張慈珩，陳漢寶，耿寶磊，張 維

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

STEM波作用下斜坡式結(jié)構(gòu)護(hù)面塊體穩(wěn)定性的物理模型研究

張慈珩，陳漢寶，耿寶磊，張 維

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

文章通過(guò)對(duì)規(guī)范公式、斷面物理模型及三維物理模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)STEM波作用下護(hù)面塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，分析失穩(wěn)原因，提出加強(qiáng)穩(wěn)定性的措施。通過(guò)不同手段得到結(jié)果的對(duì)比，三維模型試驗(yàn)對(duì)表現(xiàn)復(fù)雜波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響效果較好，得到的結(jié)果遠(yuǎn)大于公式計(jì)算和斷面模型試驗(yàn)結(jié)果，可以有效保證工程安全。

三維物理模型試驗(yàn)；扭王字塊；穩(wěn)定性；STEM波

Biography：ZHANG Ci-heng（1981-），male，assistant professor.

波浪在建筑物附近傳播，當(dāng)來(lái)浪方向與直立式建筑物呈小于一特定角度入射時(shí)，波浪會(huì)沿直立表面形成STEM波，而不發(fā)生常規(guī)的反射［1］。STEM波在沿結(jié)構(gòu)傳播過(guò)程中波能迅速積聚，表現(xiàn)出來(lái)的波高及影響范圍也隨著傳播距離的增加而加大。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，STEM波的波高可達(dá)初始入射波高的兩倍以上［2-3］，這種波浪如果遇到兩種結(jié)構(gòu)形式相交突起或結(jié)構(gòu)邊緣處會(huì)發(fā)生破碎，破碎波浪沖擊作用強(qiáng)烈，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

隨著目前港口建設(shè)向深水化發(fā)展，為建設(shè)成本、施工方法考慮，深水島堤、碼頭、引堤等越來(lái)越多的采用不同深度多種結(jié)構(gòu)分段的復(fù)合形式，如防波堤在深水采用直立復(fù)合結(jié)構(gòu)而在淺水采用斜坡式結(jié)構(gòu)，如此設(shè)計(jì)就會(huì)出現(xiàn)直立和斜坡兩種結(jié)構(gòu)相交的部分，在特定波浪入射角度下，STEM波的出現(xiàn)會(huì)成為工程中的危險(xiǎn)因素，尤其在兩種結(jié)構(gòu)相交處的斜坡堤段，STEM波會(huì)對(duì)護(hù)面結(jié)構(gòu)形成很大沖擊。

圖1 STEM波示意圖Fig.1 Sketch of STEM wave

在目前港口工程設(shè)計(jì)中，斜坡式結(jié)構(gòu)護(hù)面塊體穩(wěn)定性的判斷一般通過(guò)公式計(jì)算或波浪斷面物理模型試驗(yàn)確定［4-5］，但這兩種方法均有其局限性：規(guī)范公式可以對(duì)計(jì)算波高參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但無(wú)法反映斜向入射波浪破碎后破波水流對(duì)塊體的作用；而在斷面物理模型中，受造波限制，有可能很難復(fù)演出STEM波的波高，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確模擬該類波浪作用。因此在針對(duì)諸如防波堤堤頭［6］、轉(zhuǎn)角或結(jié)構(gòu)相接處等復(fù)雜情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判斷時(shí)，采用三維波浪模型是十分必要的。

對(duì)于STEM波的研究之前多集中在數(shù)學(xué)模型模擬上，對(duì)其對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的研究并不多見(jiàn)［7-16］。本文依托煙臺(tái)西港區(qū)碼頭起步工程的相關(guān)模型研究，由于其特殊的工程布置，在試驗(yàn)中出現(xiàn)了STEM波對(duì)斜坡式結(jié)構(gòu)護(hù)面結(jié)構(gòu)的沖擊，為該類問(wèn)題的研究提供了很好的素材，在本文中對(duì)STEM波作用下防波堤護(hù)面塊體的失穩(wěn)原因以及強(qiáng)化其穩(wěn)定性的優(yōu)化措施進(jìn)行研究，并與常規(guī)斷面試驗(yàn)和相關(guān)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，論證了采用該類型模型在解決復(fù)雜波浪條件下塊體穩(wěn)定的必要性。

