劉志遠，佟德勝，張文忠

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222）

總結(jié)國內(nèi)外實際工程中諸多斜坡堤形式可發(fā)現(xiàn)，目前港口工程中常規(guī)斜坡式防波堤大多由堤心石、人工護面塊體和防浪胸墻構(gòu)成，而采用寬肩臺斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)的工程較少。JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》中對寬肩臺斜坡堤的定義為：肩臺尺度較寬，在波浪作用下允許肩臺和坡面產(chǎn)生一定變形并形成動態(tài)平衡剖面的塊石護面斜坡堤。在波浪作用時，其容許堤身斷面發(fā)生變形，直至外坡塊石坡面達到穩(wěn)定坡面為止，利用波浪長期沖刷作用后形成的最終動力平衡斷面來抵御波浪作用。

美國、丹麥、冰島等[1]利用當?shù)厥腺Y源建造寬肩臺式拋石防波堤，防浪效果比較理想。各類人工護面塊體在生產(chǎn)預制過程中需要投入大量人力物力，與其相比，在附近有充足石料來源的地區(qū)，寬肩臺式防波堤無需提前預制人工塊體，大大簡化了施工工序，有效降低了工程造價（根據(jù)國外的工程實踐[1]，其造價可為常規(guī)式斜坡堤的50%~70%），并縮短了施工工期。從節(jié)能、減排、低碳角度，亦具有積極的社會效益和環(huán)保效益。我國港口建設(shè)事業(yè)正在快速發(fā)展，對于石料資源較豐富地區(qū)，設(shè)計與建造寬肩臺式拋石堤將是一種經(jīng)濟、合理的選擇。

從國內(nèi)已完成的工程實例[2-7]中發(fā)現(xiàn)，不同的塊石級配和肩臺寬度是影響防波堤拋石護面穩(wěn)定性和防浪效果的主要因素，但目前國內(nèi)寬肩臺防波堤的實際工程及此類研究成果還較少，理論研究深度也不及國外。開展寬肩臺防波堤立項研究將對以后的拋石堤工程建設(shè)具有積極的指導意義。為此，近年來經(jīng)過大量的調(diào)查研究，總結(jié)吸收了近10多年來國內(nèi)寬肩臺式拋石防波堤工程的設(shè)計、科研和施工經(jīng)驗，通過理論分析，并結(jié)合水工物理模型試驗研究，歸納塊石級配、肩臺寬度隨波浪變化的規(guī)律性，尋求穩(wěn)定的寬肩臺式拋石防波堤的最終斷面結(jié)構(gòu)形式。

1 試驗研究

1.1 內(nèi)容

1） 對寬肩臺拋石防波堤結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計斷面，測定各水位及相應(yīng)波浪作用下拋石防波堤內(nèi)、外坡塊石護面的穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)試驗結(jié)果對初始斷面進行修改；

2）確定形成動力平衡斷面時外坡護面層的最小結(jié)構(gòu)尺寸及滿足穩(wěn)定性要求的肩臺寬度，給出拋石堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配，并提出合理的設(shè)計斷面；

3）觀察并測量在不同水位的波浪作用下波浪的爬高、越浪及拋石堤堤頂?shù)臎_刷狀況；

4）對試驗過程中給出的各種合理初始斷面及相應(yīng)的動力平衡斷面進行綜合性評述，提出結(jié)論性意見。

1.2 方法

1） 模型按重力相似準則及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》的有關(guān)要求進行設(shè)計。

寬肩臺式斜坡堤模型均采用自然堆放的方式，應(yīng)用工具拋填斷面，避免人工擺放，以消除人為影響。

拋石護面由不同粒徑塊石混合而成，拋石防波堤除了幾何尺度外，護面塊石的重量和級配也至關(guān)重要。穩(wěn)定試驗中，防波堤護面塊石的重量為200～2 500 kg，其級配應(yīng)按滿足（D85/D15）＜3選用。拋石防波堤試驗所采用的各種塊石均經(jīng)過人工挑選，并將不同粒徑級配的塊石涂以各種不同顏色以便觀測不同重量塊石在波浪作用下的運動狀態(tài)和規(guī)律。

