陈德旺, 刘海源

(1.中交海洋建设开发有限公司，天津 300451；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

宽肩台式抛石防波堤是一种在波浪长期作用下，允许外坡变形，并利用最终形成的动力平衡断面来防浪的结构。《防波堤与护岸设计规范》(JTS 154-2018)中对宽肩台斜坡堤的定义为：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。由于允许外坡变形，其动态稳定的条件比常规斜坡堤护面块石的静态稳定条件低得多，因而所需的护面块石重量亦较轻，同时其施工较简便，对于石料来源丰富的区域还可以充分利用采石场的石料，使得其经济性较好。宽肩台斜坡堤自1983年冰岛建成第一个以来[1]，世界各地建成或在建的就有几十座。我国于1996年在大连北良粮食中转港建成了第一座宽肩台式防波堤[2]，从建设的经济性和使用效果来看取得了良好的效果。但自此以后，宽肩台式防波堤在我国的港口海岸工程中建设的较少，开展的研究工作亦较少，对于其稳定性的研究主要通过波浪断面物理模型试验来进行[3-7]。然而，实际工程中防波堤往往遭受斜向波的作用，并非断面试验的正向作用，而斜向波作用宽肩台斜坡堤，会引起坡面块石的纵向输移，会使得结构的最终形态和稳定情况与断面试验结果不同，因此通过三维稳定性试验研究[8-13]宽肩台式防波堤的稳定性是很有必要的。

本文以某宽肩台式防波堤工程为例[14]，通过断面模型试验，首先研究宽肩台式防波堤在正向波浪作用下的动力平衡断面，再通过三维稳定性试验，研究宽肩台式防波堤在斜向波作用下的稳定性，得到了工程稳定的宽肩台断面结构和结构平面布置，并与断面试验的结果进行对比分析。

1 工程概况

工程总平面布置和典型结构设计断面见图1。防波堤工程包含东防波堤和南防波堤两部分，南防波堤长150 m，东防波堤长605 m，均采用宽肩台式抛石斜坡堤结构。断面分为堤心和外部护面两层，堤心石与传统防波堤一样，采用10～100 kg的碎石。外层采用1～3 t块石护面，整个护面块石平均重量为1.93 t，具体级配为1.0～1.5 t的块石占22%，1.5～2.0 t的块石占25%，2.0～2.5 t的块石占40%，2.5～3.0 t的块石占13%。护面层设置18 m宽的肩台，肩台顶面高程为+5.0 m，胸墙顶高程为+11.0 m，高程为+5.0～+11.0 m采用9 t扭王字块护面。SE向波浪为工程区强浪向和常浪向，与东防波堤轴线夹角为65°，与南防波堤轴线夹角为23°，均为斜向浪。

1-a 工程总平面布置图

1-b 典型设计结构断面图(尺寸:mm，高程:m)图1 工程总平面布置和典型设计结构断面Fig.1 Project general layout and typical design cross-section

2 物理模型试验

针对宽肩台防波堤进行的断面物理模型试验断面位于东防波堤堤身处。针对南防波堤、南防波堤和东防波堤之间的过渡段以及东防波堤的一部分(过渡段以东100 m)进行三维稳定性试验，该部分设计结构平面布置及模型布置分别见图2和图3。断面试验和三维整体试验几何比尺均为40。试验水位(当地理论基准面)包含：极端高水位为+5.12 m；设计高水位为+4.07 m；设计低水位为+0.36 m。试验波浪采用SE向重现期50 a波浪要素[15]，见表1(断面试验和三维稳定性试验均采用同一波浪要素)。

表1 试验波要素Tab.1 Wave conditions of the test

图2 设计防波堤结构平面布置 图3 防波堤三维模型布置Fig.2 Design layout of breakwater structure Fig.3 3D model layout of breakwater

3 试验结果与分析

3.1 断面模型试验

试验采用不规则波进行，每个水位下按造波序列轮回打波，每隔1 h(原体)测量断面坡面的变化并观测块石的稳定情况，当前后两次测量的坡面形状基本一致，认为该水位下断面达到动力平衡。设计低水位波浪作用，仅大浪作用冲刷至肩台，肩台外端在波浪作用下护面块石塌落并在静水位下方坡面堆积，剖面呈反S形，随着作用时间延长，冲刷作用减弱，当作用4 h后，达到动力平衡。设计高水位和极端高水位波浪作用，肩台被冲刷，肩台宽度减小，一部分块石被波浪上推至9 t扭王字块护面处堆积，一部分在波谷作用时被带至坡面中部和坡脚堆积，坡面中间段坡度变缓，整个试验过程中护面块石随着波浪作用在垂向范围内往复运动，经过重现期50 a波浪作用从设计低水位至极端高水位1个循环后，护面块石斜坡形状仍有变化，从极端高水位开始进行第二个循环作用，经过设计高水位至设计低水位波浪作用后，护面斜坡形状变化很小，此时形成的最终动力平衡断面见图4。此时垫层和堤心未外露，9 t扭王字块护面一部分被块石所掩埋，保持稳定，最终动力平衡断面满足使用要求。

图4 动力平衡断面(高程：m)Fig.4 Dynamical equilibrium profile

3.2 三维稳定性模型试验

对于三维稳定性试验，按照断面试验同样的试验方法，在每个水位下宽肩台防波堤各部分达到动力平衡后再进行下一个水位的试验。按照设计低水位、设计高水位、极端高水位，再回至设计高水位、设计低水位，波浪作用一个循环后对各部分的稳定情况进行观测。当宽肩台防波堤坡面露出堤心石或者扭王字块、胸墙等出现位移时，则判定防波堤结构失稳。

