佟德勝，關(guān)濤，王海龍

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；2.錦州港股份有限公司，遼寧 錦州 121007；3.東營港建設(shè)投資有限責(zé)任公司，山東 東營 257091）

1 概述

隨著我國船舶大型化、港口設(shè)施深水化日趨發(fā)展，為防御外海波浪對所掩護海域侵襲，為船舶停泊作業(yè)提供平穩(wěn)、安全水域，保護港內(nèi)設(shè)施的防波堤工程亦逐步向深水、浪大地區(qū)延伸。由于國內(nèi)建造深水防波堤的實例較少，經(jīng)驗不多，現(xiàn)行防波堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對于深水堤設(shè)計存在某些局限性[1-3]，使得深水防波堤工程在具體設(shè)計時缺少支持的依據(jù)。而對于深水防波堤，環(huán)境復(fù)雜、造價昂貴、施工難度大，為了適應(yīng)防波堤向深水發(fā)展的需要，通過研究、分析、歸納波浪對深水防波堤作用的特點和規(guī)律，確定可行的、合理的防波堤結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今海工技術(shù)領(lǐng)域的主要課題。其研究成果不僅對深水地區(qū)建造防波堤具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義，同時對推動海工技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也起著積極的作用。

2 試驗研究的依據(jù)和條件

2.1 試驗水位與波浪

水位取±0.0 m，其堤前水深與設(shè)計波高之比為 d/H=2.0～5.0（H=6～10 m），周期 T=8～15 s，試驗水位和波浪要素見表1。

表1 設(shè)計波浪要素

2.2 波浪模擬

不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規(guī)則波試驗中，按H1%波高和平均周期進行模擬。

3 深水直立堤結(jié)構(gòu)形式

深水直面胸墻沉箱混合堤斷面結(jié)構(gòu)形式見圖1。根據(jù)試驗條件，選定3種水深、3種基床形式和3種防浪墻高度共20個斷面進行優(yōu)化，通過試驗確定出合理的直立堤結(jié)構(gòu)形式。表2為不同深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面與波高、周期的組合。

圖1 深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面

表2 不同深水直面沉箱混合堤結(jié)構(gòu)斷面與波高、周期的組合

4 試驗研究內(nèi)容

1）在各組水位與不規(guī)則波作用下，觀測深水沉箱直立堤各部位的穩(wěn)定性及越浪情況；

2）測定海側(cè)堤頂胸墻及沉箱堤身在各水位與波浪作用下的波壓力，其中包括直面胸墻、沉箱外側(cè)和底板下側(cè)的波壓力強度和總波浪力；

3）在波高H=8.0 m、胸墻頂高程10.0 m的條件下，進行不規(guī)則波與規(guī)則波同步對比試驗，量測胸墻及沉箱上的波浪力；

4）對波壓力應(yīng)進行同步分析，上部胸墻不少于2個點，直立部分不少于4個點，底面不少于4個點；

5）要求分別給出沉箱混合堤在波浪作用下的同步點壓力分布，以及總水平力和總垂直力；

6）理論計算和試驗結(jié)果進行對比與分析，并總結(jié)規(guī)律。

5 研究結(jié)果與分析

5.1 不同水深直面胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性及越浪試驗

試驗是在不同水深條件下，對3種不同頂高程胸墻、3種不同高度沉箱混合堤斷面的穩(wěn)定性及越浪進行了試驗研究，并對其進行了比較與分析。試驗研究結(jié)果表明：

1）深水直面胸墻沉箱混合堤斷面在各種工況及相應(yīng)波浪作用下，波浪在堤前為立波、遠破波及H=6.0 m（d/H=3.33、4.17）的近破波時，或者基床上水深為15.0 m、18.0 m時，堤前4 t扭王字塊體護面、300～500 kg護底塊石及相應(yīng)的胸墻沉箱整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)；堤前為H=8.0 m（d/H=2.50、3.13、3.75）的近破波（基床上水深為10.0 m）時，堤前4 t扭王字塊體護面（8 t四腳空心方塊）處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，頂高程10.0 m胸墻及10.0 m高度沉箱整體均處于臨界穩(wěn)定和失穩(wěn)狀態(tài)，建議適當(dāng)增大護面塊體重量，并在斷面設(shè)計時盡量避免近破波的發(fā)生，以確保斷面整體的穩(wěn)定性。

