張慈珩，陳漢寶，耿寶磊，張 維

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

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

張慈珩，陳漢寶，耿寶磊，張 維

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

文章通過對規(guī)范公式、斷面物理模型及三維物理模型試驗結(jié)果的對比，對STEM波作用下護面塊體的穩(wěn)定性進行驗證，分析失穩(wěn)原因，提出加強穩(wěn)定性的措施。通過不同手段得到結(jié)果的對比，三維模型試驗對表現(xiàn)復雜波浪對結(jié)構(gòu)物的影響效果較好，得到的結(jié)果遠大于公式計算和斷面模型試驗結(jié)果，可以有效保證工程安全。

三維物理模型試驗；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，當來浪方向與直立式建筑物呈小于一特定角度入射時，波浪會沿直立表面形成STEM波，而不發(fā)生常規(guī)的反射［1］。STEM波在沿結(jié)構(gòu)傳播過程中波能迅速積聚，表現(xiàn)出來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)邊緣處會發(fā)生破碎，破碎波浪沖擊作用強烈，嚴重威脅結(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、引堤等越來越多的采用不同深度多種結(jié)構(gòu)分段的復合形式，如防波堤在深水采用直立復合結(jié)構(gòu)而在淺水采用斜坡式結(jié)構(gòu)，如此設(shè)計就會出現(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)會成為工程中的危險因素，尤其在兩種結(jié)構(gòu)相交處的斜坡堤段，STEM波會對護面結(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)計中，斜坡式結(jié)構(gòu)護面塊體穩(wěn)定性的判斷一般通過公式計算或波浪斷面物理模型試驗確定［4-5］，但這兩種方法均有其局限性：規(guī)范公式可以對計算波高參數(shù)進行調(diào)整，但無法反映斜向入射波浪破碎后破波水流對塊體的作用；而在斷面物理模型中，受造波限制，有可能很難復演出STEM波的波高，進而無法準確模擬該類波浪作用。因此在針對諸如防波堤堤頭［6］、轉(zhuǎn)角或結(jié)構(gòu)相接處等復雜情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的判斷時，采用三維波浪模型是十分必要的。

對于STEM波的研究之前多集中在數(shù)學模型模擬上，對其對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的研究并不多見［7-16］。本文依托煙臺西港區(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，在試驗中出現(xiàn)了STEM波對斜坡式結(jié)構(gòu)護面結(jié)構(gòu)的沖擊，為該類問題的研究提供了很好的素材，在本文中對STEM波作用下防波堤護面塊體的失穩(wěn)原因以及強化其穩(wěn)定性的優(yōu)化措施進行研究，并與常規(guī)斷面試驗和相關(guān)公式計算結(jié)果對比，論證了采用該類型模型在解決復雜波浪條件下塊體穩(wěn)定的必要性。

1 試驗工程簡介

本文依托的煙臺西港區(qū)碼頭起步工程位于煙臺以西套子灣內(nèi)，模型研究范圍位于整個規(guī)劃港區(qū)的東側(cè)，水工設(shè)施包括引堤、碼頭等。試驗研究主要針對布置方案進行波浪穩(wěn)定物理模型試驗。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)護面采用6 t扭王字塊體，護面坡度1：1.5，上部擋浪墻墻頂標高+9.5 m。

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

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

2 試驗條件及模型設(shè)計

2.1 試驗水位

設(shè)計高水位：2.46 m；極端高水位：3.56 m。

2.2 試驗波浪要素

碼頭端部三維模型和斷面模型試驗波浪條件見表1和表2。

2.3 模型設(shè)計

三維模型和斷面模型均為正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計，三維模型選用幾何比尺λ=50，時間比尺為λt=7.07；斷面模型選用幾何比尺λ=36，時間比尺λt=6。三維模型布置見圖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 斷面物理模型試驗試驗波浪條件Tab.2 Wave condition of 2D stability model

3 試驗結(jié)果

3.1 塊體穩(wěn)定重量計算

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

式中：W為單個塊體重量，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)計坡度 1：1.5）。

通過計算，計算所需塊體重量為3.7 t，而在設(shè)計中采用6 t塊體，大于計算重量，原則上應(yīng)可滿足護面穩(wěn)定的要求。

圖4 三維模型布置圖Fig.4 Layout of 3D model

3.2 斷面物理模型試驗結(jié)果

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

綜上所述，原設(shè)計塊體重量大于公式計算結(jié)果且通過斷面試驗驗證，可滿足常規(guī)條件下的穩(wěn)定性要求。

3.3 三維物理模型試驗成果

（1）原設(shè)計方案試驗成果。在設(shè)計波浪作用下，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，使該處受到了遠大于原設(shè)計波浪的直接沖擊，試驗中最大實測比波高為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。

（2）優(yōu)化方案試驗成果。根據(jù)原設(shè)計方案試驗成果，連接段原設(shè)計6 t塊體無法滿足穩(wěn)定要求，同時根據(jù)試驗觀察，原設(shè)計斷面結(jié)構(gòu)及塊體尺寸與實際需要相差較大，因此需要從不同角度對斷面結(jié)構(gòu)進行優(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行對比試驗；

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行試驗；

優(yōu)化方案三（增加潛堤丁壩）：利用當?shù)噩F(xiàn)場2個富裕沉箱，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)化方案進行了2組潛堤頂高程組合方案進行對比，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，連接段護面塊體采用12 t扭王字塊體，護面坡度為1：2。

根據(jù)優(yōu)化方案試驗結(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扭王字塊均無法保持穩(wěn)定，由此可見單純采用加大塊體尺寸的方法進行優(yōu)化，效率較低。在優(yōu)化方案二中護岸坡度改為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

通過對本文中物理模型試驗的研究，并結(jié)合規(guī)范公式計算結(jié)果對比，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)形式復合的工程布置形式越來越多，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)為兩個方面，一是波能聚集形成了遠超設(shè)計條件的波浪對結(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)從不同方面對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化：首先應(yīng)對STEM波的出現(xiàn)概率及可能的波高大小進行預測，此為進行塊體防護的先決條件；針對塊體穩(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，還可通過沿直立結(jié)構(gòu)修建潛堤丁壩或采用開孔沉箱等方法，防止波能積聚或促使其提前破碎，以減輕STEM波對結(jié)構(gòu)的作用。

（4）波浪傳播及對建筑物的作用是一個十分復雜的過程，采用常規(guī)的斷面模型及公式計算，對常規(guī)情況可以得到比較可信的結(jié)果，但對本文中出現(xiàn)的復雜波浪情況，這兩種方法得到的結(jié)果無法保證工程的安全，且與采用三維模型試驗的結(jié)果存在較大的差別，因此在堤頭或結(jié)構(gòu)布置較為復雜的條件下，宜用三維穩(wěn)定模型來判斷工程結(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)學及物理模型試驗工作。