两种不同消浪块体护面的斜坡堤对比研究

袁立莎，原 娟，李 超

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

在水运工程斜坡式防护建筑物设计中，护面块体结构的消浪性能至关重要，其直接关系到水工建筑物的安全性、经济性和功能性。近些年来，随着海外工程的不断建设，逐渐突显出采用我国自主研发新技术的重要性以及必要性。对于新型消浪块体，王美茹研发了用于斜坡式护面结构的双联型人工块体，并提出了在有效波高20 cm、平均周期不大于3 s 下双联块体与扭王字块体的稳定性对比分析；陈汉宝等在波浪水槽试验验证了有效波高5 m、平均周期13.83 s 下双联块体的断面稳定性；王美茹等提出在海域波浪、潮流等复杂水动力条件和泥沙运动活跃的自然条件下，双联块体修复某破损防波堤的关键技术和相应建议。通过对以往相关研究资料统计分析可知，在东南亚地区已经有相应的采用我国自主研发新型块体的工程实际经验，并通过试验进行了稳定性验证，但对于非洲几内亚湾区域，对于主要受涌浪控制的防波堤结构，相应的研究资料不足，且缺少与扭王字块体同等条件下的对比研究分析。本文通过非洲几内亚湾区域某项目防波堤设计，采用双联块体和扭王字块体作为护面结构开展试验研究，进行对比分析。

1 工程概况

非洲某防波堤工程区濒临几内亚湾，属热带雨林气候，全年气温较高，年、日气温相差较小；降水丰沛，一般4 月～10 月为雨季，11 月～3 月为旱季，全年相对湿度较高，盛行西南风。根据当地2008年～2016 年风速及风向统计资料，多年平均最大风速为11.64 m/s（2015 年），风向为西南风（SW），多年平均风速为4.32 m/s，主导风向为西南风（SW）和西风（W）。

港址区水域开阔，波浪分为风浪和涌浪，且以长周期涌浪影响为主，常年盛行西南风（SW），波浪周期约12～18 s。工程海区的潮汐性质为规则半日潮。根据本项目2019 年约4 个月的潮汐观测资料统计，最高高潮位为2.21 m，平均高潮位为1.74 m，平均低潮位为0.67 m，最大潮差1.9 m，见图1。

图1 工程位置

工程所在海域布设有6 条海流观测垂线，于2019 年在大、中、小潮期间进行全潮海流观测。经统计，观测海区各垂线海流流速表现出由浅层次向深层次逐渐减小的趋势，各垂线附近海流均指向东向。大部分垂线最大流速均发生在较浅层次；大、中、小潮最大流速变化趋势不明显。在大潮期间，实测最大流速为53 cm/s，流向为78°；最大垂线平均流速为41 cm/s，流向为79°；最大余流流速为35.7 cm/s，流向为77°。在中潮期间，实测最大流速为64 cm/s，流向为77°；最大垂线平均流速为45 cm/s，流向为75°，最大余流流速为33.7 cm/s，流向为76°。在小潮期间，实测最大流速为47 cm/s，流向为91°；最大垂线平均流速为33 cm/s，流向为92°；最大余流流速为27.6 cm/s，流向为72°。

根据本项目2019 年观测资料和潮汐表的相关资料推算，所在海域的设计高水位为2.8 m（海图基准面），设计低水位为0.3 m，极端高水位为2.8 m。试验波浪要素为数模推算值，见表1。

表1 防波堤工程设计波浪要素（50 年一遇）

考虑到越浪水体产生的次生波高对港内停泊的小型船只作业、系泊的影响，防波堤试验设计断面顶高程为6.0 m，堤顶宽度为7.5 m，堤心采用1～500 kg 块石，防波堤迎浪侧堤脚采用单重为100～200 kg 大块石护底，护底厚度为0.8 m，护底宽度为15 m，断面采用1:1.5 斜坡，迎浪侧斜坡、堤顶、背浪侧斜坡护面采用两种方案，方案一为4 t 扭王字块体护面，方案二为4 t 双联块体护面，下设垫层200～400 kg 块石，迎浪侧和背浪侧斜坡坡脚均平铺两排块体，平铺块体顶高程为-2.0m，块体前采用200～400 kg 抛石棱体掩护，抛石棱体顶高程为-2.5 m，见图2、图3。

