谈谈“块体容许失稳率”

孙精石

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

谈谈“块体容许失稳率”

孙精石

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

文章对防波堤和护岸等港口工程中经常用到的专业术语——“块体容许失稳率”提出了质疑，指出其在应用过程中，主要依靠物理模型试验来获得，但是由于定义不严密，在模型试验时，特别是3D整体稳定性模型试验时，无法得到正确、合理的失稳率标准值。因此，难以判断防波堤和护岸工程设计的优劣，也不能指导设计方案的优化，将直接影响工程的安全可靠、经济合理。针对这一弊端，提出了建议：（1）保留和继续使用“块体容许失稳率”的有关规定，但是要在“块体容许失稳率”定义前面加上防波堤或护岸长度的限定；（2）废止和停止使用“块体容许失稳率”的有关规定，从严掌握防波堤和护岸的失稳标准；（3）在防波堤和护岸3D稳定性模型试验中，明确规定必须分段进行观测，应逐段分别给出稳定性的试验结果。这些建议，可供有关技术标准修订时参考。

防波堤；护岸；护面块体；容许失稳率

1 问题的提出

“块体容许失稳率”（allowable ratio of instability of block）是一个专业技术名词，在港口工程特别是防波堤、护岸的设计和科研活动中要经常用到它。它在《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1-2011）中的准确定义是：计算水位上、下各1.0倍设计波高的护面范围内，在波浪作用下允许移动或滚落的块体个数所占的百分率［1］。在该技术规范和《海港水文规范》（JTS 145-2-2013）中给出了它的许可值，如表1所示［1-2］。

对于如何得到容许失稳率，往往需要通过物理模型试验来进行。在技术标准《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）中给出了它的计算方法，即5.2.3条“斜坡式建筑物护面块体失稳率的统计应符合下列规定：（1）护面块体失稳率按下式计算

式中：n为失稳率；nd为静水位上、下1倍设计波高范围内护面块体的失稳数；N1为静水位上、下1倍设计波高范围内护面块体的总数”［3］。

这一切看来都十分完美，有定义，有控制标准，有计算方法。多年来在港口工程中也一直是沿用这种方法来进行防波堤或护岸稳定性的验证和优化，最后来决定护面块体的重量和构造型式。可是这种情况，在近年随着科学技术的进步和大量工程实例的检验发生了一些变化，产生了一些新的矛盾，需要我们去解决。过去在确定“块体容许失稳率”的工作中，大多是依靠波浪断面模型试验，即2维（2D）的模型试验，往往是在波浪水槽中，使块体在波浪正向作用下接受考验［4］。但是许多防波堤和护岸工程，明明经过了断面试验是稳定的，失稳率不超标，可是在实际工程中却在设计波浪作用下产生了失稳，发生了海损事故［5］。因此人们开始思考，开始进行新的探索。在实际工程中，防波堤和护岸不可能总是受到波浪正向的作用，防波堤和护岸往往也不是一条直线，在平面形状发生变化，在地形和波向发生改变时，防波堤和护岸的稳定性也产生了变化。于是就提出了在整体模型中进行防波堤和护岸的稳定性试验，即所谓的3D模型［6-7］。过去由于认识不够，再加上3D模型试验成本较大，例如一个断面模型，在1 m宽的波浪水槽中做试验，所用的护面块体数量最多是几百块，而在3D模型中，块体即使不全部模拟也要几千上万块，如果全部模拟块体数量甚至要几万块，原型中有多少块护面块体，模型中也要按比尺缩小制作多少块，工作量很大。因此，3D块体稳定试验开展的不够广泛。但是，近年来却受到了越来越多的重视，许多国内外的重要工程都提出来要进行三维稳定性试验的要求［8-10］。在这种形势下就出现了新的问题——如何来确定护面块体的容许失稳率？这个看似简单的问题，在实践中却不简单。举个普通例子，2D断面模型试验一般几何比尺不会超过40，在1 m宽的水槽中，假设计算水位上、下各1.0倍设计波高的护面范围内块体数量是100，块体容许失稳率是1%，如果试验中出现2块块体失稳，则失稳率就是2%，判定为不稳定，要进行优化。可是如果在3D试验中，某一段原型堤长为500 m，计算水位上、下各1.0倍设计波高的护面范围内块体数量是2 000块，局部出现了10块块体失稳，明显已经破坏，则失稳率是10/2 000=0.5%，按规范规定标准则不超标，要判定为稳定。这一结论能成立吗?显然是不合理的。下面再举一个工程模型试验实例［10］来说明一下这个问题，某国外海港城项目，有一游艇港护岸直线段长470 m，用1.0～3.0 t大块石做护面，在Hs=6.4 m，Tp=13 s波浪作用下，其稳定性试验结果见表2。通过表2我们可以看到几个问题：（1）在近150 m长试验观测范围内，分成了长度基本相等的6段，每段长度约25 m，模型几何比尺是49，模型中观测段长度是0.5 m左右，每段护面块石的总数大致相同，在同一个波浪要素作用下，护面块石失稳率从0.6～3.1是不均匀的，相差很大；（2）如果用容许失稳率2%做标准来衡量从K0+278到K0+351这段堤是稳定的，而从K0+351到K0+ 425是不稳定的；（3）如果用全部堤长来计算，块石总数5 487，失稳块石数107，则失稳率只有1.95%，而1倍波高范围失稳率平均值是1.93%，应该判断为稳定。最后应该如何评价这段护岸（防波堤）设计成果呢？显然不能按照全长来计算，应该分段进行检验优化才是合理的。

