呂迎雪，張先波，黃宣軍（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

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某援外工程碼頭及接岸段三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定試驗(yàn)研究

呂迎雪，張先波，黃宣軍
（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

通過三維物理模型試驗(yàn)手段研究工程海域涌浪對某援外碼頭及接岸段護(hù)面塊體的穩(wěn)定性和沖刷情況，優(yōu)化局部護(hù)面塊體穩(wěn)定重量為8t，并最終確定了接岸段護(hù)面結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)測量了碼頭兩側(cè)的底部流速和護(hù)底塊石穩(wěn)定性。模型試驗(yàn)結(jié)果對碼頭、接岸段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整及完善提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

友誼港；物理模型試驗(yàn)；護(hù)面穩(wěn)定性；涌浪

引　言

本文示例港地理位置在非洲大陸以西偏北，其海岸面對大西洋。常浪向?yàn)镹W向（頻率為48.64%），強(qiáng)浪向?yàn)閃向（頻率為4.87%）。原建有東北至西南向的防波堤約836m，引橋北側(cè)建有約500m長鋼管樁堵口，對港內(nèi)泊位以及4#、5#泊位、5 000t級油碼頭形成掩護(hù)和擋砂作用。4#、5#泊位平面布置為東西走向的突堤式碼頭，突堤總長650m。其中，碼頭長450m，寬69m，頂高程5.50m，西端擋浪墻頂高程7.30m，南、北兩側(cè)設(shè)計(jì)底高程-12.0m；碼頭后方的接岸段長200m，與原有丁壩相連接，為拋石堤結(jié)構(gòu)。

工程海區(qū)波浪周期較長，大于12 s的頻率約為9.67%，并且大浪期周期均較長，涌浪多分布在NW～W方向上，由于一期工程防波堤的掩護(hù)作用，4#、5#泊位主要受W向浪的作用。涌浪增加了碼頭的施工難度，并且從碼頭及接岸段護(hù)面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)來說，現(xiàn)有規(guī)范未包含相應(yīng)內(nèi)容，因此需要采用整體物理模型試驗(yàn)來驗(yàn)證該工程設(shè)計(jì)方案的合理性，并且為碼頭接岸段型式及其斷面尺度的調(diào)整和完善提供建議。

1　模型試驗(yàn)依據(jù)資料

1.1水位

工程區(qū)域以當(dāng)?shù)亟ǜ哿泓c(diǎn)為高程基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)水位如下：

設(shè)計(jì)高水位1.69m；

設(shè)計(jì)低水位0.25m。

1.2波浪

試驗(yàn)為了模擬工程海域波浪情況，采用了不規(guī)則波及相應(yīng)特征波高下的規(guī)則波進(jìn)行，以-9.5m等深線處波要素作為最初試驗(yàn)的入射波要素，波浪頻譜采用JONSWAP譜。W向浪的波浪要素見表1。

表1　W向浪外海-9.5m等深線處波要素

1.3碼頭總平面布置

4#、5#泊位平面布置為東西走向的突堤式碼頭，突堤總長650m。其中，碼頭長450m，寬69m，碼頭面頂高程 5.50m，在碼頭兩側(cè)另設(shè)有高程為5.75m，寬0.22m的道牙，西端擋浪墻頂高程7.30m，南、北兩側(cè)停泊水域設(shè)計(jì)底高程-12.0m，北側(cè)為4#、5#泊位，長450m，碼頭南側(cè)泊位長250m，其余200m為天然地形；碼頭后方的接岸段為拋石堤結(jié)構(gòu)，長200m，路面寬19m，胸墻頂高為5.5m，在其基礎(chǔ)上另設(shè)有高程為5.75m，寬0.22m的道牙，堤身采用扭王字塊體護(hù)面。并且碼頭接岸段南側(cè)為現(xiàn)有丁壩結(jié)構(gòu)，采用5t扭工字塊護(hù)面，整體平面布置如圖1所示。

圖1　工程平面布置

2　試驗(yàn)設(shè)備

本次模型試驗(yàn)在長40m、寬30m、深1.0m的波浪水池中進(jìn)行，水池中安裝了由丹麥（DHI）引進(jìn)的可移動式不規(guī)則造波機(jī)成套設(shè)備。造波機(jī)可按要求造規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。波浪水池及造波機(jī)系統(tǒng)見圖2，圖3為可測量三個(gè)自由度的聲學(xué)多普勒流速儀。

圖2　大型試驗(yàn)水池及不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)

