陳兆虎， 陳德春*， 杜景景

(1.河海大學(xué)港口、海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098;2.上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海200333)

防波堤處于海岸與近海區(qū)域，保障堤后水域碼頭前沿船舶作業(yè)安全。由于受復(fù)雜的外部因素的影響，如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、巨浪、地震等，故對(duì)于防波堤斷面尺度與結(jié)構(gòu)的選取，設(shè)計(jì)人員均嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范［1］進(jìn)行設(shè)計(jì)，再通過(guò)防波堤波浪斷面物理模型試驗(yàn)確認(rèn)最終方案。

文中基于防波堤斷面物理模型穩(wěn)定性試驗(yàn)，針對(duì)影響防波堤斷面穩(wěn)定性的不確定性因素，運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和方法，以防波堤為整體系統(tǒng)，在層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，采用多指標(biāo)分析法建立系統(tǒng)失效模型，篩選影響防波堤斷面穩(wěn)定性的評(píng)判指標(biāo)體系，通過(guò)模糊層次分析的方法將各個(gè)方案的優(yōu)劣程度以數(shù)量化的形式表達(dá)出來(lái)，以便為防波堤斷面結(jié)構(gòu)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 防波堤斷面模型試驗(yàn)

1.1 防波堤設(shè)計(jì)方案

勝利油田青東5塊新區(qū)位于萊州灣西近岸海區(qū)。萊州灣屬渤海海域，其潮汐主要受黃河口外和秦皇島以北外海半日潮旋轉(zhuǎn)潮波以及渤海海峽日潮旋轉(zhuǎn)潮波 3個(gè)潮波系統(tǒng)的影響，NE-NEN向(45°-22.5°方位)風(fēng)對(duì)該海域造成的影響最大。

圖1 所示人工島防波堤設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)(方案一)為:頂面設(shè)計(jì)高程▽4.0 m，采用厚30 cm的漿砌片石結(jié)構(gòu)，其下為厚10 cm的碎石墊層。頂部設(shè)C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)弧形擋浪墻，擋浪墻頂高程為▽5.0 m。島身結(jié)構(gòu)為10～100 kg的拋石，拋石平臺(tái)頂高程為▽2.0 m，平臺(tái)寬6.0 m，迎水坡度1∶2，自弧形擋浪墻至坡腳鋪放一層2.73 t的扭工塊體，護(hù)底塊石質(zhì)量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

圖1 設(shè)計(jì)斷面(方案一)Fig.1 Design section(Plan 1)

為得到設(shè)計(jì)水位與50年一遇波浪組合作用下人工島防波堤的穩(wěn)定斷面，物理模型試驗(yàn)以設(shè)計(jì)斷面(方案一)為準(zhǔn)，考慮到護(hù)面塊體類(lèi)型及擺放形式、擋浪墻頂高程、迎水坡度、護(hù)底砼連鎖塊厚度對(duì)設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)及尺度穩(wěn)定性的影響程度，增加4種方案(即方案二 ～方案五)加以研究［2］。

1)方案二:采用4.15 t扭工塊體沿迎水坡面規(guī)則擺放一層，墻頂高程▽5.2 m，迎水坡度1∶1.75，護(hù)底塊石質(zhì)量100 ～200 kg，砼連鎖塊體厚度10 cm。

2)方案三:采用2.73 t扭工塊體沿迎水坡面規(guī)則擺放兩層(即先規(guī)則擺放一層，再對(duì)塊體孔隙位置加放2.73 t扭工塊體)，墻頂高程▽5.0 m，迎水坡度1∶2，護(hù)底塊石質(zhì)量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

3)方案四:采用3 t扭王塊體沿坡面規(guī)則擺放一層，墻頂高程▽5.2 m，迎水坡度1 ∶1.75，護(hù)底塊石質(zhì)量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

4)方案五:迎水坡拋石平臺(tái)以上坡面安放2層2.73 t扭工塊體，平臺(tái)及以下坡面規(guī)則安放一層12排3 t扭王塊體，其下規(guī)則安放3排2.73 t扭工塊體，墻頂高程▽5.0 m，迎水坡度1∶2，護(hù)底塊石質(zhì)量100～200 kg，砼連鎖塊體厚度20 cm。

1.2 波浪斷面物理模型試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)1.1試驗(yàn)方案采用規(guī)則波與3級(jí)水位(極端水位3.55 m和高水位2.73 m，設(shè)計(jì)高水位1.73 m)組合進(jìn)行波浪斷面物理模型試驗(yàn)。

