中、歐標(biāo)準(zhǔn)斜坡式防波堤設(shè)計(jì)對(duì)比分析

原 娟，袁立莎，張 余，高萬(wàn)國(guó)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300220）

引言

防波堤主要是用來(lái)防御波浪的侵襲，維護(hù)港內(nèi)水域的平穩(wěn)，以保證船舶在港內(nèi)安全地停泊和進(jìn)行裝卸作業(yè)，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(jié)構(gòu)形式，在港口工程中有廣泛應(yīng)用，一般適用于水深不大，當(dāng)?shù)赜袃r(jià)格便宜的大量石料的情況，或地基較軟的情況。斜波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括斷面尺度的確定，護(hù)面塊體的穩(wěn)定重量計(jì)算，護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量計(jì)算，波浪爬高計(jì)算等。歐標(biāo)與國(guó)標(biāo)關(guān)于防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求，計(jì)算參數(shù)選取，具體計(jì)算方法等均有所區(qū)別。本文以斷面尺度設(shè)計(jì)、波浪爬高計(jì)算、護(hù)面及護(hù)底塊石穩(wěn)定重量計(jì)算、構(gòu)造要求等內(nèi)容為例，分析對(duì)比歐洲標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于斜坡堤設(shè)計(jì)的差別。

1 斷面尺度設(shè)計(jì)

1.1 斜坡堤堤頂高程

國(guó)標(biāo)[1]規(guī)定，對(duì)允許越浪、頂部無(wú)胸墻的斜坡堤，堤頂高程宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于0.6 倍設(shè)計(jì)波高值處；對(duì)塊石、四腳空心方塊、柵欄板護(hù)面的斜坡堤堤頂高程，宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于0.7 倍設(shè)計(jì)波高值處；對(duì)基本不越浪的斜坡堤和寬肩臺(tái)拋石斜坡堤，堤頂高程宜定在設(shè)計(jì)高水位以上不小于1 倍設(shè)計(jì)波高值處，對(duì)防護(hù)要求較高的斜坡堤，應(yīng)按波浪爬高計(jì)算確定其堤頂高程，并需控制越浪量。

歐標(biāo)[3-4]規(guī)定，防波堤的頂高程根據(jù)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)物和設(shè)施允許的越浪量確定，對(duì)于傳統(tǒng)的不設(shè)置擋浪墻的拋石斜坡堤，沒(méi)有公共服務(wù)和行車(chē)的需求，控制越浪量?jī)H由港內(nèi)泊穩(wěn)條件及堤頂和內(nèi)坡護(hù)面塊體的穩(wěn)定情況確定。The rock manual 根據(jù)斜坡堤的功能需求提供了控制越浪量的參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)需要采用陸上推進(jìn)施工方法時(shí)，堤心頂高程不宜小于高水位以上1 m。設(shè)計(jì)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(guó)標(biāo)規(guī)定可取不小于1.1 倍設(shè)計(jì)波高，且在構(gòu)造上至少能并列放兩排或隨機(jī)安放3 塊人工塊體。

歐標(biāo)規(guī)定斜坡堤堤頂寬度至少能安放3 塊護(hù)面塊石或人工塊體。當(dāng)采用塊石護(hù)面時(shí)，堤頂最小寬度通常為3～4 塊護(hù)面塊石的寬度，護(hù)面塊石堆放時(shí)應(yīng)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(wěn)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(jī)械作業(yè)的要求。堤心高度至少位于高水位以上1 m，開(kāi)敞條件時(shí)位于MHWS（大潮平均高潮面）以上2～3 m。

1.3 邊坡坡度

國(guó)標(biāo)根據(jù)不同護(hù)面形式對(duì)斜坡堤邊坡坡度有不同的要求，塊石護(hù)面的邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。

歐標(biāo)中采用塊石護(hù)面時(shí)斜坡堤邊坡坡度為1:1.5～1:3.0。當(dāng)考慮地震影響或地質(zhì)條件較差時(shí)，邊坡應(yīng)采用稍緩的坡度。

2 波浪爬高計(jì)算

歐標(biāo)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(jù)坡面的粗糙程度，堤身的透水性等可以采用不同的計(jì)算公式（圖1）。Ru2%的計(jì)算與有效波高、坡度和波陡有關(guān)。對(duì)于斜向波，根據(jù)波浪方向與防波堤軸線法向之間的夾角提供了修正系數(shù)。修正系數(shù)為該式適用于0°≤β≤80°，β 為波浪行進(jìn)方向與防波堤軸線法向的夾角。對(duì)于帶肩臺(tái)的斜坡堤，TAW(2002a)給出了修正系數(shù)的計(jì)算方法。修正系數(shù)為γb=1 -kB(1-kh)，γb的計(jì)算值在0.6 和1.0 之間。該方法適用于肩臺(tái)的寬度小于1/4 深水波波長(zhǎng)且肩臺(tái)坡度緩于1:15。式中kB為肩臺(tái)寬度影響系數(shù)，kh為肩臺(tái)中間位置深度與靜水位之間關(guān)系的函數(shù)。kB與kh的具體計(jì)算公式可查閱The Rock Manual[3]。

