长周期涌浪作用下防波堤设计关键技术

周加杰，高峰，张华平

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

1 工程背景

印尼karang Taraje（GAMA） 防波堤工程为业主投资水泥厂配套港口工程项目，位于印尼西爪哇万丹省Bayah镇Karang Taraje地区，直面印度洋开敞海域长周期涌浪影响，相似环境下有印尼Pacitan[1-2]、Cilacap、Adipala[3-5]3个防波堤建设项目，设计均采用斜坡式人工块体护面结构，形式分别为全断面扭工字块防护允许越浪结构、外侧及堤顶双联块体防护允许越浪结构、全断面扭王字块防护允许越浪结构，相比上述3个项目，本工程设计标准采取双联块体防护基本不越浪设计。长周期涌浪环境下防波堤基本不越浪设计成为本工程的关键控制项目。

2 工程概况

防波堤位于Karang Taraje地区悬崖岬角位置，中轴线方位为北偏西50°，一期全长550 m，二期全长850 m，一期范围防波堤前100 m为接岸连接悬崖处乱礁石段，水底高程由0变化为-15.0 m；0+100~0+550 m为泥砂质基础，水底高程为-15.0~-16.0 m，其中0+500~0+550 m共50 m为堤头段。防波堤结构采用抛石斜坡式人工块体防护结构，其中块体采用中国专利产品双联块体，设计标准为英标，对堤顶越浪量进行限制，合同要求1 a一遇波浪重现期作用下堤顶平均越浪量不超过0.4 L/（s·m），50 a一遇波浪重现期作用下堤顶平均越浪量不超过10 L/（s·m），以防止对防波堤内坡及码头设施造成严重破坏。

3 气候及波浪

工程所在地为热带雨林气候，全年分为两季，每年11月—次年4月为雨季（又称非季风期），基本天天下雨，年降雨量大于3.0 m，每年5月—10月为旱季（又称季风期），基本无雨；常年日平均气温25~30℃。

本工程通过收集分析欧洲中长期波浪后报资料，与实测资料进行验证，分析多年波浪、风的极值，通过计算得到多点连线的不同重现期波浪数据，防波堤所受波浪主要为长周期涌浪，主浪向为SSW向和SW向，推算50 a一遇波浪周期近18 s，详见表1。

表1 推算波浪数据统计表（一期堤头A4点）Table1 Theestimated wavedata(at A4 point of phase I breakwater head)

4 设计控制要点分析

根据波浪控制要素、现场观测和对卫星后报资料分析，通过数模研究确定总平面布置如图1，在总平面布置和波浪数据确定后，防波堤设计控制要点则在于断面设计。

结合现场地质条件和当地石材丰富特点，防波堤设计为斜坡式抛石堤人工护面块体防护结构，并通过物理模型试验验证防波堤稳定性、越浪和堤后次生波情况。表2为结合EPC项目施工经验的断面控制要点分析。图2为防波堤初始确定的断面。

图1 防波堤平面布置图Fig.1 The breakwater layout

表2 防波堤初始设计控制要点分析Table 2 Control pointsanalysisof initial breakwater design

5 模型验证及优化

本工程在实验室进行断面二维物模和三维局部堤头模型试验，对防波堤断面稳定性、越浪量、堤后次生波等进行观测，同时针对模型试验发现的主要问题进行分析，调整优化断面设计[6]，过程详见表3。

5.1 长周期涌浪下防波堤越浪量分析与验证

图2 防波堤初始确定断面Fig.2 Theinitial determinecross-section of breakwater

表3 防波堤模型验证存在主要问题及解决措施Table 3 The main problemsand solutionsin breakwater model verification

50 a一遇重现期波浪作用下，2D模型试验设计高水位时测得平均越浪量为47.58 L/（s·m），单个波大浪时越浪量过大使内坡垫层石极易失稳；3D堤头局部模型试验测得平均越浪量为5.36 L/（s·m）。从模拟角度看，堤头三维局部模型测得的越浪量更近于现实，但为确保防波堤的稳定性和设计安全，2D断面模型试验仍要确保防波堤的稳定性，故防波堤设计堤顶高程维持规范计算数据，外侧护脚双层12 t双联块体棱体改为一层同堤身断面双联块体，然后在外侧抛填棱体石，堤内侧自设计低水位以上部分施工灌砌石，以确保极端水位情况下防波堤的安全与稳定。

