宽肩台防波堤稳定性三维物理模型试验研究

邓夕贵，朱颖涛，谢守鹏，王培志，刘鸣洋，栾英妮，陈汉宝

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京100027；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；3.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

港口工程中防波堤大多采用由堤心石、垫层和人工护面块体(有的包括防浪胸墙)组成的斜坡堤，而宽肩台斜坡堤在工程实例中出现较少[1-2]。根据《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)，宽肩台斜坡堤为肩台尺度较宽，在波浪作用下允许肩台和坡面产生一定变形并形成动态平衡剖面的块石护面斜坡堤。宽肩台斜坡堤可以采用更轻的护面块石重量，适用于现场附近有充足石料来源的地区。对宽肩台斜坡堤稳定性的研究大多为断面物理模型试验[2-6]，不能反映斜向浪作用下块石沿堤轴向形态的变化规律。因此，针对斜向浪作用下宽肩台斜坡堤稳定性开展三维(整体)模型试验，能够提升对该防波堤韧性的认识水平，进而为其设计提供更可靠的科学依据。

1 概述

在诸多研究者中，谢世楞[1]对宽肩台式斜坡堤的特点和设计中的主要问题，诸如堤身断面尺度、外坡块石重量和允许越浪时内坡块石重量的确定、动态平衡坡面形状、堤头形式以及质量控制要点等进行了全面的论述。宽肩台式斜坡堤外坡允许变形，且护面块石重量较轻，可以充分利用当地石料，施工简便且造价低。刘志远等[2]通过开展断面物理模型试验研究，详细归纳了块石级配、肩台宽度随波浪变化的规律性，其断面模型试验还观察了不同水位波浪作用下波浪爬高、越浪及堤顶冲刷情况，并对初始断面和动态平衡断面进行了综合性评述。刘子琪等[3]通过对大连北良粮食中转港之宽肩台防波堤稳定性进行断面模型试验，阐述了宽肩台式防波堤在不规则波及规则波作用下冲刷剖面的演变过程及其在设计条件下最终形成的动态平衡断面，且对宽肩台式防波堤稳定性的试验方法、试验程序等进行了探讨。郑子龙等[4]对青岛造船厂宽肩台式防波堤在不规则波作用下的变形进行了断面试验研究，描述了最终动态平衡断面的形成过程，并对设计方案进行了优化，发现护面层越厚对块石的稳定性越有利。李珊等[5]采用了断面物理模型试验对不同护面重量、不同级配的宽肩台堆石防波堤进行了稳定性试验，并用3种方法对断面破坏结果进行描述。通过试验结果发现，护面块石形状(粗糙度)和级配明显影响护面破坏程度，护面层数越厚则护面越稳定。陈谦等[6]将人工护面块体斜坡堤与宽肩台斜坡堤进行了对比分析，得出两种不同结构形式在掩护效果、护面稳定性、石料用量、工程造价等方面的不同特点和差异性。周雅等[7]通过具体工程波浪断面物理模型试验，研究了不同波要素和断面尺度对斜坡堤越浪量的影响，比较了随机、规则两种扭王字块体摆放型式的消浪效果，发现相对肩台及平台宽度越大，越浪量越小，表明更大的肩台宽度对波浪传递有衰减作用。戈龙仔等[8]对L型挡浪墙和反弧形挡浪墙、不同的挡浪墙顶高程和斜坡坡度，以及增加挡浪墙前护面块体数量即肩台宽度等措施进行了对比研究，发现反弧形挡浪墙容易倾覆失稳，增加挡浪墙前肩台宽度可以减少越浪并增强挡浪墙的稳定性。此外，诸多研究者[9-12]针对抛石堤的稳定性、透射特征以及施工情况进行了深入研究，对抛石斜坡堤的性能和稳定性得到了规律性的认识；另有研究者[13-15]对大型港区的波浪传播特征进行了试验研究和机理分析；而关于描述结构物三维轮廓的方法，已有研究者[16]利用三维激光扫描技术检测港口筒仓内壁磨损，可以作为本研究描述宽肩台抛石堤三维形态变化的手段。

以上关于防波堤稳定性的研究成果全部采用断面物理模型试验作为研究手段。实际上，宽肩台防波堤动态平衡断面的形成不仅和断面内的物质运动输移有关，还受沿防波堤轴向的物质输移影响。尤其在斜向浪作用下，沿堤物质输移现象非常明显，而该现象是无法通过断面模型试验来反映和描述的。因此，本文通过开展三维(整体)物理模型试验，对斜向浪作用下宽肩台式斜坡堤的护面和护底形态变化过程进行观察，对比浪向的不同对防波堤最终动态平衡形态的影响，观察护面和护底最终稳定形状沿堤轴向的分布规律。