圖1 爬高計(jì)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(guó)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015（2022 版））[2]規(guī)定斜坡式建筑物上的波浪爬高分別計(jì)算規(guī)則波的波浪爬高和風(fēng)直接作用下不規(guī)則波的爬高。爬高計(jì)算與護(hù)面形式（糙滲系數(shù)），有效波高，波陡及坡度等有關(guān)。但是規(guī)范中公式僅適用于正向波，關(guān)于帶肩臺(tái)的斜坡堤的波浪爬高如何修正沒(méi)有相應(yīng)公式。

3 護(hù)面及護(hù)底穩(wěn)定重量計(jì)算

歐標(biāo)中計(jì)算斜坡堤護(hù)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(shù)，波浪破碎情況、風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間、堤心的滲透性對(duì)護(hù)面塊體的穩(wěn)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(gè)數(shù)、滲透參數(shù)等參數(shù)不易確定。設(shè)計(jì)時(shí)一般選用Hudson 公式計(jì)算護(hù)面塊石。

式中：HD為設(shè)計(jì)波高，在波浪不破碎條件下，設(shè)計(jì)波高為H1/10；對(duì)于H1/10波浪在到達(dá)防波堤之前會(huì)破碎的情況，設(shè)計(jì)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(wěn)定系數(shù)，塊石護(hù)面的穩(wěn)定系數(shù)如表1。

表1 KD 建議值Tab.1 Suggested KD values

《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 154-2018）中護(hù)面塊體穩(wěn)定重量計(jì)算同樣采取Hudson 公式，不同的是設(shè)計(jì)波高根據(jù)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(shí)，取H13%，反之取H5%。

歐標(biāo)中穩(wěn)定系數(shù)對(duì)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(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為非破碎波的0.5 倍，相應(yīng)的護(hù)面塊石重量增加50 %；堤頭位置穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)坡度不同，為堤身穩(wěn)定系數(shù)的0.575～0.8 倍，相應(yīng)的護(hù)面塊石重量需增加25 %～74 %，坡度越緩堤頭護(hù)面塊石重量需相應(yīng)增加的越多。國(guó)標(biāo)中穩(wěn)定系數(shù)為固定數(shù)值（KD=4），對(duì)于堤頭和破碎波通過(guò)構(gòu)造要求調(diào)整護(hù)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(duì)位于破碎區(qū)的堤身和堤頭的塊體重量，均應(yīng)相應(yīng)再增加不少于25 %。

歐標(biāo)中對(duì)護(hù)底塊石穩(wěn)定重量沒(méi)有明確計(jì)算公式，設(shè)計(jì)中可采用護(hù)趾公式計(jì)算的塊石重量來(lái)能滿足護(hù)底塊石的穩(wěn)定要求。

護(hù)趾塊石穩(wěn)定重量通過(guò)ht/h 與穩(wěn)定個(gè)數(shù)Hs/（△Dn50）的關(guān)系確定，如表2。表中ht為護(hù)底以上的水深，h 為堤前水深。Hs 為有效波高△,為塊石相對(duì)重度=)1/(-γγb(γb為石料重度，γ 為水的重度)，Dn50為護(hù)趾塊石的中值粒徑。

表2 護(hù)底塊石中值粒徑計(jì)算Tab.2 Calculation for median nominal diameter of bedding layer

當(dāng)ht/h<0.5，護(hù)趾塊石的穩(wěn)定重量應(yīng)采用護(hù)面塊石穩(wěn)定重量的計(jì)算方法。《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 154-2018）規(guī)定護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量根據(jù)堤前最大底流速確定。最大波浪底流速根據(jù)設(shè)計(jì)波高（H13%）、水深、波長(zhǎng)等計(jì)算，根據(jù)最大底流速查規(guī)范表格可得到對(duì)應(yīng)的護(hù)底塊石重量。

4 構(gòu)造要求對(duì)比

1）墊層塊石的穩(wěn)定重量

國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)外坡護(hù)面為隨機(jī)安放人工塊體時(shí)的墊層塊石可取護(hù)面塊體重量的的1/20～1/10。

歐標(biāo)規(guī)定，墊層塊石穩(wěn)定重量取護(hù)面塊石穩(wěn)定重量的1/15～1/10。

2）堤頭

國(guó)標(biāo)規(guī)定堤頭段的長(zhǎng)度可采用15 m～30 m，深水斜坡堤堤頭段長(zhǎng)度不宜小于堤身高度值的2 倍；堤頭部分的護(hù)面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定重量按堤身穩(wěn)定重量增加不少于30 %。