規(guī)則波波要素采用極限破碎波高(水深的0.6倍)［3］，試驗(yàn)水位和波要素見(jiàn)表 1。

表1 人工島規(guī)則波浪要素Tab.1 Wave elements of the artificial island rule

1.3 人工島設(shè)計(jì)斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果

在規(guī)則波與極端水位3.55 m、高水位2.73 m、設(shè)計(jì)高水位1.73 m組合作用下，設(shè)計(jì)斷面方案一、增加研究方案二 ～方案五共5種物理模型方案試驗(yàn)［4］，結(jié)果分別見(jiàn)表 2、3、4、5、6。

表2 方案一規(guī)則波試驗(yàn)防波堤斷面穩(wěn)定性Tab.2 Plan 1:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表3 方案二規(guī)則波試驗(yàn)防波堤斷面穩(wěn)定性Tab.3 Plan 2:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表4 方案三規(guī)則波試驗(yàn)防波堤斷面穩(wěn)定性Tab.4 Plan 3:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表5 方案四規(guī)則波試驗(yàn)防波堤斷面穩(wěn)定性Tab.5 Plan 4:The breakwater cross-section stability of regular waves test

表6 方案五規(guī)則波試驗(yàn)防波堤斷面穩(wěn)定性Tab.6 Plan 5:The breakwater cross-section stability of regular waves test

1.4 波浪斷面試驗(yàn)結(jié)果分析

1)設(shè)計(jì)斷面護(hù)面結(jié)構(gòu)采用規(guī)則安放一層2.73 t扭工塊體是失穩(wěn)的，說(shuō)明必須要調(diào)整護(hù)面結(jié)構(gòu)，或增加扭工塊體質(zhì)量，或安放2層2.73 t扭工塊體，或采用扭王塊體，或扭工與扭王塊體相結(jié)合安放。

2)以方案一為準(zhǔn)，試驗(yàn)增加的方案護(hù)面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，增加安放一層扭工塊體質(zhì)量為4.15 t(方案二);原設(shè)計(jì)方案安放一層2.73 t扭王塊體到安放2層(方案三);安放一層3 t的扭王塊體(方案四);上坡兩層2.73 t扭工塊體，迎水平臺(tái)及下坡規(guī)則安放一層3 t扭王塊體，下坡底3排2.73 t扭工塊體(方案五)。試驗(yàn)結(jié)果表明:扭王塊體的穩(wěn)定性明顯高于扭工塊體;方案二中安放一層4.15 t扭工塊體在2.73 m水位與極端高水位規(guī)則波時(shí)均失穩(wěn);方案三中安放2層2.73 t扭工塊體呈搖晃、失穩(wěn)。而方案四中安放一層3 t扭王塊體和方案五中扭工與扭王塊體組合，在各種不同水位下均為穩(wěn)定。

3)比較各方案墻頂水舌厚度(越浪量)，方案五和方案三相對(duì)于其它方案明顯存在優(yōu)勢(shì)，而方案四則相對(duì)較差。

綜上，護(hù)面結(jié)構(gòu)方案五為扭工與扭王塊體組合，一方面其墻頂水舌厚度小，另一方面從施工而言，受水位影響底部安放3排2.73 t扭工塊體較規(guī)則安放扭王塊體更為合理，平臺(tái)以下坡面規(guī)則安放一層3 t扭王塊體抗浪穩(wěn)定性?xún)?yōu)于安放扭工塊體，上坡面安放2層2.73 t扭工塊體消浪性好，則波浪斷面試驗(yàn)宜推薦方案五。

2 防波堤斷面模型的模糊分析

2.1 層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法

層次分析法(the analytic hierarchy process，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP)是由美國(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代中期提出的一種系統(tǒng)工程方法。其基本思路是:將復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干個(gè)組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩兩比較的方式，確定一個(gè)判斷矩陣，把判斷矩陣的最大特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量的分量作為相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，然后通過(guò)矩陣的基本運(yùn)算，得出每個(gè)評(píng)價(jià)的權(quán)重值。

模糊層次分析法(F-AHP)是在層次分析法基礎(chǔ)上引入模糊綜合評(píng)價(jià)法，將層次分析模型中一系列難以量化的定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化成定量分析［5-8］。

2.2 防波堤斷面評(píng)判模型結(jié)構(gòu)