2 试验方法

2.1 波浪模拟

根据《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)[17]，宽肩台式防波堤的断面稳定性试验应采用不规则波进行，因此本研究的整体稳定性物理模型试验采用不规则波进行。不规则波采用频谱模拟，频谱采用《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)[18]中的JONSWAP谱。其解析式为

(1)

(2)

(3)

(4)

波浪模拟按照先从低到高、再从高到低的水位循环，模拟一次风暴潮的持续过程。模型试验开始前，每个方向、每个水位先用小波连续作用一段时间，再正式试验。根据《波浪模型试验规程》规定，每个试验水位的波浪作用时间以形成动态稳定形态为准，且不小于2 h(原体值)。

2.2 防波堤稳定性判定

完成从低水位到高水位、再从高水位到低水位的往复试验后，对防波堤的最终动态稳定情况进行记录。每个试验水位造波结束后对防波堤的形态进行照相和观察，并采用三维激光扫描仪等进行扫描和记录，并与前一试验水位动态稳定形态进行对比分析。根据《波浪模型试验规程》，对于各级肩台处的棱体块石，参考宽肩台式斜坡堤失稳条件进行判定，即堤心石外露时判定为失稳。而对于某些工程实例，堤顶区域的堤心石上可能仅有1～2层护面块石，堤顶更容易受波浪影响而失稳，故本文对防波堤结构中堤顶区域1～2层护面块石部分，按普通斜坡堤护面块石失稳率标准进行失稳判定。具体定义为：当1～2层护面块石失稳率超过2%时判定为失稳，处于1%～2%时判定为临界稳定，小于1%时判定为稳定。

3 模型试验设计

3.1 模型实例

模型试验以福建省某一级渔港东防波堤工程[19]为研究对象。该防波堤为宽肩台斜坡堤，总长1 550 m，由北段(AB)和南段(BC)组成，如图1所示。主要波浪方向如图2所示。BC段防波堤外坡肩台宽18 m、高程为5.0 m，肩台以上坡度为1:2，肩台以下坡度为1:1.5，堤顶高程10.0 m，堤顶宽度为8.0 m，内坡坡度为1:1.5；外坡设有二级压载平台，平台宽20 m、高程为1.0 m，内、外坡及肩台抛填0.8～2.5 t块石。整个东防波堤堤心抛填石料重量5～300 kg，BC段外坡坡脚设有35～45 m宽的150～300 kg抛石护底。除堤身外，南堤头的4.5～5.0 m肩台部分至1.0 m肩台坡脚部分以及堤顶区域，表层为1～2层2.0～2.5 t块石，护底块石为0.5～2.0 t块石，护底表面为1～2层1.0～1.5 t块石。BC段南堤头和堤身断面结构如图3所示。

图1 防波堤平面布置

3-a 堤头断面

3.2 试验设施和模型制作

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院综合试验厅中完成。模型按重力相似准则设计，采用正态、定床模型。试验场地为42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(图2)，采用几何比尺λ=40。模型中各种块石按重力比尺挑选，粒径级配符合《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)[20]中对于宽肩台斜坡堤的规定，同时满足《波浪模型试验规程》的要求。造波采用总长40 m可移动推板式不规则波造波机及其控制系统。防波堤形态变化，除进行肉眼观察和直接测量外，亦采用三维激光扫描仪获得被扫测物体表面前后形状变化。其原理是利用激光测距，记录被测物体表面大量点的三维坐标、反射率和纹理等信息。

3.3 试验水位和波浪要素

结合本工程水文信息，以1985国家高程为基准，试验水位如下：极端高水位(100 a)为4.65 m，设计高水位为3.15 m，补充水位为0.00 m，设计低水位为-2.76 m，极端低水位(100 a)为-3.79 m。

拟建渔港工程N-S向朝向开敞大海，主要受到6个方向外海波浪的影响，其中SE-ESE向为台风浪方向。SE向为控制浪向，100 a一遇极端高水位叠加重现期100 a波浪，计算点D处H1%为6.76 m，H13%为5.01 m，H5%为5.77 m。除SE向外，ESE向、E向、S向、SSE向波浪作用亦进行了研究。波浪要素计算点D如图2所示，计算点D波浪要素如表1所示。

4 试验结果与分析

4.1 防波堤堤头稳定性

从控制浪向SE向开始，先后进行SE向、ESE向、S向、SSE和E向浪试验；每个浪向均进行从低水位到高水位、再从高水位到低水位的循环往复试验；每个水位的波浪作用持续时间均使得该水位下堤头形状轮廓不再变化，再进行下一水位的造波。每个浪向试验结束后，对宽肩台防波堤南堤头的最终动态稳定形态进行记录和分析。

