２０１２年２月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂ．２０１２ 第２期总第４６３期 ＮＯ．２ ＳｅｒｉａｌＮＯ．４６３ 一 基于物理护模面型块试体李验稳楠定的 斜性研坡式究 防波堤 （湖北省交通规划设计院，湖北武汉４３００５１） 摘要：模型按照重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似。根据试验场地、现有块体质量和试验要求，对试 验断面采用合理的长度比尺。采用电机伺服驱动推板吸收式造波机，并选用合适的波谱按照《波浪模拟规程》要求进行滤 波，对试验断面进行稳定性和越浪量试验。根据试验结果，对原斜坡堤断面进行优化，最终确定了斜坡堤断面，保证斜坡 堤的稳定性和安全性。 关键字：斜坡堤；稳定性；断面；物理模型试验 中图分类号：ＴＶ ８７１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１２）０２—０００８—０３ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｒｍｏｒ ｂｌｏｃｋｓ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｙ ｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ＬＩＮａｎ （Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００５ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｒｏｓｓ——ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｉｃ ｓｉｒｍｉｌａｒｉｔｙ．Ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｓｃａｌｅ ｏｆ ｌｅｎｇｔｈ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｆｅｌｄ，ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗａｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｕｌｅｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｗａｖｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ－ｓｅｒｖｏ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ－ｐｕｓｈｅｒ ｗａｖｅ ｍａｋｅｒ，ｔｈｅｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ——ｓｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｔｏ ｄｅｆｉｎｅ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ 防波堤是港口工程的重要组成部分，是重要 的港口防护建筑物，经常受风、浪、水流和其他 水文、气象等因素的影响，其目的主要是保证港 内水域能满足船舶停泊和码头装卸作业时所需的 泊稳条件。 防波堤结构断面的水力模型试验验证，是防 下的稳定性；观测防波浪墙顶的越浪量，同时观 测护面结构在越顶波浪水流的冲击下的稳定性。 根据试验结果对防波堤断面进行优化，使断面形 式更为合理、经济，为防波堤断面设计提供有效 的科学依据。 本文通过印尼亚齐２×１ １０ ＭＷ燃煤机组码头 工程的防波堤工程设计实例，结合物理模型试验成 果，对斜坡式防波堤的结构优化方法进行探讨。 波堤设计的重要手段之一。根据过去防波堤工程 的情况看，除了波高较小、工程量不大的工程或 者有类似条件下的试验资料时，一般均需进行模 型试验。通过断面模型试验，验证及评价防波堤 １工程概况 断面设计的合理性，包括防波堤的防浪墙、护面 结构（人工块体）、护底结构等不同部位在波浪作用 收稿日期：２０１ｌ－０７—２６ １．１港口位置 印尼国家电力公司（ＰＬＮ）拟建设的印尼亚齐 作者简介：李楠（１９８２～），男，硕士，工程师，从事港口、航道及船闸规划与设计。 第２期 李楠：基于物理模型试验的斜坡式防波堤护面块体稳定性研究 ‘９ （２×１ １０ ＭＷ）电厂项目位于北苏门答腊西海 岸，在Ｎａｎｇｒｏｅ Ａｃｅｈ Ｄａｒｕｓｓａｌａｍ省省会Ｂａｎｄａ Ａｃｅｈ 西南１７５ ｋｍ。