1 試驗(yàn)工程簡(jiǎn)介

本文依托的煙臺(tái)西港區(qū)碼頭起步工程位于煙臺(tái)以西套子灣內(nèi)，模型研究范圍位于整個(gè)規(guī)劃港區(qū)的東側(cè)，水工設(shè)施包括引堤、碼頭等。試驗(yàn)研究主要針對(duì)布置方案進(jìn)行波浪穩(wěn)定物理模型試驗(yàn)。在該工程布置中礦石碼頭海側(cè)為直立式結(jié)構(gòu)，與之相連的接岸引堤海側(cè)水深較淺，采用斜坡式結(jié)構(gòu)。本文主要針對(duì)碼頭海側(cè)直立結(jié)構(gòu)與斜坡結(jié)構(gòu)相交處在NNE向波浪作用下的塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

在本文的研究區(qū)域中，碼頭水深為-26.0～-21.0 m，直立碼頭海側(cè)胸墻頂高程為+11.5 m；接岸引堤斜坡式結(jié)構(gòu)護(hù)面采用6 t扭王字塊體，護(hù)面坡度1：1.5，上部擋浪墻墻頂標(biāo)高+9.5 m。

圖2 煙臺(tái)西港區(qū)布置形式Fig.2 Layout of Yantai Western Port

圖3 試驗(yàn)直立結(jié)構(gòu)及斜坡結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sketch of vertical and slope structure

2 試驗(yàn)條件及模型設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)水位

設(shè)計(jì)高水位：2.46 m；極端高水位：3.56 m。

2.2 試驗(yàn)波浪要素

碼頭端部三維模型和斷面模型試驗(yàn)波浪條件見(jiàn)表1和表2。

2.3 模型設(shè)計(jì)

三維模型和斷面模型均為正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，三維模型選用幾何比尺λ=50，時(shí)間比尺為λt=7.07；斷面模型選用幾何比尺λ=36，時(shí)間比尺λt=6。三維模型布置見(jiàn)圖4。波浪入射角度與結(jié)構(gòu)物夾角為22.5°。

表1 三維穩(wěn)定模型試驗(yàn)波浪條件（碼頭端部）Tab.1 Wave condition of 3D stability model

表2 斷面物理模型試驗(yàn)試驗(yàn)波浪條件Tab.2 Wave condition of 2D stability model

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 塊體穩(wěn)定重量計(jì)算

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS154-1-2011）中相關(guān)公式計(jì)算

式中：W為單個(gè)塊體重量，t；γb為塊體材料的重度（混凝土為23 kN/m3）；H為設(shè)計(jì)波高（采用4.35 m）；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)，新規(guī)范要求扭王字塊為18；γ為海水重度，γ=10.25 kN/m3；ctgα 為斜坡堤坡度（原設(shè)計(jì)坡度 1：1.5）。

通過(guò)計(jì)算，計(jì)算所需塊體重量為3.7 t，而在設(shè)計(jì)中采用6 t塊體，大于計(jì)算重量，原則上應(yīng)可滿足護(hù)面穩(wěn)定的要求。

圖4 三維模型布置圖Fig.4 Layout of 3D model

3.2 斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果

直立碼頭與引堤連接處護(hù)面采用6.0 t扭王字塊，斜坡坡度為1：1.5，中部戧臺(tái)高程為-2.0 m。在試驗(yàn)波浪作用下，原設(shè)計(jì)護(hù)面塊體穩(wěn)定。

綜上所述，原設(shè)計(jì)塊體重量大于公式計(jì)算結(jié)果且通過(guò)斷面試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足常規(guī)條件下的穩(wěn)定性要求。

3.3 三維物理模型試驗(yàn)成果

（1）原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果。在設(shè)計(jì)波浪作用下，波浪在防波堤外側(cè)形成STEM波，直立和斜坡結(jié)構(gòu)相接處比波高接近2.0，波浪沖擊斜坡后破碎，形成的破波水體繼續(xù)沿斜坡堤戧臺(tái)傳播，造成斜坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

分析該處塊體失穩(wěn)的原因，主要有以下兩方面：第一由于STEM波的波能積聚作用，使該處受到了遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)波浪的直接沖擊，試驗(yàn)中最大實(shí)測(cè)比波高為1.83；第二為波浪沖擊破碎后形成的破波水體的沖刷作用，破波水體夾帶大量氣泡，且速度與波速接近，沖擊作用強(qiáng)。

（2）優(yōu)化方案試驗(yàn)成果。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)成果，連接段原設(shè)計(jì)6 t塊體無(wú)法滿足穩(wěn)定要求，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)觀察，原設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)及塊體尺寸與實(shí)際需要相差較大，因此需要從不同角度對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化方法為：加大塊體尺寸、優(yōu)化塊體坡度、在連接段前局部增加潛堤丁壩促使波浪提前破碎減小對(duì)連接段的沖擊，具體優(yōu)化方案如下。