歐標(biāo)規(guī)定堤頭段的長(zhǎng)度取1～2 倍堤身高度；堤頭的護(hù)面塊體穩(wěn)定重量計(jì)算時(shí)取小于堤身的穩(wěn)定系數(shù)值。

3）護(hù)底塊石

國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)砂質(zhì)海底，在護(hù)底塊石層下宜設(shè)置厚度不小于0.3 m 的碎石層或土工織物濾層。

歐標(biāo)規(guī)定，當(dāng)海底為松散的砂子或更細(xì)的土?xí)r，可以采用石頭或土工織物濾層。對(duì)石料濾層的級(jí)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(jì)算方法[3,5,8]。

5 工程案例

計(jì)算以坦桑尼亞某項(xiàng)目防波堤為例，對(duì)歐標(biāo)和國(guó)標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。該項(xiàng)目防波堤采用拋石斜坡結(jié)構(gòu)，斜坡坡度為1:2，護(hù)面采用塊石結(jié)構(gòu)，為防止波浪引起的沖刷，迎浪側(cè)設(shè)5 m 寬的塊 石護(hù)底，背浪側(cè)設(shè)3 m 寬的塊石護(hù)底。

設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位分別為：772.2 m 和770.6 m。設(shè)計(jì)高水位設(shè)計(jì)波浪要素見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)波浪要素Tab.3 Wave parameters

國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)關(guān)于波浪爬高、護(hù)面塊石穩(wěn)定重量及護(hù)底塊石穩(wěn)定重量的計(jì)算結(jié)果如表4～7 所示：

表4 波浪爬高Tab.4 Wave run-up

表5 歐標(biāo)護(hù)面塊石穩(wěn)定重量Tab.5 Weight of rock armour by Euro code

表6 國(guó)標(biāo)護(hù)面塊石穩(wěn)定重量Tab.6 Weight of rock armour by Chinese standard

表7 護(hù)底塊石穩(wěn)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(duì)透水堤和不透水堤均適用。

該方法的一般公式為:

對(duì)于透水堤波浪爬高的限值為：

式中：

a，b，c，d-系數(shù)分別為0.96，1.17，0.46，1.97；

ξm為破碎參數(shù)，ξm=tanα/√som；

som—波陡，som=H/L0=2πH/(g×T2)；

α—斜坡坡度。

國(guó)標(biāo)結(jié)果明顯小于歐標(biāo)結(jié)果，對(duì)國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)的計(jì)算公式進(jìn)行比較，國(guó)標(biāo)波浪爬高取累計(jì)頻率13 %的爬高，歐標(biāo)取超越概率2 %的爬高。

將國(guó)標(biāo)不規(guī)則爬高累計(jì)頻率取為2 %，爬高結(jié)果為2.15 m，3.3 m，4.21 m，4.94 m 與歐標(biāo)結(jié)果基本一致，可見(jiàn)國(guó)標(biāo)與歐標(biāo)波浪波高結(jié)果的不同主要是由于累計(jì)頻率取值不同，即標(biāo)準(zhǔn)不一致造成的。

從兩種規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，波浪不破碎時(shí)，歐標(biāo)計(jì)算波高為國(guó)標(biāo)計(jì)算波高的1.27 倍；波浪破碎時(shí)，歐標(biāo)穩(wěn)定系數(shù)折減為2.0，而國(guó)標(biāo)則將塊石穩(wěn)定重量擴(kuò)大25 %。導(dǎo)致歐標(biāo)塊石穩(wěn)定重量明顯大于國(guó)標(biāo)結(jié)果，為國(guó)標(biāo)塊石重量的1.3～2 倍。

兩種規(guī)范的護(hù)底塊石重量都與波高和水深有關(guān)，國(guó)標(biāo)中還與波浪周期有關(guān)。用國(guó)標(biāo)方法計(jì)算的護(hù)堤塊石穩(wěn)定重量要大于歐標(biāo)方法。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)例的對(duì)比研究，可得出如下結(jié)論：

歐標(biāo)中對(duì)于計(jì)算波浪爬高、護(hù)面塊石穩(wěn)定重量等沒(méi)有指定的公式，計(jì)算時(shí)需要根據(jù)波浪、水深、結(jié)構(gòu)型式等選擇適用的公式。

歐標(biāo)中波浪爬高取積累概率2 %的爬高，國(guó)標(biāo)中取積累概率13 %的爬高。

歐標(biāo)中護(hù)面塊石計(jì)算中設(shè)計(jì)波高取值為H1/10=1.27 Hs，對(duì)于破碎波浪穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行折減，由于這些原因?qū)е職W標(biāo)塊石穩(wěn)定重量明顯大于國(guó)標(biāo)結(jié)果，為國(guó)標(biāo)塊石重量的1.3～2 倍。

對(duì)于不同標(biāo)準(zhǔn)下參數(shù)的選取，直接影響設(shè)計(jì)成果的規(guī)格、工程量進(jìn)而對(duì)造價(jià)產(chǎn)生不可忽視的影響，在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中要尤為重視。