中长周期波作用下斜坡堤稳定性与堤后次生波试验研究

黄 河，高 峰，江 义，樊 栩，彭 程，徐亚男

(1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑物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.天津大学 建筑工程学院，天津 300392；4.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

在我国“一带一路”倡议下，随着海上丝绸之路[1-2]沿线港口工程的不断发展与延伸，港口工程海外市场逐年扩大，项目所在地的海域条件各不相同，其面临的水动力环境也越来越复杂。在多个码头工程的防波堤建设过程中，经常遇到周期长、波能大的恶劣建港条件[3]，尤其是面对北印度洋、孟加拉湾等具有季节性风浪特征的中长周期波海况条件时[4-7]，码头与防波堤前的波浪影响作用更加显著，而防波堤的稳定性直接影响其后方掩护区内码头、人员及设备的安全和船舶的泊稳条件。因此，依托工程实例开展中长周期波浪作用下防波堤设计方案的优化研究对于推进项目设计、施工与安全运营，乃至工程建成后的经济效益均具有重要的实际意义。

相对于国内沿海港口所在海域一般为波周期小于10 s的短波环境，更多的海外工程所面临中长周期波浪的挑战，其中波周期大于 10 s 且小于 30 s 时界定为中长周期波，周期大于 30 s 则为长周期波[1]。中长周期波具有波高小、波长及波速大的典型特点，具有较强的穿透力，在这种海况下施工是困难的，有效施工窗口期较短[8-10]。在港口防波堤工程中，中长周期波作用下堤身稳定不仅影响到结构安全，同时也关系到工程的风险控制。由于中长周期波具有较强的透浪特性，因此其堤后次生波对于掩护水域的码头布置影响显著，直接关系到设计标准和投资规模。以位于孟加拉湾的缅甸沿海为例，其外海海浪受到北印度洋涌浪影响显著，波型为以涌浪为主的混合浪，8 s以上的周期所占频率57.4%，10 s以上平均周期所占频率为42%，12 s以上周期所占频率为15%，波况较为复杂。本文即依托缅甸某电厂码头工程，在前期波浪分析的基础上，进一步根据波浪物理模型试验对设计方案进行测试，验证其在中长周期波作用下防波堤的稳定性，并对其结构布置进行对比优化研究。

1 工程概况

拟建工程码头位于缅甸伊洛瓦底三角洲的西北部，孟加拉湾东北海岸。该工程设LNG泊位1个，配套建设防波堤、引桥和引堤等。由于工程所在海岸直接面临孟加拉湾，海域开阔有利于波浪的成长和传播，孟加拉湾常年受季风及强台风的影响显著，每年4月～11月期间又是台风活跃期。虽然台风直接登陆工程附近海域的次数较少，但热带风暴及雷暴天气对工程海域波浪影响显著。受季风及台风的联合影响该海域风浪及涌浪共存，且高密度分区域位于涌浪区，经过分析该海域风浪占比32.4%，涌浪占比67.4%，呈现出以涌浪为主的混合浪特征。前期数模计算结果表明，工程外海重现期100 a波浪对应最大有效周期接近18 s。针对该海域波浪周期长、波能大的特点，通过波浪断面物理模型试验，测定波浪对防波堤设计方案结构布置的影响、验证防波堤结构各部位(护面块体和块石、护底等)的稳定性是十分必要的，同时考虑堤后次生波传播特性也将对堤防结构的方案设计与堤后港内水域的泊稳条件提供依据。

1.1 试验波浪要素

工程海域附近岸线整体呈现NNE-SSW方向走向，海底坡度较陡，近海海底水深变化较快，至工程附近岬湾岸线逐渐呈现出N-S方向走向，海底地形变化对近岸波浪传播影响较大。根据海域数学模型计算结果，外海各影响波向中以WSW向最强，且深水 WSW 向浪传播至工程附近时，波向也受地形影响转为近似 W 向，与防波堤轴线走向呈垂直入射。由数学模型提取本次试验波浪要素，其波周期均在10 s以上(表1)。

表1 模型试验波浪要素表 Tab.1 Model test wave elements

1.2 堤身结构方案

堤身结构包含设计方案与优化对比方案，剖面结构如图1所示。

1-a 设计方案

1-b 优化方案图1 堤身方案断面图(单位：mm，高程：m)Fig.1 Breakwater section

(1)设计方案：底高程-20.5 m，顶高程+8 m，堤心为1～500 kg块石，斜坡坡度为1:1.75。迎浪侧：-16.5～+8 m范围内均为30 t扭王字块，护面垫层为厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。背浪侧：-2～+8 m范围内均为30 t扭王字块护面，护面垫层为厚度2 000 mm的1 550～3 100 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。-19.5～ -2 m范围内为厚度2 600 mm的1 550～3 100 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。