设计低水位重现期50 a的SE向波浪作用下，1～3 t护面块石在波浪作用下有少量滚落至护面斜坡中部和坡脚处，同时东、南堤过渡段处的块石在波浪连续作用下，有少量被波浪搬运至南防波堤堤身处。波浪连续作用4 h，护面形状基本不变，达到动力平衡，此时宽肩台防波堤堤心未露，各部分保持稳定。设计高水位波浪继续作用，此时宽肩台被冲刷，过渡段大量块石被波浪输移至南防波堤堤身处，波浪连续作用4 h，防波堤各部分基本达到动力平衡，断面呈现反S形，此时过渡段的动力平衡断面被冲刷的肩台宽度与断面试验相比较要大得多。在经过设计高水位波浪连续作用后南防波堤形成的动力平衡断面的基础上进行极端高水位重现期50 a波浪作用。与设计高水位试验现象相类似，过渡段处的1～3 t护面块石在波浪作用下继续向南防波堤堤身处输移，而该位置护面块石得不到补充，整个肩台被冲刷掉，从而导致了该处9 t扭王字块体垫层被淘刷，9 t扭王字块在波浪作用下发生滚落失稳(图5)，并且在SE向波浪作用下，滚落的9 t扭王字块甚至可被输移至南防波堤堤头处，波浪作用2 h时，30块扭王字块发生失稳，并且随着波浪持续作用，有更多扭王字块发生失稳。

图5 过渡段失稳试验场景Fig.5 Failure in the transition segment

分析宽肩台过渡段9 t扭王字块失稳的原因在于宽肩台防波堤护面块石在斜向波作用下存在纵向移动，而对于过渡段东侧的东防波堤而言，波向与堤轴线的夹角较大，波浪作用时接近正向作用，此处块石只是在垂向范围内往复运动，并没有输移至过渡段来补充过渡段被波浪输移至南防波堤堤身的块石，在宽肩台断面达到动力平衡之前，导致了过渡段宽肩台完全被波浪冲刷掉，9 t扭王字块护面失去支撑而失稳。此时要使过渡段保持稳定，需要加大肩台的宽度，使得过渡段断面达到动力平衡时，宽肩台还部分保留，保证扭王字块护面的支撑存在。据此，对过渡段断面肩台加宽，优化后的结构平面见图6。东、南防波堤轴线相交处的断面结构见图7，该处肩台宽度最大为36 m。调整后的防波堤在经过设计低水位、设计高水位、极端高水位再回至设计高水位和设计低水位波浪作用达到动力平衡后，过渡段肩台还有所保留，没有出现扭王字块失稳的情况，宽肩台结构没有出现堤心外露的情况，过渡段动力平衡剖面见图7。

图6 优化后的防波堤结构平面布置Fig.6 Optimization of the layout of breakwater structure

图7 肩台加宽后的过渡段断面(4-4)及最终动力平衡剖面曲线(尺寸：mm，高程：m)Fig.7 Adjusted cross-section in the transition segment and final dynamical equilibrium profile

从过渡段最终动力平衡断面的形状来看，其仍旧呈反S形，但与断面试验所形成的动力平衡剖面相比较，护面块石冲刷和堆积的量是不平衡的，原因在于过渡段块石在斜向波作用存在纵向的输移，一部分块石被波浪输移至南防波堤堤身处。南防波堤堤身、东防波堤堤身及断面试验最终动力平衡剖面对比见图8。东堤堤身轴线由于与来浪方向夹角较大，近似正向作用，堤身处的动力平衡断面与断面试验结果接近，而南堤堤身由于过渡段块石在波浪输移作用下在肩台处推积，肩台保留的宽度较大，有利于肩台上扭王字块护面的稳定。

图8 不同动力平衡断面对比(尺寸：mm，高程：m)Fig.8 Comparison of different dynamical equilibrium profiles

4 结语

本文针对某工程宽肩台式防波堤结构在斜向波作用下的试验研究，并通过对比分析斜向波与正向波作用宽肩台式防波堤最终动力平衡剖面，得到以下认识：

(1)断面试验是正向波作用宽肩台式防波堤断面，宽肩台处护面块石在波浪作用下发生冲刷变形，经过低水位、高水位再回至高水位的循环作用最终形成动力平衡断面。块石的运动是在垂向范围内作往复运动，冲刷掉的块石分向上和向下堆积，冲刷掉的块石量与堆积的块石量是相当的。

(2)三维稳定性试验中，由于斜向波的作用，护面块石除了在垂向范围内的运动，还存在纵向的输移，当破坏处的块石得不到补充时，会使该段的防波堤在波浪作用下发生失稳破坏。

(3)对于宽肩台式防波堤，除了要进行断面试验研究其最终动力平衡剖面以外，斜向波作用亦是考虑其稳定性的重要因素。

(4)本文中宽肩台式防波堤过渡段以圆弧型式衔接东、南防波堤，过渡段处在波浪作用下的水流现象只有在三维试验中才能得以反映，正是由于该处的水流复杂才导致了过渡段断面变形形态与东、南防波堤堤身存在较大的差异，使得该处防波堤发生失稳。

(5)三维试验中，东防波堤堤身轴线与来浪方向夹角为65°，接近正向作用，其最终的动力平衡剖面与断面试验结果相接近；而南防波堤堤身轴线与来浪方向的夹角为23°，波浪表现为顺浪，对护面块石的作用减小，其最终的动力平衡剖面变形较小。这些均说明宽肩台式抛石防波堤的变形与波浪的作用角度有关。

(6)本文只是针对某工程试验结果进行的总结分析，对于斜向波作用下宽肩台式抛石防波堤具体的影响规律，与波浪作用的浪向、防波堤护面块石的重量及配比、水位以及波浪要素都有关系，需要在今后进行系统的研究。