為考察所設(shè)計(jì)的青東5塊新區(qū)工程中人工島設(shè)計(jì)代表斷面尺度的合理性，提出以人工島斷面模型為一個(gè)系統(tǒng)，將防波堤各個(gè)組成部分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立起一個(gè)系統(tǒng)的多指標(biāo)判斷體系。并通過(guò)建立判斷體系，將各個(gè)方案的優(yōu)劣程度量化，客觀地比較各個(gè)備選方案的優(yōu)劣程度。要建立客觀合理的判斷體系，首先必須對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)破壞因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，找出造成防波堤結(jié)構(gòu)損壞的主要因素，以此來(lái)確定模型的Ⅰ級(jí)指標(biāo)和Ⅱ級(jí)指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)防波堤破壞因素進(jìn)行研究也是確定各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的重要基礎(chǔ)和依據(jù)，只有充分地了解防波堤的損壞特點(diǎn)及其原因，才能得到一個(gè)符合實(shí)際情況的判斷體系。

選取3種設(shè)計(jì)水位情況作為模型的Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即:U1極端水位▽3.55 m;U2高水位▽2.73 m;U3設(shè)計(jì)高水位▽1.73 m。Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)共有5個(gè)，U11即代表護(hù)面塊體穩(wěn)定性;U12代表越浪量大小;U13代表坡度的影響;U14代表護(hù)底塊石穩(wěn)定性;U15代表砼連鎖塊體穩(wěn)定性。詳情見(jiàn)圖2評(píng)判模型的結(jié)構(gòu)示意。

圖2 評(píng)判模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of evaluation model

2.3 防波堤斷面模型研究實(shí)例

2.3.1 Ⅰ級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)所建立的模糊層次分析的模型，Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)共計(jì)有3個(gè)，分別為:U1極端水位▽3.55 m，U2高水位▽2.73 m，U3設(shè)計(jì)高水位▽1.73 m。

1)構(gòu)造比較判斷矩陣。比較判斷矩陣是通過(guò)判斷尺度將兩兩指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行比較判斷而得出的，其中引入模糊判斷數(shù) 1，3，5，7，9 及其倒數(shù)，表示一個(gè)要素相對(duì)于另一個(gè)要素的重要程度。對(duì)于防波堤而言，極端高水位對(duì)其結(jié)構(gòu)安全影響性為最大，在權(quán)重的分配上理應(yīng)多加考慮。但是由于極端高水位出現(xiàn)概率極低，故可以適當(dāng)降低其權(quán)重的分配。設(shè)計(jì)高水位出現(xiàn)概率較極端高水位大得多，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)的破壞作用卻沒(méi)有極端高水位那么強(qiáng)烈。高水位▽2.73 m則介于極端水位和設(shè)計(jì)高水位兩者之間。綜合上述分析，得到3種水位的判斷矩陣，見(jiàn)表7。

表7 Ⅰ級(jí)指標(biāo)比較矩陣Tab.7 Ⅰlevel index comparison matrix

2)計(jì)算比較判斷矩陣的特征向量。比較判斷的特征向量就是指標(biāo)的權(quán)重向量，采用集合評(píng)價(jià)法計(jì)算特征值，其結(jié)果可得U1極端水位▽3.55 m，U2高水位▽2.73 m，U3設(shè)計(jì)高水位▽1.73 m三者的權(quán)重分別為0.60、0.28、0.12。即:A=(0.60 0.28 0.12)。其對(duì)應(yīng)的最大特征值 λmax=3.05。

3)比較判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。采用隨機(jī)一致性比率CR來(lái)判斷比較矩陣的一致性，根據(jù)

2.3.2 Ⅱ級(jí)指標(biāo)權(quán)重的確定

Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)共有5個(gè)，即護(hù)面塊體穩(wěn)定性U11、越浪量大小U12、坡度的影響U13、護(hù)底塊石穩(wěn)定性U14、砼連鎖塊體穩(wěn)定性U15。

1)構(gòu)造比較判斷矩陣。通過(guò)對(duì)大量國(guó)內(nèi)外防波堤損壞案例統(tǒng)計(jì)資料的分析，由護(hù)面塊體以及堤頂越浪造成的防波堤損毀占據(jù)比例相當(dāng)大。綜合青東人工島物理模型試驗(yàn)的各項(xiàng)研究分析也發(fā)現(xiàn)，防波堤的護(hù)面塊體的穩(wěn)定性和堤頂越浪量的大小是影響防波堤斷面穩(wěn)定性的主要因素。綜合考慮，對(duì)判斷模型中Ⅱ級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分配從大到小依次為:U11護(hù)面塊體穩(wěn)定性，U12越浪量大小，U13坡度的影響，U14護(hù)底塊石穩(wěn)定性，U15砼連鎖塊體穩(wěn)定性。依據(jù)以上原則，構(gòu)造Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，見(jiàn)表8。