图2 防波堤断面示意

图3 护面块体结构

2 物理模型试验

试验按照《港口工程技术规范》及《波浪模型试验规程》进行，采用不规则波，按正态重力相似准则设计模型。结合试验断面及设备性能等因素确定模型长度比尺为λ=32。

时间比尺：λt=λ1/2

压强比尺：λp=λ

越浪量比尺：λp=λ2/3

不规则波波谱取JONSWAP 谱：

式中：

Hs为有效波高（m）；Tp为谱峰值周期（s）；γ为谱峰值参数，取3.3。

试验水槽长80 m、宽1.0 m、高1.5 m，水槽一端安装不规则造波机，另一端设置消波系统，水槽纵向分为两部分，一部分铺设试验断面，另一部分用以消除波浪的二次反射。试验中扭王字块体的摆放按照Rock Manual (2007) 的相关规定，采用菱形定点随机摆放，相邻两个块体的摆放方向不同，每个块体均保持与下垫层接触。双联块体同样采用定点随机摆放方法。护面块体失稳判别标准以块体滚落或位移累积超过块体最大几何尺度的一半为失稳。

3 试验结果分析

3.1 断面稳定情况

试验主要采用单向不规则波进行。断面模型试验过程采用水位顺序为：设计低水位→设计高水位→极端高水位→设计高水位→设计低水位。

试验稳定情况见表2。

表2 试验稳定情况对比

迎浪侧护底块石由于护底块石高程相对较高，护底块石上水深相对较小，且波浪较大，波浪底部流速较大，且波浪在护底和迎浪面斜坡下部之间破碎，波浪作用强烈。设计低水位及相应波浪组合作用下，护底块石大量滚动；设计高潮位及极端高潮位时，块石少量滚动。

迎浪侧抛石棱体在设计低水位时，由于抛石棱体顶高程相对较高，护底块石上水深相对较小，且波浪较大，波浪底部流速较大，设计低水位及相应波浪组合作用下，护底块石少量滚动；设计高潮位及极端高潮位时，块石个别滚动。

采用扭王字块体护面的防波堤断面，由于大部分波浪在护底和斜坡之间破碎，波浪对护面作用较强，在设计高潮位1.8 m 及相应波浪组合作用下，迎浪面个别块体晃动；在极端高潮位2.8 m 及相应50 年一遇波浪组合作用下，迎浪面个别块体轻微晃动，由于越浪量较大，且越浪形成了成片水体，对堤后作用较大，堤后个别块体晃动。

采用双联块体护面的防波堤断面，大部分波浪在护底和斜坡之间破碎，波浪对护面作用较强，在设计高潮位1.8 m 及相应波浪合作用下，迎浪面个别块体晃动；在极端高潮位2.8 m 及相应50 年一遇波浪组合作用下，由于越浪很大，越浪形成成片水体，越浪水体对堤后护面块体作用较大，经过波浪相当于原型2 小时作用后，个别块体晃动。

3.2 越浪量及堤后波高

设计高潮位1.8 m 及相应2 年一遇波浪作用下，个别大波作用时有浪花飞溅，越浪量很小；设计高潮位1.8 m 及相应50 年一遇波浪作用下越浪量为0.061 m3/(m·s)，越浪形成成片水体；极端高潮位2.8 m 及相应 50 年一遇波浪作用下越浪量为0.151 m3/(m·s)。堤后波高见表3、表4。

表3 设计高潮位50 年一遇波浪作用下堤后波高/m

表4 设计高潮位2 年一遇波浪作用下堤后波高/m

4 结语

结合某斜坡式防波堤工程实例，通过室内水槽波浪物理模型试验，研究分别采用双联块体和扭王字块体作为护面结构的防波堤稳定性问题等，以及堤后波高及越浪量情况。该模型试验验证，在不同水位和重现期波浪的连续作用下，堤身整体及护面块体均基本稳定。双联块体与扭王字块体在稳定性上具有同级别的安全性。

但值得注意的是，该工程区域为沙质海岸，底坡较陡，波浪较大，且长期处于涌浪作用条件下，应考虑一定的安全富裕储备。同时，护面块体的安放质量将会极大影响防波堤结构整体的稳定情况，特别是在存在施工作业条件、人工、设备受限等因素的地区，在护面结构块体实施中要严格控制块体摆放数量和随机安放的钩联效果。