表1各种块体的容许失稳率n和稳定系数KDTab.1Allowable ratio of instability of various block n and stability coefficient KD

还有一个问题是，如何计算水位上、下各1.0倍设计波高的护面范围内块体总数？这在3D整体模型中，在波浪作用不可能沿防波堤长度都是均匀的时候，是无法做到的。还需指出，就是在2D断面模型试验中也会遇到有漏洞，尽管试验水槽的宽度不变，但是模型的几何比尺不同，则同样宽度水槽所代表的块体个数也差别很大，比尺40的块体个数会比20的多一倍，如果在试验中，水位上、下各1.0倍设计波高的护面范围内失稳的块体个数相同，则计算出来的失稳率也会差一倍，应该相信哪一个？由于不能正确得到失稳率，也就无法验证和判断防波堤或护岸工程护面设计的合理性，是否需要进行优化和改进，这也会直接影响到工程的安全可靠和经济合理。因此，对“块体容许失稳率”这一专业术语的定义和执行应当做出调整，以利于港口工程中防波堤和护岸设计、科研工作。

表2重现期200 a波浪作用下游艇港外护岸K0+270～K0+470段护面块石各色段失稳率（块石重量1.0～3.0 t）Tab.2Instability ratio of dyeing armor stone outside the yacht port shore protection K0+270～K0+470 section under the action of waves return period of 200 a（stone weight 1.0～3.0 t）

2 解决问题的建议

综上所述，在目前情况下，无论是3D还是2D防波堤或护岸稳定性模型试验中，再引用“块体容许失稳率”的定义和标准去进行控制是行不通的，需要重新审视和定义，给出更科学合理的规定和计算方法。为此，提出以下建议：

（1）保留和继续使用“块体容许失稳率”的有关规定，但是要在“块体容许失稳率”定义前面加上防波堤或护岸长度的限定。建议加上“在长度不超过原型40 m”，或者“在长度不超过原型20～50 m”的限定词。因为在大多数断面模型试验的水槽宽度为1.0 m左右，而断面模型几何比尺一般不超过40，在3D模型中，多数比尺为50左右，以模型长度1 m为一个观测段也是容易实现的。对于轴线为曲线的防波堤或护岸，可以按照弧线的长度来分段，每段长度不宜太大，应尽量使每段的扇形面积与直线段相当，对于圆形的堤头段至少要分成堤外（向外海）、堤内（向港内）两段来处理。只有对模型的代表长度给出确定值，才能通过模型试验正确计算出“块体容许失稳率”。

（2）废止和停止使用“块体容许失稳率”的有关规定，从严掌握防波堤和护岸的失稳标准。对防波堤或护岸人工护面块体除块石之外，失稳率一律用0来控制，即不容许发生失稳。理由是块体在波浪作用下发生失稳一个重要原因是块体的重量不足，而重量的增加对工程造价的影响是有限的，没有必要斤斤计较，确保安全是最重要的。和国外技术标准相比，我国计算防波堤护面块体重量时采用的Hudson公式中稳定系数KD值是偏大的，重量是偏小的［11］，从严掌握失稳标准也是合理的。这也应当包括防波堤的堤头段，因为按照我国规范规定，防波堤堤头段护面块体的重量已经比堤身加大了，其失稳标准不宜再放宽。用失稳率为0来控制，不管在什么模型中只要发生失稳，经重复试验仍失稳，就确定是失稳，必须进行优化，这样问题就简单多了。这样做也和我国规范的发展趋势相符，在1979年港口工程技术规范中扭工字块允许有1%～2%的失稳率，1998年《防波堤设计与施工规范》（JTJ298—98）中扭工字块允许失稳率降到了0～1%，而2011年规范修订后，现在则变成了0%。对于块石护面而言，应当允许发生少量失稳，但是要给出稳定标准的限定条件：a、块石护面模型试验的原型波浪作用时间，从“不宜少于2 h”增加到“不应少于6 h”；b、块石护面不能产生明显变形；c、局部块石失稳不能使堤心石外露。通过这样限定可以保证块石护面的安全稳定，也避免了失稳率计算的麻烦，这个标准有一定弹性，也容易掌握。

（3）在防波堤和护岸3D稳定性模型试验中，明确规定必须分段进行观测，其分段长度以模型1 m为宜。应逐段分别给出稳定性的试验结果，经综合分析后给出结论，确定该段防波堤或护岸是否稳定，是否需要优化，而不能将局部的试验结果推广到全部防波堤或护岸。