南堤头试验前和各个方向波浪作用后的形态如图4所示。宽肩台部分的稳定性判定以堤心石是否外露为标准。由于堤头的堤顶至第一层肩台之间区域为1～2层2.0～2.5 t块石，其下部即堤心石，0.5～2.0 t护底块石表面为1～2层1.0～1.5 t块石，且考虑到堤头的重要性，故上述区域的稳定性判定以2.2节所述普通斜坡堤护面块石失稳率定义为标准。

4-a 试验前 4-b SE向浪作用后 4-c ESE向浪作用后

根据试验现象观察，SE向浪作用下，经历一个循环往复试验后，堤顶至海侧5.0 m肩台之间1～2层2.0～2.5 t护面块石失稳率介于1%～2%，为临界稳定；护底表层1.0～1.5 t块石失稳率介于1%～2%，为临界稳定；两个肩台中仅在4.5～5.0 m肩台部分有局部被冲刷滚动露出的0.8～2.5 t护面块石，未露出堤心石，为稳定。经过一组试验水位循环往复试验后，堤头形状轮廓未见明显变化，无形成“S”形动态稳定剖面的趋势。ESE向浪作用下，由于波高相较SE向有所减小，4.5～5.0 m肩台上表层2.0～2.5 t块石滚动现象减弱；堤顶至4.5～5.0 m肩台之间的1～2层护面块石失稳率小于1%，为稳定；护底表层1.0～1.5 t块石失稳率小于1%，为稳定。S向、SSE向和E向浪作用下，波高比SE向和ESE向浪明显更小，作用在块石上的波能减小，故堤顶、肩台、护底三个区域的形态相较前一浪向试验后形态几乎未发生可见的变化。

试验中观察到堤顶和肩台部分的块石变化集中在极端高水位和设计高水位，而护底的变化主要集中在设计低水位和极端低水位。另外，堤顶区域的1～2层2.0～2.5 t护面块石，由于其厚度很小，其下即堤心石，故波能在堤顶区域的衰减程度明显小于在透水性更好的宽肩台区域。因此，在宽肩台区域的块石不再发生滚动的工况中，堤顶区域的1～2层2.0～2.5 t块石总能发生个别滚动移位。

4.2 防波堤堤身稳定性

从控制浪向SE向开始，先后进行SE向、ESE向、S向、SSE向和E向浪试验；每个浪向均进行从低水位到高水位、再从高水位到低水位的循环往复试验；每个水位的波浪作用持续时间均使得该水位下堤头形状轮廓不再变化，再进行下一水位的造波。每个浪向试验结束后，对宽肩台防波堤南堤头的最终动态稳定形态进行记录和分析。试验中观察到东防波堤堤身并无越浪现象，波浪由南侧口门传入港内后迅速消散，因此对宽肩台防波堤海侧堤身的最终动态稳定形态进行记录和分析。海侧堤身经历SE向、ESE向和E向波浪作用后的形态如图5-a～图5-c所示。选取肉眼观察下堤身变化最明显的位置(图中虚线所示)，对形态三维扫测结果进行断面截取，如图5-d～图5-f所示。

5-a SE向浪作用后 5-b ESE向浪作用后 5-c E向浪作用后

根据试验现象观察，SE向100 a一遇浪作用下，经历一个循环往复试验后(如图5-a和图5-d所示)，海侧150～300 kg护底块石部分向北沿堤冲刷推移，部分被波浪携带冲刷到堤身护面块石上；5.0 m和1.0 m肩台的0.8～2.5 t块石部分被冲刷至此的护底块石覆盖，肩台对应高程的堤心石未露出；堤顶至5.0 m肩台之间1～2层0.8～2.5 t护面块石个别滚动移位，其失稳率小于1%，为稳定。ESE向浪作用下，150～300 kg护底块石继续被波浪携带冲刷至肩台上，堤顶区域护面块石以及肩台块石仍然稳定(如图5-b和图5-e所示)。E向浪作用下，由于波浪方向几乎垂直于防波堤BC段轴线，护底块石被波浪携带向北沿堤输移现象几乎不存在，而是主要自东向西被冲刷至肩台上(如图5-c和图5-f所示)。

根据试验现象和激光扫测轮廓形状，海侧的轮廓变得高于波浪作用前，稳定轮廓曲面并非通常断面试验所观察到的“S”形，且除了护底外侧区域其他地方并无凹陷。这是因为在设计低水位(-2.76 m)和极端低水位(-3.79 m)时，波浪作用于高程为-2.0 m的150～300 kg护底块石，导致其被持续推向肩台方向，又在高水位(3.15 m和4.65 m)时继续携带并沉积至肩台上，最后在肩台位置形成了凸起(见图5-d～图5-f)。除了断面内发生向肩台上的物质输移外，沿堤方向(纵向)也同样发生了护底块石的输移现象，这是因为斜向浪对堤身不仅有横向作用，亦存在纵向作用。波浪方向与防波堤轴向越接近，则这种输移越明显；反之则是断面内的输移越明显。