優(yōu)化方案一（加大塊體重量）：分別采用9 t、16 t兩種尺寸的扭王字塊體進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；

優(yōu)化方案二（優(yōu)化斷面坡度）：根據(jù)規(guī)范公式，放緩坡度可增加塊體的穩(wěn)定性，因此將坡度優(yōu)化為1：2，分別采用19 t、16 t和12 t三種尺寸扭王字塊進(jìn)行試驗(yàn)；

優(yōu)化方案三（增加潛堤丁壩）：利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)2個(gè)富裕沉箱，采用在連接段前布置若干道潛堤，促使STEM提前破碎。第一道潛堤距連接段100 m，第二道潛堤距連接段為200 m。該優(yōu)化方案進(jìn)行了2組潛堤頂高程組合方案進(jìn)行對(duì)比，第一組為第一道潛堤頂高程為-5.0 m，第二道潛堤頂高程為-10.0 m；第二組為第一道潛堤頂高程為-2.5 m，第二道潛堤頂高程為-7.5 m。在該優(yōu)化方案中，連接段護(hù)面塊體采用12 t扭王字塊體，護(hù)面坡度為1：2。

根據(jù)優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果：優(yōu)化方案一在重現(xiàn)期為50 a波浪連續(xù)作用下，9 t和16 t扭王字塊均無(wú)法保持穩(wěn)定，由此可見(jiàn)單純采用加大塊體尺寸的方法進(jìn)行優(yōu)化，效率較低。在優(yōu)化方案二中護(hù)岸坡度改為1：2之后，19 t的扭王字塊在波浪連續(xù)作用4 h后可保持穩(wěn)定；優(yōu)化方案三中在第二組潛堤高程組合后，12 t扭王字塊可保證穩(wěn)定性要求。

4 主要結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)本文中物理模型試驗(yàn)的研究，并結(jié)合規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，得出如下主要結(jié)論：

（1）隨著港口向深水化發(fā)展，多種結(jié)構(gòu)形式復(fù)合的工程布置形式越來(lái)越多，例如本文中列舉工程的布置形式，多種結(jié)構(gòu)形式復(fù)合結(jié)構(gòu)物與岸線垂直或呈大角度相交，易出現(xiàn)STEM波，在規(guī)劃布置階段即應(yīng)注意避免類似布置的出現(xiàn)。

（2）STEM波的破壞作用主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一是波能聚集形成了遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)條件的波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的直接沖擊；二是沖擊破碎后形成的高速夾氣破波水體的沖擊作用。

（3）防止STEM波的破壞，應(yīng)從不同方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：首先應(yīng)對(duì)STEM波的出現(xiàn)概率及可能的波高大小進(jìn)行預(yù)測(cè)，此為進(jìn)行塊體防護(hù)的先決條件；針對(duì)塊體穩(wěn)定性除采用加大塊體重量、優(yōu)化坡度等直接增加塊體自身的穩(wěn)定性的方法外，還可通過(guò)沿直立結(jié)構(gòu)修建潛堤丁壩或采用開(kāi)孔沉箱等方法，防止波能積聚或促使其提前破碎，以減輕STEM波對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。

（4）波浪傳播及對(duì)建筑物的作用是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，采用常規(guī)的斷面模型及公式計(jì)算，對(duì)常規(guī)情況可以得到比較可信的結(jié)果，但對(duì)本文中出現(xiàn)的復(fù)雜波浪情況，這兩種方法得到的結(jié)果無(wú)法保證工程的安全，且與采用三維模型試驗(yàn)的結(jié)果存在較大的差別，因此在堤頭或結(jié)構(gòu)布置較為復(fù)雜的條件下，宜用三維穩(wěn)定模型來(lái)判斷工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。

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Physical model on stability of sloping breakwater armor unit under STEM wave action

ZHANG Ci-heng,CHEN Han-bao,GENG Bao-lei,ZHANG Wei
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

In this paper,based on the comparison of formula,2D physical section model and 3D physical model,the stability of armor unit under STEM wave action was verified,and the reasons and improvement method were analyzed.According to the results of different methods,the 3D physical model is more suitable for simulating complex wave action on structure.The stable size of armor unit from 3D model is larger than 2D model and formula result,which can ensure the construction safety.

3D physical model;accropode;stability;STEM wave

TV 139.16；U 656

A

1005-8443（2013）06-0488-05

2012-09-26；

2013-02-21

張慈珩（1981-），男，天津市人，助理研究員，主要從事波浪數(shù)學(xué)及物理模型試驗(yàn)工作。