几内亚湾长周期涌浪作用下岛式码头防波堤稳定性试验研究

邓夕贵，张亚敬，谢守鹏，金瑞佳，陈汉宝

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京100027； 2.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研究中心 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

几内亚湾属长周期涌浪作用为主的海湾，具有波浪周期长、波高大且浪向集中的特点。南大西洋在中高纬度区域受温带气旋影响产生风浪，在长距离传播过程中，高频波浪衰减较快，当传至几内亚湾时转变为中长周期涌浪以及热带(6°N～15°S)生成的短周期风浪，形成了几内亚湾外海长周期涌浪为主、风浪为辅的波浪特征[1]。众多研究表明，长周期涌浪会穿过防波堤影响港内泊稳条件及破坏结构物稳定性。围绕长周期波浪传播对海工建筑物影响的研究很多，姜云鹏等[2-3]采用断面物理模型试验，研究了长周期波浪冲击对斜坡式结构顶部胸墙的冲击作用，结果表明国内规范和美国CEM手册经验公式未充分考虑长周期波浪破碎对胸墙受力的影响。邴晓等[4]介绍了英国标准BS6349、美国陆军工程兵团《海岸工程手册》、日本《港口设施技术标准》中直墙所受波谷力的计算原理，并对应用范围和参数选取进行了推荐。戈龙仔等[5]针对印度洋海域深水涌浪条件下大型扭工字护面块体在施工过程中多次出现的破坏现象，采用物理模型试验分析了深水涌浪条件下护面块体破坏机理，揭示了摇动导致杆件断裂并引起防波堤破坏的原因。邓夕贵等[6]研究了强浪向和其他不同方向波浪作用下，不同水位往复循环后防波堤堤身动态平衡形态的形成规律。于定勇[7]采用物理模型试验通过对胸墙迎浪面的波浪压强分布、总水平作用力和波浪作用高度的试验改进了规范中斜坡堤胸墙波浪力计算方法。

综上，长周期涌浪海域防波堤设计不能简单地照搬国内外规范，应充分考虑其使用条件，在有条件的情况下采用物理模型试验进行研究。在中长周期波海域，当越浪量较大时，越浪水体越过胸墙对背浪侧护面块石造成瞬间冲击力非常大，极易造成块石失稳，导致防波堤破坏。本文以几内亚湾岛式码头防波堤工程为例，通过三维物理模型试验对防波堤挡浪墙稳定性及越浪量进行分析，对防波堤设计进行了优化，可为类似工程提供参考依据。

1 模型试验资料

1.1 模型实例

模型试验以贝宁某离岸码头防波堤工程[8-10]为研究对象，该工程位于贝宁东南部迪法省，离岸距离约400 m。防波堤采用斜坡式防波堤，总长约352 m，防波堤顶高程7.0 m，挡浪墙顶高程同样为7.0 m，堤心石采用1～500 kg块石，堤外侧采用700～1 300 kg 块石垫层，垫层上部采用7 t人工块体阻挡外海波浪，防波堤内侧采用500～1 500 kg块石护面，堤趾同样采用500～1 500 kg块石防止人工块体滑动，护底块石质量为50～100 kg，防止冲刷破坏，堤身坡度为1：1.5，堤头采用10 t扭王字块阻挡外海波浪。防波堤平面布置如图1所示，堤身及堤头断面如图2所示。

图1 防波堤平面布置Fig.1 Layout of the breakwater图2 堤身及堤头断面图Fig.2 Section of the breakwater

1.2 试验水位和波浪要素

本工程水文信息以当地理论基面为基准，极端高水位2.20 m，极端低水位-0.10 m。波浪方向选取为SSE、S、SSW三个方向。试验波浪要素如表1所示。

表1 试验波要素Tab.1 Wave parameters

2 试验方法

2.1 试验设施和模型制作

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院综合试验厅中完成。模型按重力相似准则设计，采用正态、定床模型。试验场地为42 m×30 m×1 m的矩形水池，如图3所示，采用几何比尺λ=25，时间比尺λt=5，力比尺λF=15 625。模型中各种块石按重力比尺挑选，粒径级配符合《防波堤与护岸设计规范》[11]中对于斜坡堤的规定，同时满足《水运工程模拟试验技术规程》(JTJ/T231-2021)[12]的要求。造波采用总长40 m可移动推板式不规则波造波机及其控制系统，为消除边壁反射影响，在港池四周设置消波筐，模型制作完成效果图如图3所示。

