防波堤设计参数试验验证与规范对比研究

周枝荣，史云霞，姜云鹏

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456）

0 引言

防波堤的主要作用是防御波浪、泥沙、冰凌入侵，维持水面平稳，以便船舶安全停泊和作业，是近海工程中常见的防护建筑。防波堤的安全稳定性、次生波、越浪量和波浪荷载等是港口工程从业人员普遍关注的问题。由于波浪运动本身的复杂性，上述设计参数计算与现有经验公式的适用条件并不完全一致。已有研究结果[1～8]表明，物模试验结果与规范公式计算结果可能存在较大差异，前期设计阶段可根据规范公式进行结构参数的初步确定，再通过物模试验对防波堤结构进行验证。

1 研究背景

某工程位于海南岛的西北部海岸线上，工程包括4座大型成品油泊位以及防波堤工程。其中防波堤工程对本工程港池西南侧形成掩护，为港区码头的正常作业提供条件。模型共有3个断面，断面图见图1。

断面1-1为越浪堤，堤顶标高6.0 m，堤顶宽度7.6 m，堤顶、外侧边坡和内侧边坡护面块体均采用15 t扭王字块，内外侧边坡均为l∶1.5。护底块石规格80～300 kg，厚度1.5 m，外侧护底范围17 m，内侧护底范围10 m。

断面2-2为越浪堤，堤顶标高6.0 m，堤顶宽度6.50 m，堤顶、外侧边坡和内侧边坡护面块体均采用l0 t扭王字块，内外侧边坡均为1∶1.5。护底块石规格80～300 kg，厚度1.5 m外侧护底范围10 m，内侧护底范围5 m。

断面3-3采用抛石斜坡堤结构，护面块体为扭王字块，堤顶设现浇混凝土挡浪墙，堤顶标高为+8.33 m，外侧防浪墙顶标高为+12.53 m，内侧防浪墙顶标高为+9.53 m。护面采用7 t扭王字块体1层，坡度为1∶1.5。护底采用80～300 kg块石，外侧护底12 m宽，内侧护底10 m宽。

图1 防波堤断面图Fig.1 Breakwaters profile

本次试验主要进行防波堤断面结构的物理模型试验验证，主要验证挡浪墙、结构各部位护面块体、护底块石的稳定性、堤后再生波的波高、越浪量等，为设计提供科学依据。

2 仪器设备与试验方法

试验在大型波浪水流槽中进行，水槽长为90 m，宽为3.0 m、高为1.8 m。在水槽中布置1道15 cm宽的直墙将大水槽划分为2个宽度分别为1 m和1.85 m的水槽，以便提高工作效率，该次试验在1 m宽侧开展。水槽一端配备液压伺服不规则造波机及其控制系统，由计算机自动生成模拟的波浪要素，另一端设置消波框减少反射波浪。断面1-1～断面3-3的长度比尺分别为33.8、29.5、28.3。试验波浪采用不规则波，波谱采用JONSWAP谱。

采用BG-1型波高传感器采集系统采集波面高度，在防波堤堤后布置3个波高传感器测量堤后次生波高，距离分别为250 m，500 m和900 m。采用2008型微型点压力采集系统采集波浪压力，该系统可以自动采集波浪压强并有相关处理功能，对采集到的点压力进行后期处理分析。越浪量的测定是在堤顶挡浪墙上方用接水装置接取越浪水体，通过测量重量或体积得到模型的越浪量。不规则波接取一个完整波列的总越浪水体作为相应历时的总越浪量，然后计算单宽平均越浪量。按相似准则，将模型越浪量换算成原型越浪量。试验波浪条件见表1。

表1 试验波浪条件（重现期50 a）Table 1 Test wave conditions（recurrence period 50 a）

3 试验结果分析

3.1 断面1-1

断面1-1护面块体稳定性试验结果见表2。各水位重现期50 a设计波浪作用下，断面结构均稳定；根据防波堤与护岸设计规范[9]计算得单个护面块体稳定重量为12 t，实际护面块体设计值为15 t，与试验结果相符。

表2 断面1-1护面块体试验结果Table 2 Test results of armor block of section 1-1

通常地，护面块体重量由规范公式进行计算后，设计还要考虑一定的安全富裕度。本断面以块体平放作为支撑棱体，未设置块石棱体，可能对块体稳定性产生影响，因此，护面块体的设计重量略高于规范计算重量；结合断面物模试验结论，设计断面结构稳定，因此，护面块体设计重量是合适的。