圖3　2D/3D聲學(xué)多普勒流速儀

3　物理模型的建立及試驗(yàn)方法

3.1物理模型

按重力相似律進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，并依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ/T234-2001）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行模擬，綜合考慮試驗(yàn)水池和建筑物結(jié)構(gòu)的尺度、模型應(yīng)包括的范圍、波浪要素與試驗(yàn)儀器測量精度等因素，并根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，確定塊體的穩(wěn)定重量等，綜合考慮確定模型的幾何比尺為λ=34。模型布置如圖4所示，圖中造波機(jī)擺放位置模擬的是W向來浪。地形塑造是根據(jù)工程總平面圖進(jìn)行的，考慮了航道及港池的開挖以及沿岸陸地的地形，地形塑造中，首先按照地形等深線布置測量控制點(diǎn)，并對各個(gè)測量控制點(diǎn)進(jìn)行高程測量。各個(gè)控制點(diǎn)的高程測量誤差不能大于±1 mm。然后鋪砂，再用水泥砂漿抹面。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，模型外圍邊界設(shè)置了消浪設(shè)施。

圖4　物理模型試驗(yàn)布置

試驗(yàn)按原型碼頭、接岸段的外形尺寸和高程按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行模擬。其模擬精度符合《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ/T234-2001）的要求。護(hù)底塊石和墊層塊石均按模型重量進(jìn)行挑選，并涂以顏色便于穩(wěn)定性試驗(yàn)的觀測。

3.2試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)分析

1）波浪要素測量

模型試驗(yàn)前，首先進(jìn)行在原始地形情況下的波浪要素率定。有效波高的偏差控制在±5%，平均周期偏差也控制在±5%之內(nèi)。造波機(jī)產(chǎn)生的波浪在波浪率定點(diǎn)滿足要求后，再對地形進(jìn)行開挖，使得航道、港池、船池水深與設(shè)計(jì)圖紙一致。

2）沉箱碼頭前底流速測量

為了驗(yàn)證沉箱碼頭前護(hù)底塊石的穩(wěn)定性，試驗(yàn)采用2D/3D Vectrino+聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀，對不同水位波浪作用下，兩側(cè)底部基床流速進(jìn)行測量，底流速測量的水深為沉箱基床上部0.6m位置處。

3）護(hù)面塊體穩(wěn)定性觀測

接岸段拋石堤斷面穩(wěn)定性的觀測試驗(yàn)采用不規(guī)則波方式進(jìn)行測定，不規(guī)則波模擬的波浪連續(xù)作用時(shí)間不少于原型 2 h。通過數(shù)據(jù)采集分析和試驗(yàn)現(xiàn)場觀測、錄像等方法進(jìn)行波浪作用下防波堤各部位穩(wěn)定性的試驗(yàn)測試。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，扭王字塊體的失穩(wěn)率是0。

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

在波浪平穩(wěn)條件下，不規(guī)則波連續(xù)采集的波浪個(gè)數(shù)大于 100個(gè)，規(guī)則波波浪采集個(gè)數(shù)至少為 10個(gè)，每組試驗(yàn)至少采集三次，取其平均值作為試驗(yàn)的結(jié)果。流速測量時(shí)，分別各工況下每個(gè)測點(diǎn)重復(fù)3次取平均值。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

通過整體模型試驗(yàn)驗(yàn)證涌浪作用下碼頭拋石堤接岸結(jié)構(gòu)護(hù)面塊體的穩(wěn)定性，并確定拋石堤護(hù)面塊體穩(wěn)定性的最優(yōu)方案；測量拋石基床頂面的底流速最大值，驗(yàn)證拋石基床護(hù)面大塊石的穩(wěn)定重量以及碼頭上水情況。

4.1接岸段拋石堤護(hù)面穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

1）初始設(shè)計(jì)方案

4#、5#泊位碼頭采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)，其與原港池東護(hù)岸及丁壩軸線之間距離為182m，該處接岸段的斷面形式為拋石斜坡堤，堤頂高程5.50m，泥面高程最深處為-9.7m，最淺為0.2m，護(hù)面坡度1：1.5。其初始平面布置如圖5所示。其中從碼頭頂端向東方向99.13m采用3t扭王字塊護(hù)面，爾后繼續(xù)向東延伸采用200～300kg護(hù)底塊石護(hù)面，直至與原護(hù)岸及丁壩相連接。