2）拋石防波堤斷面模型試驗中，從極端低水位開始進行不同水位的循環(huán)試驗，水位循環(huán)變化的順序依次為：極端低水位→設(shè)計低水位→設(shè)計高水位→極端高水位→設(shè)計高水位→設(shè)計低水位→極端低水位。試驗中每一種水位至少連續(xù)作用3 000個波，或原型作用時間不少于6.0 h，應(yīng)保證坡面變形充分以確保坡面達到動力平衡，并采用網(wǎng)格量測的方法，記錄塊石護面在每個水位波浪作用后的動力平衡剖面狀態(tài)。斷面變化達到動力平衡時，采用現(xiàn)場目測和電測的方法測量波浪爬高及堤頂越浪水舌厚度。

3）試驗依據(jù)的原始波浪要素在模型安放之前進行率定。根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》的要求，波高誤差不超過±5%，周期誤差不超過±2%。拋石堤結(jié)構(gòu)斷面在各種水位下均采用不規(guī)則波進行穩(wěn)定性試驗。不規(guī)則波能模擬天然海浪，試驗結(jié)果更符合現(xiàn)場情況。不規(guī)則波以H13%及平均周期作為控制條件。

1.3 設(shè)備

試驗在大型不規(guī)則波試驗水槽中進行，水槽的長、寬、高分別為92.0 m、4.0 m、1.8 m。水槽尾部設(shè)有1∶15的拋石消波斜坡，其消浪效果良好。水槽中裝備有日本“三井造船株式會社”制造的大型不規(guī)則波造波機。該系統(tǒng)由液壓驅(qū)動裝置、控制臺及計算機構(gòu)成，可根據(jù)試驗要求產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型不規(guī)則波。

試驗波浪的量測與分析由2000型波浪試驗數(shù)據(jù)采集儀、2000型數(shù)據(jù)采集處理及分析軟件及計算機來完成。

2 工程實例研究成果

2.1 鹽田港東港區(qū)寬肩臺式斜坡堤試驗

2.1.1 試驗依據(jù)的資料

寬肩臺式斜坡堤斷面形式為：斜坡堤泥面底高程-13.5 m，-13.5～+2.0 m高程之間堤前為寬7.5 m、坡度 1∶1的 300～900 kg護面塊石，+2.0～+5.5 m高程之間護面塊石的寬度為12.5 m，堤頂高程為+6.8 m，見下文圖1。

2.1.2 主要試驗結(jié)果

寬肩臺式斜坡堤修改斷面護面塊石動力平衡剖面線與原1∶1坡面在-1.0 m處相交，最終的動力平衡剖面線可以看出，肩臺被沖刷掉7.5 m左右，沖刷坡度約為1∶2，堆積坡度近為1∶1，其最終平衡剖面線距+2.0 m高程處堤心石最小厚度約1.0 m。其最終的動力平衡斷面均滿足穩(wěn)定要求，寬肩臺式斜坡堤設(shè)計斷面的300～900 kg護面塊石級配較合理。

設(shè)計高水位+2.26 m及極端高水位+3.56 m時，在該水位波浪作用下護面沖刷后達到的動力平衡斷面均有越浪發(fā)生，其最大越浪水舌厚度分別為0.85 m、1.30 m；越浪水體對12.5 m寬肩臺后面的+5.5 m高程肩臺堤心石及堤頂60～100 kg護面塊石造成局部沖刷，但+6.8 m高程堤頂整體基本穩(wěn)定。

表1為鹽田港寬肩臺式斜坡堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配。

最終形成的動力平衡斷面見圖1。

表1 鹽田港寬肩臺拋石斜坡堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配Table 1 Thestability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubblebreakwater at Yantian Port

圖1 鹽田港寬肩臺拋石斜坡堤的最終動力平衡斷面Fig.1 The final dynamic equilibrium section of the wide-shouldered rubble breakwater at Yantian Port

2.2 營口港鲅魚圈港區(qū)北堤寬肩臺結(jié)構(gòu)拋石斜坡堤試驗

2.2.1 試驗依據(jù)的資料

寬肩臺拋石斜坡堤斷面形式為：胸墻頂高程+8.0 m，底高程-6.00 m，-6.00～+7.50 m高程之間為坡度1∶1、護面塊石重300～1 000 kg的堤前坡，寬肩臺頂+7.50 m前坡角至胸墻立面前沿寬度為9.40 m。堤心頂高程+5.0 m，寬5.0 m；路面頂高程 +5.50 m，見下文圖2。

2.2.2 主要試驗結(jié)果

寬肩臺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計斷面達到各水位下的動力平衡狀態(tài)時，堤前沖刷剖面無明顯變化，沖刷剖面線與極端高水位的動力平衡剖面線相近。