2）深水直面胸墻沉箱混合堤斷面堤頂均有不同程度越浪現(xiàn)象發(fā)生。在相同水深及相應(yīng)波浪作用下，隨著基床上水深d1的增大，相同堤頂越浪水舌厚度逐漸增大。在相同基床上水深d1及相應(yīng)波浪作用下，隨著水深d的增加，相同堤頂越浪水舌厚度逐漸減小。在相同工況條件下，不規(guī)則波作用時的堤頂越浪水舌厚度均大于規(guī)則波情況。

5.2 不同水深d與不同基床上水深d1下的波浪力試驗

不同胸墻沉箱混合堤斷面在水深20 m、25 m、30 m及相應(yīng)波浪作用下，分別量測了3種不同頂高程直面胸墻及3種不同底高程沉箱的波浪力。測試結(jié)果見后文表3和表4。試驗結(jié)果表明：相同混合堤斷面隨著周期T的增大，水平力最大時刻同步點壓力合成總水平力FHmax及垂向浮托力最大時刻同步點壓力合成總垂直力FVmax逐漸增大，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸減小；相同胸墻不同沉箱混合堤斷面，在相同波浪作用下，隨著基床上水深d1的增大，F(xiàn)Vmax逐漸減小。波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時，直立堤身受沖擊波壓力作用明顯[4]。

5.3 不同水深d、相同基床上水深d1下的波浪力試驗

為表征不同水深d與波高H之比對波浪力的影響，在相同基床上水深d1（即相同胸墻、沉箱混合堤斷面）條件下，進行了測試分析。

不同頂高程胸墻及不同底高程沉箱混合堤各斷面在不同水深，H13%=4.00 m、T=8～10 s，H13%=5.33 m、T=10～12 s及 H13%=6.67 m、T=11 s、13 s、15 s不規(guī)則波作用下，以及頂高程10.0 m胸墻及3種沉箱混合堤各斷面在H1%=8.0 m、T=10～12 s的規(guī)則波作用下，實測不同胸墻沉箱的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin隨d/H的變化趨勢相同，即KSmin值隨著d/H的增大而增大，見表3。

5.4 相同胸墻頂高程、不同水深d和d1，不規(guī)則波與規(guī)則波作用下的波浪力試驗

在胸墻頂高程10.0 m，d1=15.0 m、18.0 m、10.0 m，即沉箱底高程-15.0 m、-18.0 m、-10.0 m的條件下，不同胸墻沉箱混合堤斷面在水深20.0 m、25.0 m及30.0 m，H13%=5.33 m、T=10～12 s的不規(guī)則波作用及H1%=8.0 m、T=10～12 s的規(guī)則波作用下，進行了同步波浪力對比試驗。

表3 直面胸墻沉箱混合堤斷面總波浪力理論計算與試驗結(jié)果對比（波型：不規(guī)則波）

試驗結(jié)果表明，實測不同胸墻沉箱的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin隨d/L的變化趨勢均相同，即KSmin值隨著d/L的增大而增大。波浪在堤前為遠破波或立波時，不規(guī)則波對直立堤的作用稍強于相應(yīng)規(guī)則波；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波對直立式防波堤作用稍強于相應(yīng)不規(guī)則波。兩種試驗方法試驗結(jié)果對比見圖2。

圖2、胸墻沉箱最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)規(guī)則波與不規(guī)則波試驗結(jié)果的比較

5.5 直面胸墻沉箱混合堤波浪力理論計算與實測結(jié)果的對比分析

關(guān)于波浪對直立式防波堤的作用力，主要有兩大類計算方法。第一類是《海港水文規(guī)范》[2]中規(guī)定的方法，它需要首先判別直立堤前的波浪形態(tài)，然后根據(jù)不同的波態(tài)分別選取不同的計算公式。第二類是目前國際上比較常用的日本合田良實提出的方法，其普遍適用性的波浪壓力公式可適用于立波和破碎波等各種波態(tài)[5-6]。故本次分別按照國內(nèi)《海港水文規(guī)范》有關(guān)直立式防波堤波浪力計算方法和直立式防波堤合田良實“新波浪力計算法”公式進行理論計算，以與試驗結(jié)果比較。關(guān)于兩種理論計算方法及公式不再一一闡述。