圖5　接岸段初始設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 154-1-2011）中扭王字塊體穩(wěn)定重量與設(shè)計(jì)波高的關(guān)系估算3t的扭王字塊體可以抵抗約4.3m的設(shè)計(jì)波浪，與本工程附近波況基本一致。因此接岸段拋石堤按照現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算其護(hù)面體塊應(yīng)該是穩(wěn)定的。但是該公式在應(yīng)用時(shí)有一定的局限性，即當(dāng)設(shè)計(jì)波浪平均周期大于10 s時(shí)，并且波浪入射角度與斜坡堤縱軸法線夾角大于22.5°時(shí)，塊體穩(wěn)定重量應(yīng)通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)在設(shè)計(jì)高水位1.69m時(shí)，采用50年一遇H13%=4.6m、=24 s的不規(guī)則波，對接岸段兩側(cè)的拋石堤護(hù)面塊體以及護(hù)底塊石的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，并用50年一遇H5%規(guī)則波進(jìn)行校核。接岸段北側(cè)波浪受到地形的影響在距離碼頭端部向東34～60m區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)漩渦，并且由于地形坡度較陡，且接岸段所在位置地形低于北側(cè)原始地形，因此出現(xiàn)了圖 6箭頭所示的回水現(xiàn)象。由于回水位置正好作用于北側(cè)堤根處的扭王字塊體處，因此坡底處外排塊體出現(xiàn)了隨波擺動的現(xiàn)象，并經(jīng)過相當(dāng)于原型2.5 h的波浪作用過后，回水區(qū)域內(nèi)的扭王字塊體滾落到距離碼頭頂端向東約30m處，如圖7紅色圓圈所示。未出現(xiàn)滾落的塊體也因?yàn)槿鄙傧噜弶K體的咬合作用而出現(xiàn)松動，扒縫等現(xiàn)象。除堤根處部分塊體失穩(wěn)外，堤身其他位置3t扭王字塊未出現(xiàn)塊體失穩(wěn)現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)高水位1.69m時(shí)，在50年一遇H5%= 5.3m、=24 s對應(yīng)的規(guī)則波作用下，波浪變形情況與不規(guī)則波類似，波浪淺水變形破碎沖擊作用表現(xiàn)明顯，沖擊區(qū)域?yàn)榻影抖伪眰?cè)距離碼頭端部60～132m處，堤根處出現(xiàn)少量塊體隨波向西滾落。

圖6　接岸段波浪形態(tài)（接岸段北側(cè)）

圖7　接岸段初始方案失穩(wěn)情況（接岸段北側(cè)）

接岸段南側(cè)地形較北側(cè)略平緩，且由于南側(cè)現(xiàn)有丁壩的消浪作用，在 50年一遇波浪作用下波浪沿程衰減，如圖8所示。但由于波浪淺水變形的作用，接岸段南側(cè)堤根處3t扭王字塊體在波浪的沖擊作用下外排也出現(xiàn)了部分塊體滾動。塊體失穩(wěn)區(qū)域?yàn)榫嚯x碼頭端部46～99m處，塊體失穩(wěn)狀態(tài)如圖9所示。

圖8　接岸段波浪形態(tài)（接岸段南側(cè)）

圖9　接岸段初始方案失穩(wěn)情況（接岸段南側(cè)）

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

通過對接岸段初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證，在近岸地形較陡，并且波浪周期較長的情況下，規(guī)范中設(shè)計(jì)的穩(wěn)定重量偏于危險(xiǎn)，需要適當(dāng)加大塊體重量。試驗(yàn)中分別進(jìn)行了兩次優(yōu)化測試，首先把接岸段北側(cè)從碼頭端部向東10～99m堤根位置處的原3t扭王字塊均改為5t，寬度仍為5m，由99～132m處的200～300kg塊石改為3t的扭王字塊體，寬4m。接岸段南側(cè)從碼頭端部向東46～99m堤根位置處的原3t扭王字塊改為5t，寬度保持不變，原從碼頭端部向東99～123m位置處的200～300kg護(hù)坡塊石改為3t扭王字塊體，塊體擺放寬4m。

圖10　接岸段5t修改方案失穩(wěn)情況（接岸段北側(cè)）

圖11　接岸段5t修改方案（接岸段南側(cè)）

經(jīng)過50年一遇波浪的作用，接岸段北側(cè)仍有4塊扭王字塊體失穩(wěn)，南側(cè)塊體未失穩(wěn)，如圖10、圖11所示。考慮到現(xiàn)場塊體制作模板的問題，把該修改方案中南北兩側(cè)的5t扭王字塊體均改為8t，其他位置不變。經(jīng)過測試最終8t扭王字塊體在相應(yīng)波浪作用下均穩(wěn)定。圖 12為經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化后最終修改的接岸段平面結(jié)構(gòu)型式。