图3 模型制作完成效果Fig.3 Completed model图4 波高传感器布置图Fig.4 Layout of wave height sensors图5 设计方案压力传感器布置图(单位:mm)Fig.5 Layout of the wave pressure sensors

试验采用不规则波进行。不规则波采用频谱模拟，频谱采用《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)[13]中的JONSWAP谱。波浪力采用SG2008型微型点压力采集系统，波况采用SG2008型波高传感器，传感器布置如图4～图5所示。

2.2 试验方法

进行整体稳定性试验时，每个水位条件下模拟原体波浪作用时间取3 h(原体值，下同)，以便观察断面在波浪累积作用下的变化情况。根据《水运工程模拟试验技术规程》(JTJ/T231-2021)规定，护面块体的稳定性试验每组至少重复3次。当3次试验现象差别较大时，增加重复次数，每次试验护面块体均重新摆放。

(1)护底块石稳定性判断。

在波浪累积作用下观察护底形状改变情况，依据其表面是否发生明显变形、是否失去护底功能判断其稳定性。

(2)护面块体稳定性判断。

试验过程中通过观察扭王字块位移情况进行判断，在试验中当位移变化在半倍块体边长以上、滑落或跳出，即判断为失稳。当波浪累积作用下出现局部缝隙加大至半倍块体边长以上，也判断为失稳。

(3)越浪量测量。

通过观察找到三维试验中越浪最严重位置，用宽度为0.2 m的接水槽对越浪量进行收集，随后通过测量重量或体积得到模型的越浪量。按相似准则，将模型越浪量换算成原体越浪量。单宽平均越浪量按下式计算

(1)

式中：q为单宽平均越浪量，m3/(m·s)；V为1个波列作用下的总越浪水量，m3；b为收集越浪量的接水区域宽度，m；t为1个波列作用的持续时间，s。

3 试验结果与分析

3.1 SSE、SSW向浪条件下试验结果

由于入射波高较小，SSE向波浪作用下，防波堤外侧最大波高位于东堤头和堤身拐角处#10附近，极端高水位时有效波高2.23 m，极端低水位时有效波高2.03 m，防波堤内侧最大波高位于东堤头内侧#16附近，极端高水位时有效波高0.30 m，极端低水位时有效波高0.28 m。堤顶未形成越浪，堤身及堤头各部位均保持稳定。试验照片见图6所示。

SSW向波浪作用下，极端高水位时有效波高4.48 m，极端低水位时有效波高4.08 m，防波堤内侧最大波高位于东堤头内侧#14附近，极端高水位时有效波高0.50 m，极端低水位时有效波高0.45 m。极端高水位时堤身有两处发生越浪，越浪量为2.05 L/(m·s)、0.34 L/(m·s)，堤身及堤头各部位均保持稳定。试验照片见图7所示。

图6 SSE向试验Fig.6 Test of SSE-wave direction图7 SSW向试验Fig.7 Test of SSW-wave direction

3.2 S向波浪条件下试验结果

S向波浪作用下，防波堤外侧最大波高位于东堤头和堤身拐角处#12附近，极端高水位时有效波高5.41 m，极端低水位时有效波高4.93 m，防波堤内侧最大波高位于东堤头内侧#16附近，极端高水位时有效波高0.67 m，极端低水位时有效波高0.61 m。

在极端高水位，重现期50 a不规则波(H13%=3.92 m，Tm=15.78 s)连续作用3 h下，堤身外侧护底块石、堤趾块石、扭王字块及挡浪墙均稳定，波浪传播至防波堤前大量越过挡浪墙，直接作用于后方护面块石上，造成块石失稳，经过约450个波，折合原型时间约2 h后失稳严重，已经露出堤心石(图8)，其他地方也有部分块石发生失稳现象，经过测量越浪量达47 L/(m·s)。