由于直面胸墻沉箱迎浪面各點取最大波壓力進行合成總波浪力時，其各點最大波浪力存在相位差，其規(guī)律不符合實際。故本次研究中總波浪力理論計算與實測結(jié)果進行對比時，取各點波壓力進行同步分析，即水平力最大時刻同步點壓力合成總水平力FHmax、垂向浮托力最大時刻同步點壓力合成總垂直力FVmax；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS理論計算（見下式）與試驗結(jié)果進行對比時，取實測最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin；波壓力強度與理論計算對比時，取實測各點最大波壓力強度。

兩種理論計算方法的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS計算公式如下：

式中：W為胸墻沉箱整體水下重量，t/m；k為滑動摩擦系數(shù)，取0.6；FH為總水平力，kN/m；FV為浮托力，kN/m。

按《海港水文規(guī)范》計算波浪力時，H=6.0 m、T=8～10 s，H=8.0 m、T=10～12 s，H=10.0 m、T=11 s、13 s、15 s。

按合田良實“新波壓力計算公式”計算波浪力時，H13%取值見前述表1。

5.5.1 不同水深d、相同基床上水深d1時的對比

本文給出了部分實測直面胸墻沉箱混合堤各斷面水平力最大時刻同步點壓力合成總水平力FHmax、垂向浮托力最大時刻同步點壓力合成總垂直力FVmax及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小時刻KSmin的試驗結(jié)果與分別按《海港水文規(guī)范》、合田良實“新波壓力計算公式”理論計算結(jié)果的對比，見前述表3。

實測直面胸墻沉箱迎浪面靜水位處、迎浪面最底端測點及沉箱底面最前面測點的最大波浪力試驗結(jié)果與分別按《海港水文規(guī)范》、合田良實“新波壓力計算公式”理論計算結(jié)果的對比，見表4。

實測最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin和兩種方法計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS與d/L之間變化曲線的對比，見圖3。

圖3 胸墻沉箱抗滑穩(wěn)定系數(shù)理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

表4 直面胸墻沉箱混合堤斷面波壓力強度理論計算與試驗測試結(jié)果對比

1）當(dāng)?shù)糖八頳相同時，實測同一混合堤斷面胸墻沉箱各點波壓力及總水平力FHmax、總垂直力FVmax隨著定值波高其周期的增大而增大，且KSmin隨d/L的變化趨勢均相同，即KSmin值均隨著d/L的增大而增大，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸減小，其規(guī)律同規(guī)范公式與合田公式計算結(jié)果，而合田公式規(guī)律性較明顯。

2）相同頂高程胸墻及相同沉箱（即d1相同）隨著堤前水深d的增大，實測各點波壓力及總水平力FHmax和總垂直力FVmax均逐漸減小，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸增大，合田公式規(guī)律與實測值相同，規(guī)范公式規(guī)律不太明顯?？傮w上，當(dāng)墻前為立波、遠破波時，各點波壓力及總波浪力實測值均相應(yīng)小于兩種方法計算值，而最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin相應(yīng)要比兩種方法計算值大，其中合田公式計算值與實測值差異較??；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時，各點波壓力及FHmax和FVmax實測值幾乎都比兩種方法計算值大，KSmin實測值小于兩種方法計算結(jié)果，與立波、遠破波工況時實測值、計算值的對比規(guī)律相反。

3）在相同工況條件下，波浪在堤前為遠破波或立波時，規(guī)則波的波壓強和總波浪力實測值要稍小于不規(guī)則波實測結(jié)果；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波的實測結(jié)果相應(yīng)大于不規(guī)則波測值。