国内外研究者均对防波堤稳定性和消波特性进行过大量研究，但是对长周期涌浪作用下防波堤和块体的稳定性研究仍很少，法国中央水力实验室的迈松-阿尔福研究了周期对防波堤稳定性的影响，研究表明周期超过10 s的波浪对防波堤稳定性的影响最大。波浪在波周期较大时波能量集中且不易扩散。对于本模型试验，2D模型边界制约了水流的扩散，限制了堤前可能的波高扩散，增强了堤前波浪的冲击力，从而使2D模型中波浪单个大波越浪量对内侧坡面稳定性构成极大威胁。为较为真实地反应长周期涌浪作用下堤顶越浪最不利情况，项目另进行全3D模型试验，进行正向波设计高水位50 a重现期波高状态下越浪量和稳定性试验，试验结果表明平均越浪量为5.5 L/（s·m），与堤头局部3D模型基本相同，同时，内坡块石处于稳定状态。

5.2 坡脚稳定性优化

试验表明坡脚放置人工块体1层时最外侧块体失稳，放置2层时上层最外侧块体失稳，即块体失去啮合作用后其稳定性降低，但同时受水流的作用面较大，极易翻滚从而使设计断面处于不稳定状态，类似项目Adipala施工中发现块石与人工块体互相嵌挤能够增强人工块体的联锁作用，并考虑到抛填块石仅面层受水流作用，应能够保持其自身稳定并支撑护脚人工块体为稳定状态，故断面调整为外侧抛填棱体块石，试验表明抛填棱体块石和单层护脚块体均处于稳定状态，在确保质量的同时，降低了工程造价（减少了上层双联块体）。

5.3 内侧路面设计优化

内侧道路仅作为二期施工通道和以后的维修通道，平时基本不考虑车辆通行，考虑到单波最大越浪情况对内坡的冲击，也考虑现场的施工进度需要，采用半刚性水泥稳定碎石作为内侧铺砌结构面层，既能抵抗水流冲刷（大浪情况下），又节省了工程造价（相比水泥混凝土面层结构），同时提高了施工进度。防波堤优化后设计断面见图3。

图3 防波堤优化后设计断面图Fig.3 Cross-section of the optimized breakwater design

6 断面形式对施工的有利性分析

由Adipala、Cilacap已建防波堤工程及波浪研究可知，施工期经常会面临高度3.0 m以上，周期大于10 s的长周期涌浪袭击，防波堤设置宽肩台及堤顶设置胸墙会带来很大的施工难度。本工程设计在断面优化时综合考虑了施工的可行性，详见表4。

7 结语

根据长周期涌浪环境下已有工程设计和施工实例，结合物理模型试验进行防波堤断面调整优化，使本工程设计在综合考虑施工可行性的同时做到断面优化，为项目创造合理的效益，以下几点可以为类似工程提供借鉴。

1）块体+块石作为外坡护脚：模型试验证明护脚最外层块体因无法与其它块体形成连锁，其稳定性大大降低，采用块石嵌挤，可极大提高最外层块体稳定性，从而确保底脚稳定和堤身稳定，此种结构形式在确保稳定性的同时降低了工程施工造价。

2）内坡控制：防波堤不越浪设计较少许允许越浪设计工程造价高出很多，在堤顶允许少许越浪设计情况下保证极端水位时内坡的稳定和安全，对降低整个工程造价有很大作用，本工程内侧采用灌砌石结构，可确保极端水位时内坡的安全和稳定。

表4 防波堤施工可行性优化控制表Table 4 Optimizing control of the feasibility of breakwater construction

3） 越浪量：长周期涌浪2D断面物模越浪量偏大，3D堤头局部模型偏于真实，2D和3D越浪量的差异将给工程设计和造价带来极大差异。根据现有研究成果，越浪量多通过2D断面进行量测，工程设计必须保证2D断面模型的稳定性，但对越浪量要求控制严格的工程，则工程断面将增大很多方可满足2D越浪量要求。为降低工程造价和确保断面设计的合理性，并考虑到长周期涌浪的特性，采用3D整体模型验证越浪量及工程设计将更加具有合理性。

长周期涌浪有其特殊性，结合施工经验的设计方能在断面优化控制上精益求精并符合理论和实践。本文结合工程施工实践，形成了长周期涌浪条件下防波堤设计控制关键技术体系，对于印度洋开敞海域环境条件下的防波堤设计，本工程具有典型性与代表性，相信能为其它类似工程提供良好的借鉴意义。

[1] 刘庆志.印尼PACITAN电厂东防波堤设计简介[J].湖南交通科技，2010，36（4）：114-117.LIU Qing-zhi.Introduction to east breakwater design of Pacitan Power Plant in Indonesia[J].Hunan Communication Science and Technology,2010,36(4):114-117.

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[5] 周加杰，曹兵，李汉渤.印尼爪哇岛面临印度洋海域波浪特性及防波堤施工技术分析[J].中国港湾建设，2014（4）：17-20.ZHOU Jia-jie,CAOBing,LIHan-bo.Analysis of wave characteristics facing Indian Ocean sea area and breakwater construction technical for Javainland,Indonesia[J].China Harbour Engineering,2014(4):17-20.

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