地理坐标是北纬Ｏ４。０６．１ １６ ，东经 ９６￣１１．６ 。码头项目系电厂项目的一个重要组成部 表１防波堤断面（一４．０ｍ）设计波浪要素 分，为确保港内泊稳和尽可能减小水温升影响取 水，修建防波堤作为掩护。 １．２设计水位 极端高水位１．１ ３ １ＴＩ（５０ ａ一遇高潮位）， 设计高水位０．４３ ｍ（最高高潮位），设计低水 位一０．３３ ｍ（最低低潮位），极端低水位一０．５３ ｍ （５Ｏ ａ一遇低潮位）。 注：为确保安全，考虑各浪向的最大值作为各断面的试验波要 素，试验时波浪均为正向作用；表中加 号波高为破碎波高；不规 则波有效波高与平均波高比值的允许偏差为±１５％。 差、波浪、地质等自然条件以及石料来源、使用 要求和施工条件等，采用斜坡式防波堤，并考虑 可少量越浪。 工程选取的防波堤断面结构见图１，堤前泥面 １．３设计波浪要素 防波堤堤前设计波浪要素见表１ｌ１］。 高程为一４．０ ｉｎ，堤顶高程为５．９８６ ｍ，堤内、外侧 及顶部均采用４ ｔ扭工字块护面，垫层块石质量为 ２００～４００ ｋｇ；海侧和港侧护底均采用２５０～３００ ｋｇ块 石，端部坡度均为１：２。堤心石质量１０～６００ ｋｇ。 且在堤心石与２００～４００ ｋｇ垫层块石之间采用二片 石和碎石垫层，在碎石垫层与堤心石之间铺设两 布一膜土工布。 ２初始设计方案 防波堤工程是一项技术上比较复杂的工程， 其结构形式常用的一般有斜坡式和直立式。根 据印尼亚齐２×１１０ ＭＷ燃煤机组码头的水深、潮 图１初始设计结构断面 ３模型试验方法及结果 ３．１模型试验的理论及方法 验，根据波浪试验规程规定，每组至少重复３次。 当３次试验现象差别较大时，增加重复次数。每 次试验护面块体均重新摆放。 根据ＪＴＪ／Ｔ ２３４－－２００ １《波浪模型试验规程》 物理模型按重力相似准则设计，结构断面尺 寸满足几何相似。根据ＪＴＪ ２１３—１９９８《海港水文 规范》 设计波高的累积频率标准要求，斜坡式 的要求，断面模型中的扭工字块均采用原子灰加 铁粉配制，质量偏差与几何尺寸误差均满足试验 规程的要求。 ３．２块石及扭工字块稳定性判断 护面块体，护底块石根据平均波高与水深比值， 均采用日 ％。水力模型试验分别采用规则波和不 规则波进行。对于不规则波波谱采用ＪＯＮＳＷＡＰ谱 模拟，将给定的有效波高及周期送人计算机进行 观察块石在波浪累积作用下护面形状的改变 情况，依据其表面是否发生明显变形、是否失去 护面功能判断其稳定性。块石护面表面形状有所 波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰 频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求。 进行各断面稳定性试验时，每个水位条件下 改变但不失去其护面功能，则判定为临界稳定。 扭工字块体护面稳定性根据其位移情况进行 判断。在波浪作用下，扭工字块累积位移超过其 模拟原体波浪作用时间取３ ｈ，以便观察断面在波 浪累积作用下的变化情况。护面块体的稳定性试 ・１０・ 水运工程 最大几何尺度或有滑落或跳出，即判断为失稳。 同时计算其失稳率，失稳率采用下式计算： 凡＝ ／Ｚｄ×１００％ （１） Ｖ１ 式中：ｎ为失稳率（％）；ｎｄ为静水位上、下各１倍设计 波高范围内护面块体的失稳数；Ｎ 为对于出水堤为 静水位上、下各ｌ倍设计波高范围内护面块体总数。 对于随机抛放的２层扭工字块，当设计波高 Ｈ ＜７．５ ｍ时，ＪＴＪ ２９８—１９９８《防波堤设计与施 工规范》Ｉ４ 规定其允许失稳率为１％。 ３．３试验过程及结果 断面结构组成见图１，模型布置见图２。摆好 断面后进行极端高水位的试验。 注：底高程一４．０，扭工字块质量为４ ｔ。 图２防波堤断面模型布置 极端高水位１．１３ ｍ，５０ ａ重现期Ｈ＝４．０１ ｍ和 Ｔ＝Ｉ８．０９ ｓ规则波作用，波浪冲击４ ｔ扭工字块１：１．５ 斜坡，有越浪产生，波浪累积作用３ ｈ后，坡脚处 扭工字块有２块滚至２５０～３００ ｋｇ块石上，有５块被 冲至１：１．５斜坡坡脚处，计算失稳率为２．５％，大于 允许失稳率１％，判定扭工字块失稳。 极端高水位１．１３ ｍ，５０ ａＮ现期日ｍ＝４．０１ ｍ 和Ｔ，＝２０．８０ ｓ３＜规则波作用，波浪冲击４ ｔ扭Ｔ字块 １：１．５斜坡坡肩附近，大波越过堤顶，波浪累积作用 ３ ｈＡ，海侧碎石垫层和２５０～３００ ｋｇ块石护底完全混 合，被波浪冲向港侧一侧近４．６ ｍ，并将２００～４００ ｋｇ 块石覆盖，少量冲至扭工字块平段，扭工字块有８ 块发生明显变形。计算扭工字块失稳率为２．８％，大 于允许失稳率ｌ％，判定扭工字块失稳。 ４结构优化设计 根据以上试验结果，鉴于断面扭工字块为４ ｔ时 在相应波浪作用下处于失稳状态，并且碎石垫层及 护底块石经冲刷完全混合，且少量被冲刷过堤顶， 故需根据结构不同部位，对断面进行优化。 １）护底块石。 根据规范公式，斜坡堤堤前最大波浪底流速 按下式计算： ７ｒＨ Ｖｍａｘ＝／７√ｚＬ。ｈ ４ｒｅｄ （２） ｇ Ｌ 经计算，根据堤前最大波浪底流速为２．７ ｉｒｄｓ， 初始设计取护底块石为２５０～３００ ｋｇ，已经含有一 定富余量。由于试验中碎石垫层经冲刷与护底块 石混合，影响了护底块石的稳定性。考虑到护 底块石稳定与否关系到坡脚扭工字块体的稳定 性，继而可能影响整个防波堤护面的稳定，故将 护底块石下部碎石垫层改为与护底相同质量块石 （２５０～３００ ｋｇ块石）。 ２）扭工字护面块体。 因防波堤断面位置处于波浪破碎区，极端 高水位时波陡ＨＩＬ＞Ｏ．０３３，仅考虑 ，％破碎波高这 一因素块体质量需在Ｈｕｄｓｏｎ公式的基础上增加 １０％～２５％，计算结果为２．４～２．７ ｔ，小于设计质量 ４ ｔ；当水位为设计高水位时，波陡Ｈ／Ｌ＜Ｏ．０３３，考 虑这一因素的影响块体计算结果为３．４ ｔ。计算结果 表明，块体是稳定的，且尚有一定的质量储备。 从稳定系数来看，反算％值为ｌ２．８，较规范稳定 系数２４Ｉ］ｘ，设计块体质量也有一定安全储备。然 而试验结果表明，４ ｔ扭工字块体是失稳的。说明 计算与试验存在差异。由于本工程亦使用了８ ｔ扭 工块护面，考虑到模板的重复使用，经调整，在 原设计方案基础上将断面港外侧扭工字块质量增 加到８ ｔ。内侧维持４ ｔ不变，重新进行试验。 ５优化后试验结果 在对优化后的断面的试验中，极端高水位 不规则波作用下，波浪冲击８ ｔ扭工字块１：１．５斜 坡和平段，１ ２０个波中有７个波越过堤顶，越浪 量为０．００２ ｍ ／ｍ～・Ｓ～，堤后距中轴线３５ ｍ处波 高Ｈ ％为０．１８ ｍ。平段处扭工字块个别晃动， ２５０ ３００ ｋｇ块石随浪少量翻滚、移动，波浪累 积作用３ ｈ后，结果表明，优化后断面各部分在 不同水位及波浪作用下均保持稳定。优化前后 试验结果见表２。 （下转第２９页） 蓄水前２００２年 ２．７ ６０ ７５０ ０．０２ Ｏ．００２ ｌ ０ｏＯ ＞５０００ １ ０００～１ ５００ １ ０００～５ ０００ ５６．１ ７．６ 蓄水后２０１０年 ３．５～４．５ ６０～１５０ ７５０～１ ０００ ３５．０ ２．８ 注：单位运输成本计算均采用２００２年价格水平。 降到３ ５元／（ｋｔ・ｋｍ），降低了３７．６％，船舶运 输单位油耗从蓄水前的７．６ ｇ／（ｋｔ・ｋｍ）降低到 ２．８ ｇ／（ｋｔ・ｋｍ），长江航运成本低、能耗小的比 较优势得到有效发挥。相关建议如下： １）加快三峡枢纽上下游航道治理，重点是库 尾变动回水区累计性淤积河段、两坝问汛期急流 滩段、坝下重点浅滩河段，改变长江中上游航道 中间深、两头浅状况，以更好地提高大型船舶的 营运效益。 ２）加快推进船型标准化，加快淘汰小吨位船 舶和老旧船型，更好地发挥水运优势和船闸、航 道等基础设施利用率。 ３）尽快开展扩大三峡枢纽航运通过能力的论 证研究，缩短船舶在三峡坝区的待闸时间，提高 船舶运输周转效率和物流效率。 参考文献： ［１］余绍明．船舶（队）营运经济效益的测评方法ｆＪ］．交通与 计算机，１９９７（１０）：５４—５７． 【２】长江水利委员会．三峡工程初步设计报告规划篇［Ｒ】．武 汉：长江水利委员会。１９９４． （本文编辑郭雪珍） （上接第１０页） 表２优化前后试验结果 ６结论 境；其次，加强了护底块石的稳定性，有效地避 免了由于冲刷导致的护底块石和碎石垫层稳定性 １）一般说来，防波堤的护面块体及护底块石 等通过设计波要素根据规范相应公式计算设计都 能满足稳定安全需要。但对于掩护良好的港，如 果按港内绕射的波高设计则可能偏于不安全，但 是对于堤顶越过的波浪又难有可靠的数量值来估 算。对此，防波堤需先根据堤顶的高程设计标准 来初步确定护坡方案，并需要通过模型试验来验 证其方案的安全性。 的问题；同时，试验的结果也说明计算与试验之 间存在着差异。 参考文献： 【１】曹玉芬，郑子龙．印尼亚齐Ａｃｅｈ火电项目卸煤码头工程 防波堤和护岸工程波浪断面物理模型试验报告ｆＲ］．天 津：交通部天津水运工程科学研究所，２００９． 【２］ＪＴＪ ２ｌ３～１９９８海港水文规范【Ｓ】． ２）本工程试验后优化设计中采用了适当提高 护面块体质量及改善碎石垫层成分的方法，首先 能较大幅度地减少高水位下的越浪量，从而有效 提高外坡护面块体的稳定性并改善内坡的工作环 【３】Ⅲ厂ｒ．２３４—２０ｏ１波浪模型试验规程【ｓ】． ［４ ＪＴＪ４］ ２９８－－１９９８防波堤设计与施工规范［Ｓ】． （本文编辑武亚庆）