印尼KARANG TARAJE港防波堤工程波浪整体模型试验研究

高峰，张华平，周加杰，张慈珩，戈龙仔

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071；3.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510231）

波浪模型试验经历了规则波、不规则波、二维波浪水槽、三维波浪整体的发展过程[1]。在以往对防波堤稳定性、越浪量等的研究工作中，小比尺二维波浪水槽模型试验一直发挥着主要作用，这是因为它具有方法成熟、可靠性高、针对性强和相对经济等优点。如今，三维波浪整体试验也开始应用于防波堤工程设计研究中。相对于传统的二维波浪断面稳定性试验，在三维波浪稳定性试验中，诸如波浪绕射、越堤水量、三维稳定性、透浪以及它们之间的相互影响等问题均可以得到更好的解释。Gamot（1969年）进行了斜向规则波作用下四脚锥体的稳定性模型试验研究，得到稳定性随波向角增大而变差，且与正向浪相比在斜向波作用时损坏速度会加快的结论。第26届国际水力研究协会（IAHR）大会上即有多篇论文与报告涉及到三维不规则波对建筑物的作用问题，并对有关三维不规则波作用下防波堤越浪量问题进行了总结。日本运输省港湾技术研究所（PARI）通过三维不规则波试验，得到海堤越浪量结果比二维不规则波时要小20%~30%的结论[2]。我国港工研究领域也采用三维波浪整体物理模型试验进行防波堤相关问题的研究，俞聿修等对波浪斜度对于Hudson公式中的块体稳定系数的影响进行了研究[3]，朴正应用三维波浪物模试验验证了斜向波浪作用下混凝土消浪块体稳定性[4]，姜云鹏等应用三维波浪整体试验对比了人工块体规则摆放与不规则摆放的防护效果[5]。

1 依托工程概况

本次研究的依托工程（KARANGTARAJEPORT）位于印尼爪哇岛南岸西侧的Bayah省附近的Clietuh岬湾内，岸线走向为SW-NE向，距离印尼首都JAKARTA（雅加达）约100 km，距离东侧的RatuPort（公主港）约35 km（位置见图1所示）。由于该项目海域属于南半球赤道无风带，波浪表现为长周期涌浪，根据实测结果，平均周期在14 s左右，主要来波浪方向集中在S向~SSW向之间，波浪条件恶劣。因此，拟通过三维波浪物理模型试验，验证和评价防波堤的稳定性，观测波浪越浪情况，并与二维试验进行对比分析，确定设计方案的堤顶越浪量是否满足设计标准，以此对原设计提出必要修改调整建议，为方案确定提供科学依据。2 模型试验

图1 工程所在位置示意图Fig.1 Location of the project

2.1 试验条件

试验水池长45 m，宽35 m， 深1.2 m， 采用不规则造波机，水池四周均设置有消波设备，主要试验参数为：极端高水位：+2.36 m，设计高水位：+1.85 m，设计低水位：+0.15 m；试验中频谱采用JONSWAP谱（γ=3.3）；波浪的方向选取本海域主要影响浪向，即SW和SSW向；试验波要素由数学模型推算确定，设定的波高见表1。

2.2 试验断面结构

防波堤堤长550 m，采用斜坡式结构，堤头段长度50 m，采用24 t双联块体结构，垫层块石重量为1 200~2 400 kg，设计坡度1∶1.5，堤顶高程+10.2 m。堤身分为两种尺寸护面块体，邻近堤头部分400 m长采用18 t双联块体，垫层块石重量为900~1 800 kg，坡度1∶1.5，堤顶高程为+9.7 m。其余部分的堤身段为100 m长与堤根段一致，均采用12.0 t双联块体进行护面，坡度为1∶1.5，下方垫层采用600~1 200 kg块石，堤顶高程为+9.1 m。其中，堤头段断面结构如图2所示。

表1 试验波浪条件Table1 The test wave conditions

图2 防波堤堤头段试验断面结构图Fig.2 The structure of crosssections in head part of breakwater

2.3 模型设计与布置

模型平面布置如图3所示。

图3 模型试验平面布置图Fig.3 The simulation scope of test model

模型按重力相似准则设计。根据试验要求，结合试验场地及设备情况，模型选用几何比尺55，时间比尺为7.42。试验水池配备不规则造波机的最大造波水深0.6 m，波高0~25 cm，周期0.5~5 s，根据上述比尺设计模型可满足造波实现能力。三维试验模型中对于水下地形的模拟是采用网格桩点法复制，即按1.2 m×1.2 m布设桩点，尺寸偏差控制在±1 cm以内。防波堤的护面块体模型中护面块体采用水泥、原子灰与配重铁粉预制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求。所采用的其他各种块石均按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。试验块体摆放按照方案设计要求，双联块体为单随机摆放。