北堤寬肩臺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計斷面最終動力平衡斷面中堤前300～1 000 kg護面塊石沖刷坡度平均約為1∶1.6，堆積坡度近為1∶1.5；護面平衡剖面線與原1∶1坡面在+1.5 m處相交，堤前最終平衡剖面線距堤心石最小厚度約3.10 m，前肩臺被沖刷掉3.30 m左右，肩角處最大沖刷深度為3.30 m。不同水位及相應(yīng)波浪的循環(huán)作用下，堤前護面塊石的運動規(guī)律為：800～1 000 kg塊石受波浪沖刷后下移速度比較快，堆積區(qū)內(nèi)多為600～1 000 kg塊石。重量偏輕的300～400 kg塊石大部分都充填在大塊石的縫隙中，使沖刷后的坡面變的比較密實。北堤寬肩臺式設(shè)計斷面滿足穩(wěn)定性和使用要求，堤前300～1 000 kg護面塊石級配較合理。

表2為營口港北堤寬肩臺拋石斜坡堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配，最終形成的動力平衡斷面見圖2。

表2 營口港寬肩臺拋石斜坡堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配Table2 The stability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubble breakwater at Yingkou Port

圖2 營口港寬肩臺拋石斜坡堤的最終動力平衡斷面Fig.2 The final dynamic equilibrium section of thewide-shouldered rubble breakwater at Yingkou Port

2.3 大連北良糧食碼頭工程寬肩臺式拋石防波堤試驗

2.3.1 試驗依據(jù)的資料

寬肩臺拋石防波堤斷面形式為：堤頂高程8.5 m，堤頂寬度8.0 m，寬肩臺設(shè)在外坡5.5 m高程，肩臺寬14.0 m。肩臺上段堤面坡度為1∶2、下段為1∶1。堤頂部位下面的堤心石頂高程5.0 m，坡度為1∶1.5，肩臺下面堤心頂高程為-2.0 m，坡度亦為1∶1.5。另外護底-11.0 m，寬度15.0 m。堤頂部位塊石護面層厚為3.5 m，肩臺處塊石護面層厚度為7.5 m，見下文圖3。

2.3.2 主要試驗結(jié)果

設(shè)計斷面在設(shè)計低水位相應(yīng)的不規(guī)則波作用下，首先是+5.5 m高程的寬肩臺前坡被波浪淘刷而坍落，打落的塊石沿著堤坡面堆積，坡面變?yōu)榉碨形。隨著波浪作用時間的延續(xù)，沖刷強度減弱，到達動力平衡時，寬肩臺的寬度被沖刷掉7 m，堤坡腳處堆出7 m寬，沖刷斷面中間段坡度為1∶2.5。再在設(shè)計高水位的不規(guī)則波作用下，波浪的沖刷區(qū)段在設(shè)計高水位附近，因此，+5.5 m的寬肩臺沖刷加劇，到達動力平衡時，寬14 m的肩臺全部被沖刷掉，此時坡面變得緩且直，中間段坡度大約1∶3.5～1∶4.5。防波堤斷面在上述兩個水位下形成的綜合動力平衡斷面，在校核高水位的不規(guī)則波作用下，沖刷部位再度上移，堤頂前坡1∶2的坡面繼續(xù)被沖刷，斷面達到動力平衡時，堤頂前肩被沖刷下0.5 m左右，寬肩臺下部也繼續(xù)沖刷，但遠未沖到-2.0 m高程堤心石。

上述綜合動力平衡斷面回到設(shè)計高水位、設(shè)計低水位繼續(xù)進行相應(yīng)不規(guī)則波試驗，堤頂前坡面繼續(xù)沖刷，但沖刷強度不大。因此到達動力平衡時沖刷坡面無較大變化，此時部分塊石被波浪帶到水線以下，但也有少量塊石被波浪推到水線以上。沖刷剖面與原堤坡面交點在-1.5 m附近。表3為大連北良寬肩臺拋石防波堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配，最終形成的動力平衡斷面見圖3。

表3 大連北良寬肩臺拋石防波堤護面塊石的穩(wěn)定重量和級配Table 3 The stability weight and gradation of the berm stone in wide-shouldered rubble breakwater at Dalian Beiliang Port

圖3 大連北良寬肩臺拋石防波堤的最終動力平衡斷面Fig.3 The final dynamic equilibrium section of the wide-shouldered rubble breakwater at Dalian Beiliang Port