(2)优化对比方案：为进一步验证设计富余度，在设计方案基础上将斜坡坡度改为1:1.5，迎浪侧-16.5～ +8 m范围内扭王字块增至36 t，护面垫层为厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。背浪侧：-4～+8 m范围内均为36 t扭王字块护面，护面垫层为厚度2 000 mm的1 800～3 600 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。-19～-4 m范围内为厚度3 000 mm的1 550～3 100 kg块石和1 000 mm的100～200 kg块石。

2 模型试验

2.1 模型简介

图2 风浪流试验水槽与防波堤模型实景Fig.2 Wind wave flow test flume and model real scene

遵循试验规程，并根据试验室已有人工块体模型，选定几何比尺为1:39，即水深比尺、波高比尺、波长比尺均为39，周期比尺为6.25。模型中各种块石和人工块体按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。断面中所涉及到的人工块体均根据《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)中常用护面块体形状尺寸制作，人工块体采用原子灰加铁粉配制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求。

对于不规则波，采用JONSWAP频谱模拟，其解析式为

(1)

斜坡式防波堤护面的破坏程度主要根据发生位移的块石数量进行统计，1984年的护岸手册中规定了防波堤损坏程度的衡量标准是波浪作用区域的移动块石数量占这个区域的百分比，也称作失稳率nd，其波浪作用区域是指静水面上下一个波高的范围，表达式如下

nd(%)= (发生位移块体数量/作用区域块体总数)×100%

(2)

这个评价标准建立在目测观察法上，需要记录块石移动的数量，波浪作用区域块石数量和结构物的设计有关。 如今，可以借助信息化图形扫描技术，实现视觉测量轮廓的方法来自动化识别失稳情况，但由于在水、气交界面上很难进行处理解析，依然存在限制应用的条件，例如需要在水槽全干或者充满水的情况下使用。反而，一些纯机械方法测量能够比较容易地在水面上下进行测量，但是得到的结果少且精度低。

2.2 试验结果分析

2.2.1 设计方案试验

(1)稳定性。

对于后期二铵的价格走势，郑冰表示，二铵后市的价格还是要看成本是否会出现大的波动。目前来看，经销商普遍都比较担心高价买入后，到了后期又出现大幅度跌落现象。后期二铵价格或将仍有一定的上升空间，但是目前价格已经涨到一个相对尴尬的高点，未来价格的不确定性还很多，如果说涨价带来了机遇，相对应的风险也还是很大。但相比较而言，如果前期有提前备肥的经销商，可操作的利润空间还是相对可观的。

极端低水位不规则波波浪连续作用6 h后，堤身迎浪面底部30 t扭王字块发生晃动，前护底块石保持稳定。堤顶发生少量越浪，波浪着浪点在防波堤内坡戗台附近，但无块石位移。100 a重现期不规则波作用下，底部30 t扭王字块发生晃动，但未发生位移，前护底块石仍保持稳定。越堤水体冲击内坡戗台，导致1 550～3 100 kg块石发生少量位移(失稳率1.1%)，但护面形状未发生变形，未丧失护面功能；缩减波周期后(T=10.00 s)，越浪着浪点冲击的波内坡戗台附近无块石发生位移，断面整体保持稳定。

设计低水位50 a重现期不规则波作用时，堤身迎浪面底部个别30 t扭王字块发生晃动，但未发生位移，前护底块石保持稳定。越堤水体冲击内坡戗台，导致1 550～3 100 kg块石发生少量位移(失稳率2.07%)，但护面形状未发生变形，且未丧失护面功能。100 a重现期不规则波时，迎浪面底部个别30 t扭王字块发生晃动，但未发生位移，前护底块石保持稳定。越堤水体冲击内坡戗台，导致1 550～3 100 kg块石发生位移(失稳率2.80%)，但护面形状未发生变形，未丧失护面功能。缩减波周期后(T=10.00 s)内坡戗台附近无块石位移，断面整体稳定。

设计高水位50 a重现期不规则波作用时，堤身迎浪面戗台附近个别30 t扭王字块发生晃动，但未发生位移，越堤水体冲击内坡戗台导致着浪点附近1 550～3 100 kg块石发生位移(失稳率1.59%)，但护面形状仍未发生变形，且未丧失护面功能。100 a重现期不规则波时，试验现象如图3-a所示，戗台附近30 t扭王字块发生晃动，越堤水体导致内坡的1 550～3 100 kg块石发生位移(失稳率1.95%)，但护面形状未发生变形，且未丧失功能。缩减周期后(T=10.00 s)，断面整体保持稳定。

3-a 堤顶越浪现象3-b 堤后次生波传播沿程衰减图3 设计方案重现期100 a波峰作用场景与堤后次生波沿程变化趋势Fig.3 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the design scheme