试验中观察到的堤身轮廓的凸起或凹陷变化，基本来自护底块石的输移，而每个浪向下肩台块石在经历足够长时间的波列作用后，并未观察到其沿堤轴线方向或在断面内有明显位移现象，而主要呈现的是原位置翻滚现象。针对此现象，对块石的稳定重量进行分析和讨论。根据《防波堤与护岸设计规范》，宽肩台斜坡堤在设计中其护面块石的稳定重量为一般斜坡堤抛填块石稳定重量的1/20～1/5。一般斜坡堤护面块石稳定重量计算公式如下

(5)

式中：W为单个块石的重量，t；γb为块石材料重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；H为设计波高，m，在这里取H5%；KD为块石稳定系数，对于抛填2层取4.0；α为斜坡与水平面夹角，(°)。

表2 护面块石稳定重量

计算结果表明，100 a波浪条件下，宽肩台防波堤的肩台护面块石重量取0.8～2.5 t或2.0～2.5 t，重量合理。但从试验现象分析，防波堤护面块石的稳定重量不仅与块石本身重量有关，还与护面层厚度有关。护面层越厚，其相应的透水性能就越好，波浪作用于防波堤时，波能的损失亦越大，从而有利于护面块石的稳定。这也是试验中观察到在极端高水位和设计高水位时，堤顶至5.0 m肩台之间1～2层2.0～2.5 t护面块石总会发生个别滚动移位的原因，即若按一般斜坡堤护面块石稳定重量计算，仅1～2层的2.0～2.5 t块石是不满足要求的。

基于此现象，针对堤头结构降低堤心石高程以增大堤顶区域护面块石厚度，再次观察波浪作用后堤顶块石的稳定性。修改后的堤头结构断面如图6所示，其中堤心石顶高程降至4.5～5.0 m肩台高程。主浪向SE向浪，所有试验水位循环往复进行波浪作用后，堤顶块石的形态如图7所示。由图7可以看出，堤顶护面块石加厚后其稳定性明显增强，几乎未见任何原位置滚动现象。因此，在维持堤顶高程不变的前提下，通过降低堤心石顶高程增大堤顶区域护面块石厚度，可增强防波堤的稳定性。

图6 增厚堤顶护面块石的堤头断面(尺寸：mm，高程：m)

图7 增厚堤顶护面块石后的堤头形态变化

从南堤头起始，沿防波堤BC段向北依次布置若干观察点(图8)，依次对堤身海侧的150～300 kg护底块石损失量进行测量，其中1～4号点观察堤头区域，19号点观察B点区域。结果如表3所示。由表3可以看出，防波堤海侧护底块石在6～9号点处其宽度损失达到最大，超过了44 m，但其仍保持了护底功能，护面未出现下滑。另外，堤身护底宽度损失程度并不一致，呈现出沿堤轴线方向由南向北先增大后减小的特征。出现此形态特征的原因，一方面是护底宽度损失最大处其护底块石沿堤轴向迁移后，没有物质补充；另一方面是BC段北侧其护底块石除了沿堤轴向输移损失外，还有来自BC段南侧损失的护底块石被波浪冲刷携带至此补充。因此，当护底块石运移达到平衡形态时，其宽度损失最终形成了由南向北先增大后减小的特征。

图8 护底块石变化观察点

表3 护底高程和宽度变化

5 结论

本文针对宽肩台防波堤稳定性，开展了三维物理模型试验研究。研究了不同方向波浪作用下，防波堤堤身动态平衡形态的形成规律。试验结果表明：

(1)斜向浪作用下，宽肩台防波堤的护底块石除了发生断面内的物质输移外，沿防波堤轴向也存在明显的物质输移。波浪方向从与防波堤呈约45°夹角至近乎垂直于防波堤轴向，护底块石沿轴向输移程度减弱，在断面内向肩台推移的现象增强。

(2)设计低水位和极端低水位下，护底块石的冲刷变形更加明显；设计高水位和极端高水位下，堤顶区域护面块石和肩台块石形态分别发生个别位移及原位置滚动，且并未出现“S”形剖面，而是局部被推移至此的护底块石覆盖。

(3)宽肩台斜坡堤的肩台块石稳定重量远小于一般斜坡堤1～2层护面块石稳定重量，这是因为更厚的肩台块石使波能损失更大，故堤顶部分的护面块石厚度在设计时可适当增大。

(4)斜向浪作用下，堤身护底冲刷损失程度并不一致，其宽度减小量呈现出沿堤轴线方向先增大后减小的特征。