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與結(jié)論

現(xiàn)行港口海岸工程JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中有關(guān)寬肩臺式防波堤合理斷面形式設(shè)計標準是根據(jù)國外9座基本數(shù)據(jù)比較齊全的寬肩臺式防波堤統(tǒng)計得出的。近年來對我國新建寬肩臺式拋石防波堤進行了大量試驗研究工作（包括鹽田港、嵐山港、營口港以及上世紀90年代大連北良糧食碼頭等系列寬肩臺式拋石防波堤斷面物理模型試驗），并對有關(guān)防波堤的試驗結(jié)果進行詳細統(tǒng)計分析，豐富了國內(nèi)相關(guān)的實驗研究及工程實踐經(jīng)驗，進一步揭示了相關(guān)規(guī)律，擴充了對寬肩臺拋石堤的認識。

針對寬肩臺式防波堤，在理論分析和模型試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，經(jīng)分析、推理、歸納，形成如下幾點認識：

1）寬肩臺式防波堤合理設(shè)計斷面尺度的確定

寬肩臺式防波堤設(shè)計斷面的尺度主要包括肩臺寬度和標高、肩臺塊石護面層厚度、肩臺上、下邊坡的坡度以及堤頂高程、堤頂寬度、堤頂護面厚度等。相關(guān)試驗的數(shù)據(jù)資料見表4。

表4 寬肩臺式拋石防波堤試驗資料匯總Table 4 The test data of thewide-shouldered rubble breakwater

寬肩臺式拋石防波堤在設(shè)計高水位以上采用較寬的肩臺，肩臺太窄不能起到寬肩臺式斜坡堤的作用?！兑?guī)范》規(guī)定：肩臺寬度宜采用2.3~2.9倍設(shè)計波高值即（2.3～2.9） H13%且不小于6.0 m。根據(jù)對國內(nèi)7個斷面實例的試驗結(jié)果統(tǒng)計，符合穩(wěn)定性要求的肩臺寬度多在2.68倍設(shè)計波高值以上，最寬達到設(shè)計波高4.46倍；肩臺實際寬度多在9.0 m以上，最大寬度達到14.0 m。

對于肩臺頂高程，《規(guī)范》規(guī)定其可定在設(shè)計高水位以上1.0~3.0 m處，且盡量取高值以保證堤頂不被沖蝕。試驗研究結(jié)果證實了《規(guī)范》相關(guān)條文，各工程實例中的肩臺標高超出當?shù)卦O(shè)計高水位之上1.94~2.38 m。

寬肩臺式防波堤肩臺塊石護面層厚度如果不足，波浪作用將引起堤心石外露，堤頂受沖刷，從而可能造成整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。目前《規(guī)范》和文獻中未見肩臺護面層厚度的規(guī)定。通過試驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)：符合使用要求、合理的寬肩臺塊石護面層設(shè)計厚度大多在1.79~2.33倍設(shè)計波高值，實例中最大厚度達3.33倍設(shè)計波高值，而保證堤心石不露出的最小塊石護面層厚度約為1.08~1.89倍設(shè)計波高值。工程實例中肩臺護面層厚度為肩臺寬度的0.4~1.0倍。

肩臺上、下邊坡坡度的確定應(yīng)考慮作用波浪的大小和塊石重量等因素，并參照工程實例統(tǒng)計歸納得出?！兑?guī)范》規(guī)定：對寬肩臺防波堤的外坡，肩臺以上和以下的邊坡坡度可分別取1∶1.5~1∶3和1∶1~1∶1.5。國內(nèi)實際工程資料及有關(guān)模型試驗成果均符合《規(guī)范》相關(guān)條文的規(guī)定。上部波浪作用區(qū)的坡度設(shè)置較緩，使波浪在坡面發(fā)生變形以后對堤頂?shù)臎_刷作用較??；下部堤較陡，可方便進行陸上施工。

由于堤頂和堤內(nèi)側(cè)坡面不允許在波浪作用下發(fā)生變形，因此宜按基本不越浪確定寬肩臺式防波堤的堤頂高程。《規(guī)范》規(guī)定：堤頂高程一般不低于設(shè)計高水位以上1.0倍設(shè)計波高值，若要求不越浪，堤頂高程要繼續(xù)提高。通過實際物理模型試驗發(fā)現(xiàn)國內(nèi)已完工的寬肩臺防波堤堤頂高程為設(shè)計高水位以上1.1~1.7倍設(shè)計波高值。相關(guān)規(guī)范和文獻尚無寬肩臺防波堤堤頂寬度及堤頂厚度的規(guī)定，通過國內(nèi)寬肩臺防波堤試驗歸納得出：合理設(shè)計的堤頂寬度應(yīng)不小于1.0倍設(shè)計波高值，而堤頂護面厚度為0.5~1.0倍設(shè)計波高值。