极端高水位50 a重现期不规则波时，堤身迎浪面戗台附近30 t扭王字块发生晃动，但未发生位移，越堤水体冲击内坡戗台导致1 550～3 100 kg块石发生位移(失稳率1.96%)，但护面形状未发生变形，且未丧失功能。100 a重现期不规则波作用下，越堤水体冲击内坡戗台导致1 550～3 100 kg块石发生位移(失稳率3.03%)，护面形状未发生变形，且未丧失功能。缩减周期后(T=10.00 s)断面整体保持稳定。

(2) 堤后次生波。

当波浪均越过堤顶至堤后发生破碎，破碎后形成新的波列继续向后传播，堤后次生波强度与入射波相比则明显减小[11-13]。根据堤后布置波高传感器测试结果，堤后次生波沿程衰减，以重现期100 a波浪为例，不同工况下堤后次生波波高沿程传播变化趋势如图3-b所示，包含了两种波周期(15.12 s和10 s)的对比。波浪周期对堤后次生波影响显著，沿程各测点中波周期T=15.12 s所对应次生波波高比T=10 s时更大，其平均增大约37%。同时，随着试验水位的升高，堤后次生波逐步增强，而随着越堤后传播距离增加，沿程变化均呈现逐步递减减弱的趋势。

另外，由于波浪在越堤后经历一次破碎后形成新的波列，因此堤后次生波的波周期也发生相应变化，但与入射波周期相比，整体变化幅度有限，堤后次生波周期有随着越浪量增大而减小的趋势，但总体变化幅度有限。

2.2.2 方案优化对比试验

针对设计方案试验情况，为进一步提升安全性和验证设计富余度，针对原设计方案堤身进行结构优化对比测试。主要优化措施包含：将斜坡坡度改为1:1.5，护面块体增至36 t，护面垫层的1 550～3 100 kg块石增至1 800～3 600 kg以及块石厚度增至3 000 mm，并将范围调整为-19～-4 m，且戗台高程由-2.0 m改为-4.0 m。试验结果表明，各工况条件下断面越浪现象依旧存在，但断面各部位经过优化加强后均可保持稳定，护面块体、护底块石位移以及越浪后内坡戗台处块石的晃动或少量位移现象均有明显改善，失稳率可达到0%。

根据堤后布置波高传感器测试结果，随着试验水位的升高，堤后次生波逐步增强，且随着越堤后传播距离增加，沿程变化也均呈现逐步递减减弱的趋势。同时，波周期对堤后次生波影响显著。以重现期100 a为例，设计高水位重现期100 a波峰作用场景与堤后次生波沿程变化趋势如图4所示。

4-a 堤顶越浪现象4-b 堤后次生波传播沿程衰减图4 优化对比方案重现期100 a波峰作用场景与堤后次生波沿程变化趋势Fig.4 Scenes of wave crest action with return period of 100 years and the variation trend of secondary waves behind the breakwater along the passage of the optimized comparison scheme

此时，对应波周期长短影响堤后次生波大小，优化对比方案中沿程各点T=15.12 s波周期所对应波高约比T=10 s时仍然要大，只是平均增大幅值降至26%，但也同样表现为高水位时差异略小，而在低水位时差异会显著增大。整体而言，优化对比方案堤后次生波有所增大，表明在堤顶高程不变的情况下，坡度增大后波浪更易爬高越浪，这在10 s波周期时表现得更为显著。同时，越堤后衰减速率有明显差异，设计方案的堤后次生波沿程衰减相对更快一些。上述结果反映出，中长周期波对于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波传播衰减速率也均有不同程度的影响。

3 结论

(1)两个方案越浪的着浪点位置均在防波堤内坡戗台附近，设计方案时在设计低水位重现期100 a时越浪对内坡戗台冲击最大，其附近块石发生位移失稳率最高。优化方案中由于戗台顶淹没水深增加，越堤水体冲击减弱从而得到改善。

(2)相对设计方案，优化方案中堤顶越浪增大，越浪产生的堤后次生波最大值出现在极端高水位重现期100 a波浪作用下。相同工况下，缩短波周期(T=10 s)试验堤顶越浪量有所减小，堤后次生波随之减小。

(3)随着越堤后传播距离的增加，次生波沿程变化呈现逐步递减趋势，沿程各测点中T=15.12 s波周期所对应波高值均比T=10 s时更大，在低水位时这种现象更为明显。同时，中长周期波对于斜坡堤不同坡度的爬高越浪能力以及越堤后次生波传播衰减速率也均有不同程度的影响。

(4)需要注意的是，结合堤后次生波传播趋势，后方码头距离防波堤轴线的距离建议尽可能避免受到越堤水体的直接影响，此时更应重视台风大浪期等极端波况后的现场观测和码头附属设施的防护。