3 主要试验结果分析

3.1 护面块体的稳定性

在极端高水位（+2.36 m）重现期为50 a波浪作用下，大部分波浪于堤头及堤身海侧斜坡上发生破碎，破波水体冲击堤身护面块体，堤头出现破波水体绕流。试验中经过相当于原型6 h的波浪连续作用后，堤身及堤顶护面块体均稳定；防波堤海侧400~500 kg护底块石及900~1 800 kg抛石棱体稳定；防波堤各部分护面块体均稳定；防波堤堤身港侧2 000~2 500 kg护面块石在越浪水体冲击下，个别发生滚落，但失稳率小于1%。在设计高水位（+1.85 m）重现期为50 a波浪作用下，试验现象与极端高水位基本相同。在设计低水位（+0.15 m）重现期为50 a波浪作用下，波浪对防波堤的作用明显小于高水位时的情况。

3.2 堤身越浪量

当SSW向浪作用时，极端高水位（+2.36 m）重现期为50 a一遇波浪作用下，波浪爬高可越过堤顶形成越浪，在一个波列中出现越浪的波浪个数约为6%，各水位及重现期波浪作用下，重现期50 a一遇时最大平均越浪量为10 L/（m·s），而在重现期1 a一遇条件下仅有溅浪、无明显越浪出现。当SW向浪作用时，在极端高水位（+2.36 m）重现期为50 a一遇波浪作用下，出现越浪的波浪个数约为10%，最大平均越浪量为7.9 L/（m·s），重现期为1 a一遇条件下为0.4 L/（m·s）。其他各组合条件下的越浪量统计结果详见表2。

表2 防波堤各试验段越浪量结果Table 2 Overtopping of thebreakwater in each test section L·（m·s）-1

3.3 与水槽试验对比分析

二维水槽试验中各部分护面结构也均稳定，各水位重现期1 a波浪作用下，堤顶也无明显越浪现象，设计低水位重现期50 a波浪作用时越浪量也小于10 L/（m·s）要求，但在设计高水位、极端高水位时所对应的越浪量超过10 L/（m·s）。经反复对比试验表明，在设计高水位时各组次的二维断面试验越浪量比前文三维试验平均大约30%，这与前文所述的PARI相关结论接近，但在极端高水位时其差距变大，达到了50%。由试验现象分析表明（见图4），该差异与长周期波在二维水槽里试验时入射波更易叠加导致堤前能量集中有关，断面试验中均采用正向浪作用，而三维整体试验中入射波浪与防波堤轴线存在一定角度，且有波能沿堤扩散等实际现象，由此印证了斜坡堤上的波向角对平均越浪量影响的研究结论[6]。同时，断面试验中在不规则波序列中存在一定不越浪情况，在波浪连续作用下堤前会有壅水。综合上述原因，二维断面试验中测得的越浪结果有所偏大，而采用三维稳定性试验的结果相对更为合理。

图4 二维与三维试验防波堤越浪现象对比Fig.4 Comparison of the overtopping in 2-D and 3-D model test

4 结语

1）在二维与三维波浪试验中，虽然破波水体直接冲击堤身护面块体，但各段护面块体（12 t、18 t和24 t双联块体）均可保持稳定，仅是堤身港侧受越浪水体的冲击，个别2 000~2 500 kg块石发生滚落，两种类型试验的结论基本一致。

2）堤身段的越浪量在三维与二维试验中存在较为明显的差异，二维断面试验中各水位对应最大越浪量比三维试验结果要大约30%，而在极端高水位时其差距达到了50%。分析得到，这种差异与长周期波在二维水槽里试验时入射波更容易叠加导致堤前壅水、能量集中以及斜向入射波因素有关。采用三维稳定性试验由于考虑了更接近实际的一些情况，因此选用其结果相对更为合理一些。

3）本次研究中关于三维、二维试验对于防波堤平均越浪量的影响差异，由于试验条件的限制可能考察的不够全面，特别是在不同波向、周期组合时，由于依托试验的工况组合覆盖面相对较窄，因此本文根据物模试验的结果还无法完全统计一个确切的三维与二维试验导致最大越浪量差异的特征规律，随着今后相关研究的进一步开展将对该问题加以澄清。