通過試驗驗證，滿足以上設(shè)計要求的寬肩臺式防波堤才是合理的適用的。資料顯示國外寬肩臺防波堤作用波高均在4.0 m以上，而目前我國寬肩臺防波堤設(shè)計波高均在4.5 m以下。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國將建造出可承受更大波浪作用的寬肩臺式防波堤。

2）寬肩臺式防波堤外坡塊石重量與級配確定

設(shè)計寬肩臺式防波堤外坡塊石重量時，國內(nèi)外均用穩(wěn)定參數(shù)計算公式得出塊石的中值粒徑D50。其中：為塊石的相對重度；γs為塊石的重度；γ為水的重度。穩(wěn)定參數(shù)的取值范圍一般取2.4~3.5（3.5對應(yīng)塊石的最小重量）。

國內(nèi)工程實例中發(fā)現(xiàn)：Hs≈2 m時，D50為0.5 m；Hs≈4 m時，D50為0.7 m。再根據(jù)公式D50=（W50/γ）s1/3得出塊石的中值重量W50（重量分布曲線的50%值）。由此可見，塊石重量的大小取決于設(shè)計波高的大小。計算D50和W50后，需要確定塊石粒徑（m）和重量（kg）的級配。大量研究結(jié)果證實，對于寬肩臺斜坡堤，其護面塊石重量比常規(guī)式防波堤輕，可取拋填塊石穩(wěn)定重量的1/20~1/5。國內(nèi)相關(guān)工程實例的物理模型試驗結(jié)果顯示，塊石重量隨設(shè)計波高變化分布大致規(guī)律為：設(shè)計波高為2.0~3.0 m時，塊石重量為0.1~1.0 t，設(shè)計波高為4.0~4.5 m時，塊石重量為0.2~2.5 t。

為避免細顆粒堵住塊石間的空隙，使波能更好地消散，外坡塊石粒徑級配D85/D15通常取1.25~2.25（D85與D15分別為塊石粒徑分布曲線上累積率85%和15%相對應(yīng)的粒徑）?？偨Y(jié)國內(nèi)相關(guān)工程實例的試驗結(jié)果得出：D85/D15取1.25~1.70，護面塊石的最大重量與最小重量之比為Wmax/Wmin=3.0~12.5。

[1]SIGURDARSONS，VIGGOSSONG.Berm breakwaters in iceland，practical experiences[C]//Proc.intern.conf.of hydro-technical engrg.for port and harbor construction.Yokosuka:PHRI,1994.

[2] 劉子琪，王振程，曲淑媛.寬肩臺式防波堤穩(wěn)定性的試驗研究[J].海洋技術(shù)，1999，18（4）：88-102.LIU Zi-qi,WANG Zhen-cheng,QU Shu-yuan.The stableness testing study of the broad-shouldered riprap breakwater[J].Ocean Technology,1999,18(4):88-102.

[3] 謝世楞.寬肩臺斜坡式防波堤設(shè)計[J].港工技術(shù)，1996（2）：1-8.XIEShi-leng.The design of bermbreakwater[J].Port Engineering Technology,1996(2):1-8.

[4]大連北良公司糧食碼頭工程寬肩臺式拋石防波堤斷面模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，1995，1996.Cross section model test report on the wide-shouldered rubble breakwater of Dalian Beiliang Company grain wharf project[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,1995,1996.

[5] 鹽田港東港區(qū)寬肩臺式斜坡堤試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2003.Test report on the wide-shouldered breakwater at east district of Yantian Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2003.

[6]嵐山港寬肩臺式防波堤內(nèi)、外坡設(shè)計斷面物理模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2003.Design section physical model test report on theinternal and external slopes of wide-shouldered breakwater at Lanshan Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2003.

[7]營口港鲅魚圈港區(qū)A港池防波堤及護岸工程斷面物理模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2005.Cross section physical model test report on the breakwater and revetment engineering in Bayuquan dock A of Yingkou Port[R].Tianjin:CCCCTianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2005.