13 %的爬高。

歐標中護面塊石計算中設計波高取值為H1/10=1.27 Hs，對于破碎波浪穩定系數進行折減，由于這些原因導致歐標塊石穩定重量明顯大于國標結果，為國標塊石重量的1.3～2 倍。

對于不同標準下參數的選取，直接影響設計成果的規格、工程量進而對造價產生不可忽視的影響，在工程項目設計中要尤為重視。