（4）对这一应用了多年的专业技术术语进行修改，应当听取更多专业人士的意见，也希望能给出更好的解决方案。在广泛讨论征求意见的基础上，最后取得共识，供有关技术标准的修订中予以采用，以利于港口工程中防波堤或护岸设计、科研工作的开展。在有关规范未修订之前，应用“块体容许失稳率”时，一定要慎重，要把使用条件和结果说清楚。

3 结语

（1）港口工程中防波堤或护岸护面设计所采用的“块体容许失稳率”定义不够严密，难以通过物理模型试验得到正确合理的统计值，不利于对设计结果的检验和优化，必须加以改进；

（2）建议在“块体容许失稳率”定义中加上防波堤或护岸长度的限定，或者停止使用这一专业术语，从严掌握块体失稳率标准，除块石护面以外人工护面块体失稳率一律用0%来控制；

（3）在防波堤和护岸3D稳定性模型试验中，明确规定必须分段进行观测，逐段给出稳定性的试验结果，不能将局部的试验结果推广到全部防波堤或护岸；

（4）对“块体容许失稳率”开展必要地讨论，听取更多专业人士的意见，在达成共识的基础上修订有关技术标准，在未修订之前使用时一定要慎重。

参考文献：

［1］JTS 154-1-2011，防波堤设计与施工规范［S］.

［2］JTS 145-2-2013，海港水文规范［S］.

［3］JTJ/T234-2001，波浪模型试验规程［S］.

［4］孙精石，李智贤，黄伊立.鲅鱼圈港防波堤断面试验研究［J］.水道港口，1984（3）：23-32.

［5］张慈珩，陈汉宝，耿宝磊，等.STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究［J］.水道港口，2013，34（6）：488-492. ZHANG C H，CHEN H B，GENG B L，et al.Physical model on stability of sloping breakwater armor unit under STEM wave action［J］.Journal of Waterway and Harbor，2013，34（6）：488-492.

［6］耿世杰.斜坡堤三维稳定性的试验研究［D］.天津：天津大学，2012.

［7］姜云鹏，张烨，郑子龙.波浪作用下护岸三维稳定试验研究［J］.水道港口，2014，35（1）：15-18. JIANG Y P，ZHANG Y，ZHENG Z L.Research of 3D stability model test on revetment under wave action［J］.Journal of Waterway and Harbor，2014，35（1）：15-18.

［8］张慈珩.Kuantan，Pahang Darul MakmurDraft Final Report 3D and 2D Stability Study of Breakwater（马来西亚Pahang河口改造项目防波堤3D和2D稳定性物理模型试验研究）［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2010.

［9］张华昌，柳玉良.青岛万达东方影都人工岛游艇码头项目游艇码头港池局部整体物理模型试验报告［R］.青岛：海军工程设计研究院工程综合试验研究中心，2014.

［10］杨氾.斯里兰卡科伦坡港口城项目南口门局部整体波浪泥沙物理模型试验研究报告（送审稿）［R］.南京：南京水利科学研究院，2015.

［11］王帅，方爱东，蔡伟，等.中英规范斜坡式防波堤护面块体设计对比研究［J］.水运工程，2014，494（8）：61-65. WANG S，FANG A D，CAI W，et al.Comparative study on design method of armor block for rubble mound breakwater between Chinese and British standards［J］.Waterway Engineering，2014，494（8）：61-65.

Talk about"allowable ratio of instability of block"

SUN Jing⁃shi
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

In this paper,the professional term"allowable ratio of instability of block"used in breakwaters and shore protection was questioned.It was pointed out that in its application process,it was mainly depended on the physical model test.But because of the low strictness of definition,the correct and reasonable standard value of in⁃stability rate could not be obtained in model test,especially 3D overall stability model test.Therefore,it is difficult to judge the breakwater and shore protection engineering design quality,and also cannot guide the optimization de⁃sign scheme.It will directly affect the safe and reliable,economic and reasonable engineering.Aiming at the short⁃comings,the following suggestions were put forward:(1)adding length limit to breakwaters or shore protection in us⁃age of the relevant regulations of"allowable ratio of instability of block";(2)abolishing and stopping usage of rele⁃vant regulations of"allowable ratio of instability of block",strictly controlling the instability standard of breakwater and shore protection;(3)in 3D stability model test of breakwater and shore protection,observation must be segment⁃ed,and the stability test results should be given piecewise.The suggestions can be provided to related technical standard as a reference for revision.

breakwater;shore protection;armor block;allowable ratio of instability

U 656.31；TV 139.2+6

A

1005-8443（2015）06-0490-04

2015-04-27；

2015-05-28

孙精石（1941-），男，辽宁省沈阳市人，研究员，主要从事港口及通航问题研究。

Biography：SUN Jing⁃shi（1941-），male，professor.