根据规范[10]计算得次生波波高与试验测得波高对比见表3。结果表明，极端高水位和设计高水位条件下，次生波试验值明显大于计算值，误差百分比（以计算值为基数）分别为18.8%和35.6%，平均为27.2%；设计低水位时，次生波较小，试验值小于计算值。

表3 断面1-1次生波波高统计表Table 3 Statistical table of secondary wave height of section 1-1

3.2 断面2-2

断面2-2护面块体稳定性试验结果见表4。各水位重现期50 a设计波浪作用下，断面结构均稳定；计算得单个护面块体稳定重量为4.6 t，实际护面块体设计值为10 t，试验表明块体稳定，说明设计留有一定的富裕度。

表4 断面2-2护面块体试验结果Table 4 Test results of armor block of section 2-2

根据规范计算得次生波波高与试验测得波高对比见表5。结果表明，各水位条件下，次生波试验值明显大于计算值，在极端高水位和设计高水位条件下，误差百分比（以计算值为基数）分别为43.8%和33.6%，平均为38.7%。

表5 断面2-2次生波波高统计表Table 5 Statistical table of secondary wave height of section 2-2

3.3 断面3-3

断面3-3护面块体稳定性试验结果见表6。

表6 断面3-3护面块体试验结果Table 6 Test results of armor block of section 3-3

由表6可知，各水位重现期50 a设计波浪作用下，断面结构均稳定；根据规范计算得单个护面块体稳定重量为3.5 t，实际护面块体设计值为7 t，试验表明块体稳定，说明设计留有一定的富裕度。

在极端高水位与50 a重现期波浪组合作用下，不同堤顶高程对应越浪量试验值及根据规范[10]计算值见表7。结果表明，现状条件下（顶高程为12.53 m），试验值与计算值相差较小，误差百分比为2%。顶高程抬高后，计算得越浪量明显大于试验测得的越浪量，换言之，随着顶高程的抬高，试验测得越浪量的变化幅度明显大于计算值。

表7 波浪作用下越浪量统计表Table 7 Statistical table of overtopping discharge under wave actions

挡浪墙受最大水平力时对应的测点压强分布图见图2。

图2 挡浪墙水平波浪力最大时压强分布图Fig.2 Pressure distribution at maximum horizontal wave force of crest wall

挡浪墙水平波浪力试验值和计算值对比见表8。

挡浪墙最大总水平力为278.7 kN/m。根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[10]给出的公式计算得水平总力为108.7 kN/m，与试验值差别较大，试验值约为计算值的2.6倍。根据总水平力计算方法P=p（d1+Z），影响总水平力的主要因素有平均压强p和作用高度（d1+Z）。挡浪墙平均压强计算值p=47.2 kPa，与试验结果49.4 kPa相差不大，但两者作用高度差别较大，试验值约为计算值的2.7倍。由此表明，物模试验中的压强作用高度明显大于规范公式计算结果，是两者总水平力差异较大的主要原因。

表8 挡浪墙波浪力统计表Table 8 Statistical table of wave force of crest wall

4 结语

1）本次试验的3个断面护面块体设计重量均大于规范公式计算稳定重量，物模试验与规范公式结论一致，且设计有一定富裕度。

2）总体而言，极端高水位和设计高水位时次生波波高较大，试验值明显大于规范公式计算值，差别在20%～40%不等。同时考虑到利用水槽试验量测堤后次生波波高值手段的局限性，其相较于防波堤三维整体试验，次生波波高试验值可能会偏大，因此，具备一定条件下，防波堤堤后次生波波高値可采用三维整体试验验证。

3）现状条件下，越浪量试验值与计算值相差较小，误差百分比为2%。随着顶高程的抬高，试验测得越浪量的变化幅度明显大于计算值。

4）影响总水平力的主要因素有平均压强p和作用高度（d1+Z）。挡浪墙平均压强计算值与试验结果相差不大，但两者作用高度差别较大，试验值约为计算值的2.7倍。由此表明，物模试验中的压强作用高度明显大于规范公式计算结果，是两者总水平力差异较大的主要原因，值得后续进行深入研究。