圖12　接岸段最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.2拋石基床底流速測量試驗(yàn)

突堤采用的是直立式沉箱結(jié)構(gòu)，護(hù)底塊石設(shè)計(jì)重量為200～300kg，根據(jù)規(guī)范規(guī)定堤前護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量可根據(jù)表2來確定。在50年一遇波浪條件下對突堤兩側(cè)底流速進(jìn)行測量，每個(gè)測點(diǎn)位置設(shè)在距碼頭前沿線2m處、拋石基床頂部（-12.0m）向上0.6m處。底流速測量分別在碼頭南北兩側(cè)各設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，其測點(diǎn)位置如圖4中N1～N3、S1～S3所示。

表2　堤前護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量

表3　沉箱碼頭兩側(cè)拋石基床底流速

表3為各水位下碼頭前底流速大小的實(shí)測值。從碼頭前拋石基床底流速的測值可以直觀地看出，其底流速的大小隨水位而變化。設(shè)計(jì)高水位時(shí)，碼頭前實(shí)際底流速北側(cè)略大于南側(cè)，最大流速出現(xiàn)的北側(cè)N1點(diǎn)處，流速V=3.7m/s。設(shè)計(jì)低水位時(shí)，碼頭前實(shí)際底流速最大，流速V=3.82m/s。綜合分析，由于N1點(diǎn)位于碼頭西端繞射區(qū)域，波浪底流速加大。

試驗(yàn)中觀察碼頭兩側(cè)重量 200～300kg護(hù)底塊石在波浪作用下是穩(wěn)定的，實(shí)測流速在3～4m/s之間，與表2設(shè)計(jì)的150～400kg穩(wěn)定重量范圍基本一致。通過試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)波浪作用到直立堤基礎(chǔ)前未破碎時(shí)，護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量與規(guī)范中估算的一致。

5　結(jié)　語

本文利用整體物理模型試驗(yàn)探討了毛里塔尼亞友誼港4#、5#泊位建設(shè)工程碼頭整體平面布置及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，旨在研究涌浪作用下，接岸段護(hù)面塊體穩(wěn)定重量、直立堤前護(hù)底塊石穩(wěn)定重量，并提出優(yōu)化布置方案，為該工程碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論：

1）碼頭接岸段斜坡堤護(hù)面塊體全部采用3t扭王字塊體的初始設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)高水位50年一遇不規(guī)則波作用下，南北兩側(cè)堤根處出現(xiàn)部分塊體滾落現(xiàn)象。其中北側(cè)較南側(cè)破壞程度嚴(yán)重。北側(cè)涌浪受到地形坡度較陡的影響，波浪破碎后在斜坡堤前形成漩渦回流區(qū)域，塊體沖刷較為嚴(yán)重，規(guī)范計(jì)算的穩(wěn)定重量不滿足實(shí)際情況；

2）通過試驗(yàn)確定優(yōu)化的接岸段的平面布置型式，護(hù)面塊體采用8t及3t的組合方式，在各工況下接岸段結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài)；

3）涌浪作用下，當(dāng)直立堤前波浪未破碎，拋石基床護(hù)底塊石的穩(wěn)定重量可用規(guī)范中相應(yīng)估算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］夏益民.沙質(zhì)海岸波浪動床模型設(shè)計(jì)—毛里塔尼亞友誼港下游沖刷試驗(yàn)?zāi)Ｐ停跩］.海洋工程，1994，（3）：42-53.

［2］郭旬，高鴻富，顧民權(quán).毛里塔尼亞友誼港（努瓦克肖特自治港）自建設(shè)以來的泥沙淤積與海岸演變（一）［J］.港工技術(shù)，2013，50（1）：1-5.

3D Structural Stability Experiment of Wharf and Shore Approach in One China-aided Project

Lyu Yingxue，Zhang Xianbo，Huang Xuanjun
（Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

3D physical model test has been used to study the surge impact on the stability and scouring condition of the concrete armor blocks which protects the wharf and shore approach in one China-aided project.The stabilizing weight of concrete armor block is optimized as 8 tons，and the type of shore approach armor structure is finally determined.Meanwhile，the survey work has been done to obtain the velocity of flow under both sides of the wharf and the stability of bottom protective blocks.3D model test results will provide reliable data for adjusting and improving the structural design of the wharf and shore approach.

friendship port； physical model test； stability of armor block； surge

TV139.2+6

A

1004-9592（2016）04-0007-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160402

2015-11-26

呂迎雪（1984-），女，工程師，主要從事海岸水動力學(xué)模型研究。