图8 S向波浪作用下块石失稳Fig.8 Instability of block stone under S-wave direction action

从测力结果发现，每延米挡浪墙受到最大水平力为137.5 kN，最大垂向力为93.75 kN，以挡浪墙底摩擦系数为0.6考虑，通过下式计算证明挡浪墙是稳定的

0.6×(G-FV)>FH

(2)

式中：G为挡浪墙重量；FV为挡浪墙所受最大浮托力；FH为挡浪墙所受最大水平力。

通过模型试验观察到的实际发生的防波堤内侧块石失稳导致的挡浪墙失稳，与按规范计算所得的挡浪墙未失稳的判断相悖。这是因为防波堤外侧护面块体质量通常明显大于内侧护面块体或块石，而规范公式并未考虑越浪对防波堤内侧护面块石的淘刷引起的挡浪墙失稳，因此规范公式不再适用于反映和判断因内侧块石失稳导致的挡浪墙失稳现象。

3.3 优化方案试验

针对S向波浪作用后，挡浪墙后侧块石失稳情况，对防波堤结构进行优化，加高防波堤东西走向段挡浪墙顶高程，由7.0 m提高为8.6 m，且增长挡浪墙后方底座，保证越浪不会破坏后方护面块石，见图9所示。试验结果显示，仍有越浪现象，但较原顶高程为7.0 m情况大大改观，越过防波堤波浪直接作用到挡浪墙平台上，有效地保护了护面块石，经过测量，越浪量为4.62 L/(m·s)，满足不高于5 L/(m·s)设计要求，越浪高度约为0.5 m，经过约2 h后发现后方护面块体稳定，未发生失稳破坏，如图10所示。

图9 挡浪墙优化方案Fig.9 Optimization scheme of crown wall图10 优化方案试验结果Fig.10 Optimization scheme test result

重新测试优化的挡浪墙在波浪作用下的受力情况，传感器布置如图11所示。测试位置为斜坡堤身中间位置，极端高水位、波浪重现期50 a不规则波作用下，挡浪墙受到的水平波浪力和垂直波浪力时间历程曲线如图12～图13所示。

图11 优化方案压强传感器布置图(单位：mm)Fig.11 Layout of pressure sensor

图12 水平力时间历程曲线Fig.12 Horizontal force time course curve图13 垂直力时间历程曲线Fig.13 Vertical force time course curve

每延米挡浪墙受到的最大水平力时刻为822.5 s，此时的水平力为191.34 kN/m，浮托力为29.90 kN/m，受到最大浮托力时刻为790.5 s，此时水平力为58.53 kN/m，浮托力为96.74 kN/m，为保证挡浪墙在波浪作用下不发生水平滑移，需要比较挡浪墙受到的水平力和底部摩擦力，挡浪墙受力见表2。从受力校核来看，挡浪墙处在临界失稳的状态，从试验中观察可以看出，挡浪墙并没有发生失稳破坏，将挡浪墙后方水平板加厚保证挡浪墙的稳定性[14-15]。

表2 极端高水位挡浪墙受力计算表Tab.2 Force of crown wall in extreme high water level

4 结论

本文基于贝宁岛式码头防波堤项目，针对几内亚湾长周期波浪作用下结构物的稳定性，通过三维波浪整体物理模型试验分析防波堤护面块体、垫层和挡浪墙稳定性以及防波堤的越浪量得出如下结论：

(1)S向波浪作用下，越浪量达47 L/(m·s)，越浪水体越过挡浪墙，直接作用于后方护面块石上，造成块石失稳，进而导致挡浪墙失稳。挡浪墙测力结果满足规范公式，规范公式并未考虑越浪对防波堤内侧护面块石的掏刷引起的挡浪墙失稳，该现象值得关注。

(2)试验结果表明：在长周期波浪海域，在允许越浪的防波堤设计中应注意挡浪墙的稳定性不能仅用规范公式计算。本文再次验证了三维港池整体物理模型试验在研究防波堤稳定性、堤顶越浪量等方面的必要性。

(3)文章研究成果可为长周期涌浪作用下岛式防波堤设计提供参考。