表8 Ⅱ級(jí)指標(biāo)比較矩陣Tab.8 Ⅱ level index comparison matrix

2)計(jì)算比較判斷矩陣的特征向量。比較判斷矩陣的特征向量就是指標(biāo)的權(quán)重向量，采用集合評(píng)價(jià)法計(jì)算特征值，其結(jié)果可得極端高水位▽3.55 m中的Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)U11護(hù)面塊體穩(wěn)定性，U12越浪量大小，U13坡度的影響，U14護(hù)底塊石穩(wěn)定性，U15砼連鎖塊體穩(wěn)定性的權(quán)重，分別為 A1=(0.42 0.26 0.16 0.10 0.06)。其對(duì)應(yīng)的最大特征值 λmax=5.10。

3)比較判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。采用隨機(jī)一致性比率CR來(lái)判斷比較矩陣的一致性，根據(jù)

2.3.3 評(píng)價(jià)集及隸屬函數(shù)的建立

1)評(píng)價(jià)集的建立。根據(jù)防波堤物理模型試驗(yàn)現(xiàn)象及要求，防波堤物理模型試驗(yàn)中對(duì)防波堤安全穩(wěn)定的評(píng)價(jià)集為

2)防波堤設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣主要取決于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和工程造價(jià)的大小，在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，其越浪量的大小能夠從一定程度上反映出防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。采用模糊分布中半梯形分布形式建立防波堤越浪量與模型試驗(yàn)評(píng)價(jià)集之間的隸屬函數(shù)［9-11］。具體的隸屬函數(shù)關(guān)系如下:

其中 c1，c2，c3，c4分別是區(qū)間(v1，v2)(v2，v3)，(v3，v4)(v4，v5)的中間值。對(duì)于防浪墻，水舌厚度的值分別為:v1=0，v2=0.05 m3/(s·m)，v3=0.1 m3/(s·m)，v4=0.15 m3/(s·m)，v5=0.2 m3/(s·m)。

2.3.4 各個(gè)方案的模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具體評(píng)價(jià)步驟如下:

1)先根據(jù)隸屬函數(shù)，確定不同水位情況下的評(píng)價(jià)矩陣 Ri(i=1，2，3);

2)再利用公式 Bi=A1Ri(i=1，2，3)，計(jì)算出Ⅱ級(jí)指標(biāo)下的綜合評(píng)價(jià)值;

3)最后應(yīng)用公式B=AR，計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)情況下，即每一個(gè)水位下的綜合評(píng)價(jià)。其具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9、10。

根據(jù)最大隸屬度的原則，對(duì)青東人工島防波堤斷面5種方案進(jìn)行相互比較，可以得到如下優(yōu)劣順序:①方案五，②方案四，③方案三，④方案一，⑤方案二。同時(shí)，根據(jù)模糊層次分析法的分析可以看出在5種方案中，方案四、方案五相比方案二、方案三及方案一要好得多。根據(jù)其隸屬度判斷，方案四和方案五應(yīng)屬于優(yōu)良方案，而方案三和方案一當(dāng)屬于一般方案，方案二則應(yīng)屬于較差方案。

表9 各方案在不同水位情況下的綜合評(píng)價(jià)Tab.9 Comprehensive evaluation of various programs in the case of different water levels

表10 各方案的綜合評(píng)價(jià)Tab.10 Comprehensive evaluation of each scheme

3 結(jié)語(yǔ)

綜合物理模型試驗(yàn)和模糊層次分析方法，研究勝利油田青東人工島防波堤斷面穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論:

1)護(hù)面結(jié)構(gòu)為2.73 t扭工塊體與3 t扭王塊體組合，上坡面安放2層2.73 t扭工塊體消浪性好，平臺(tái)與下坡面規(guī)則安放一層3 t扭王塊體抗浪穩(wěn)定性?xún)?yōu)于安放扭工塊體，底部隨機(jī)安放3排2.73 t扭工塊體較規(guī)則安放扭王塊體易于施工且不受水位影響。

2)分析防波堤破壞因素，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型體系，運(yùn)用模糊層次分析法評(píng)價(jià)防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與物理模型試驗(yàn)結(jié)果一致，為防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)選提供了一種研究方法。

3)防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由眾多因素影響決定，在建立判斷模型后要充分考慮到各種不同因素對(duì)其的影響，可通過(guò)不斷調(diào)整防波堤斷面結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到最穩(wěn)定的狀況。

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