5.5.2 相同水深d、不同基床上水深d1時的對比

當(dāng)?shù)糖八頳相同時，相同頂高程胸墻不同底高程沉箱（d1不同）混合堤斷面在相同波浪作用下，各點波壓力及垂向浮托力最大時刻同步點壓力合成總垂直力FVmax實測值均隨著基床上水深d1的增大逐漸減小，用規(guī)范公式與合田公式的兩種計算結(jié)果的規(guī)律性與實測值規(guī)律性基本上相符，而合田公式規(guī)律性較明顯。

總體上，當(dāng)墻前為立波、遠破波時，各測點波壓強與FVmax實測值均相應(yīng)小于兩種方法計算值，而合田公式與實測值差異較?。划?dāng)墻前產(chǎn)生近破波時，各測點波壓強與FVmax實測值幾乎都相應(yīng)大于兩種方法計算值。

5.5.3 不同水深d、不同基床上水深d1時的對比

將兩種方法的計算結(jié)果與實測結(jié)果進行比較。

1）相同混合堤斷面在不同水深，墻前為立波、遠破波時，實測胸墻沉箱最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin規(guī)則波與不規(guī)則波試驗結(jié)果符合的很好，如前述圖2所示。

2）當(dāng)墻前為立波、遠破波時，胸墻沉箱抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KS、總水平力FH、浮托力FV計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本符合，而合田計算結(jié)果符合程度較好；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時，合田計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合程度相對較差一些，而規(guī)范計算結(jié)果與試驗結(jié)果不相符[4，7]，見圖4、圖5和圖6所示。

圖4 總水平力規(guī)范計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較

圖5 總水平力合田計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較

圖6 浮托力合田計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較

6 結(jié)語

1）當(dāng)?shù)糖八頳不變，基床頂面水深d1逐漸增大時，在相同波浪作用下，明基床的護肩、護坡塊體重量可相應(yīng)減??；

當(dāng)?shù)糖八頳逐漸增大，基床頂面水深d1不變時，在相同波浪作用下，波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時，明基床的護肩、護坡工況條件變差，塊體重量則相應(yīng)增大；

近破波一般出現(xiàn)在拋石基床相對較高時，它具有很大的沖擊性，對直墻的安全和穩(wěn)定的威脅也較大。

2）在相同波浪作用下，隨著水深d或基床上水深d1的增大，即由淺向深變化時，其波浪力的作用趨勢是逐漸減小的。

3）波浪在堤前為遠破波或立波時，不規(guī)則波對直立堤的作用稍強于相應(yīng)規(guī)則波；而波浪在堤前破碎后產(chǎn)生近破波時，周期T=11.0 s、12.0 s的規(guī)則波對直立式防波堤作用稍強于相應(yīng)不規(guī)則波。

4）在同一水深d及相應(yīng)波浪作用下，KSmin隨d/L的變化趨勢均相同，即KSmin值均隨著d/L的增大而增大；其規(guī)律同規(guī)范公式與合田公式計算結(jié)果，而合田公式規(guī)律性較明顯。

5）墻前為立波、遠破波時，各點波壓力、總波浪力實測值均比規(guī)范和合田方法計算值小，而合田公式差異較小；當(dāng)墻前產(chǎn)生近破波時，各點波壓力、總波浪力實測值與兩種方法計算值的對比規(guī)律相反于立波、遠破波工況。

6）本研究成果中歸納、總結(jié)的深水直立堤設(shè)計技術(shù)參數(shù)已作為修訂《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[3]的參考依據(jù)，它為進一步完善防波堤設(shè)計規(guī)范提供了科學(xué)的技術(shù)支持，修訂、完善后的《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》將廣泛應(yīng)用于實際工程設(shè)計中。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].

[2]JTJ 213—98，海港水文規(guī)范[S].

[3]JTJ 298—98，防波堤設(shè)計與施工規(guī)范[S].

[4]佟德勝.深水直面胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性與受力分析試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2008.

[5]合田良實.港口建筑物的防浪設(shè)計[M].劉大中，譯.北京：海洋出版社，1984.

[6]李玉成，滕斌.波浪對海上建筑的作用[M].北京：海洋出版社，2002.

[7]佟德勝.深水曲面及削角胸墻沉箱混合堤斷面穩(wěn)定性與波浪力試驗研究報告[R].天津：天津港灣工程研究所，2005.