摘 要：为改善某国外河口渔船通航条件、修复并保持河口附近海岸沙滩形态，拟在某河口建设1道防波堤及6道沿岸丁坝。根据工程要求，拟建工程在保证工程安全性和实用性的同时还需要兼顾经济性，因此针对防波堤护面重量、顶高程等方面需要通过物理模型试验，对结构稳定性和越浪量进行测量，保障在设计条件下的安全性和安全余度的同时，尽可能选取更为经济合理的块石重量和结构顶高程。经过试验验证，对防波堤内侧块石重量、防波堤及沿岸丁坝顶高程进行了优化，在保证工程安全的前提下，降低了工程投资，取得了良好的工程效果。
关键词：稳定性、越浪量、模型试验、优化
1 项目概况
某国外河口附近有渔港，由于河口处掩护条件不佳，易造成渔船进出困难，且河口处有典型沙嘴，上游流量和来沙量季节间变化较大，在波浪和河流同时作用下，造成河口附近岸滩不稳。因此改造工程计划在河口北侧岬头处建设一条长度为500m的防波堤为河口提供掩护，并在河口南侧沿岸建设6条T型丁坝保护沙滩，见图1。
由于该工程海域外海波浪条件相对小，同时受到工程所在地区施工能力限制，防波堤及丁坝护面采用大块石。设计采用重现期为100年，护面结构可允许不超过5%的失稳率，采用50L/m/s作为允许越浪量标准。为满足工程的安全性和经济合理性，选取试验标准为：在重现期为100年设计标准条件下，结构物需满足失稳率和越浪量的允许指标。
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图1 工程平面布置图
2 试验研究内容
该试验研究采用整体稳定性模型，整体稳定性模型主要研究防波堤和部分沿岸丁坝堤头、堤身处的结构稳定性，定性观察越浪情况，并测量河口处波浪分布情况；根据整体试验结果，对工程所涉及的结构物形式进行优化。
3 模型设计与试验设备
三维整体稳定性试验采用正态模型，模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸按几何相似准则设计。根据试验要求，结合试验场地及设备情况，模型选用几何比尺λ=45，时间比尺为λt=6.71。模型地形采用桩点法复制，平面尺寸及高程按几何相似原则制作。防波堤按照各设计断面通过架设断面板的方法进行摆放，不同位置高程均使用水准仪精确控制。护面块石采用不同颜色分块摆放，以便于试验观测。模型波浪由L型不规则波造波机产生，对波浪进行模拟。模型波高用SG2000型动态波高测量系统采集，波高传感器安装在测架上，根据观测需要摆放在试验水域中特定位置。
4 试验结果与分析
4.1 原方案试验结果
根据三维稳定性试验，通过对不同方向和重现期波浪的试验，在重现期为100年波浪作用下，防波堤处护面块石最大失稳率为0.4%，出现在堤头处，沿岸丁坝处护面块石最大失稳率为0.5%；而在1.2倍重现期为100年波浪作用下，防波堤处护面块石最大失稳率为2.3%，沿岸丁坝处护面块石最大失稳率为2.1%；通过观察，防波堤处无越浪发生，沿岸丁坝处仅有少量溅浪。根据断面稳定性试验，各断面均无失稳现象发生，最大越浪量均小于2L/m/s。
根据工程原设计方案试验结果，防波堤及沿岸丁坝结构稳定性均满足失稳率不超过5%的要求，同时越浪量也远小于50L/m/s的允许值，因此结构物护面重量和顶高程尚有一定的优化空间。其优化主要方向为降低堤顶高程、减小防波堤内侧护面块石重量、增大防波堤护面坡度。
4.2 工程方案优化措施
根据原设计方案试验结果，对防波堤和沿岸丁坝结构进行优化，优化具体方式为：1）针对防波堤断面，将防波堤背浪侧原设计3.9t~6.7t块石减少至2.6t~4.4t，同时将迎浪侧护面坡度从1:3优化为1:2.5和1:2；2）针对各沿岸丁坝断面，降低丁坝顶高程1.5m~2.0m，同时将迎浪侧坡度从1:3优化为1:2.5和1:2.0；3）针对有上部结构的沿岸丁坝，通过在上部结构处增加胸墙，在满足越浪量标准的同时进一步降低丁坝抛石量。
4.3 优化方案试验结果
根据上述优化措施，通过三维稳定性模型进行试验验证，试验结果如下：在重现期为100年波浪作用下，防波堤处护面块石最大失稳率为0.4%；防波堤处未观察到明显越浪。
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针对沿岸丁坝，对不同坡度和顶高程的优化方案进行优化后，按照各丁坝失稳率均不超过5%允许值，重现期100年波浪作用下越浪量均不超过50L/m/s的允许值，得到满足该条件时的各丁坝顶高程和坡度，结果见表1。
5 主要结论
本研究项目在实施过程中，大量采用国外工程标准，其设计标准和研究理念与国内工程有一定的区别，其主要表现在：
（1）设计条件重现期标准，国内港口及防波堤项目使用波浪重现期为50年，而本项目采用设计重现期为100年，若按照使用年限50年计算，采用重现期50年时使用年限内不出现超过设计条件的概率仅为36%，而采用重现期为100年的该概率为61%；
（2）允许失稳率标准，根据国内相关设计规范，防波堤护面块体一般不允许失稳，采用护面块石允许有2%的失稳率，而在本次研究中所采用的英国规范，在允许后期维修的前提下，可允许护面结构出现一定程度的损坏，允许失稳率不超过5%，但不允许出现破坏性损坏；
（3）允许失稳率标准，我国港口相关设计规范中，尚未有允许越浪量标准，仅在国内其他行业，如电力、水利等行业规范中有相关规定，而参考国外相关规范及文献，如英国、美国、日本等，均有明确的规范要求，其规定有从行人车辆安全考虑，也有从排水防洪角度考虑，本次研究中所采用的标准来自美国相关标准规范，该规范中从结构物安全角度对越浪量标准提出要求，比较符合本工程的建设使用目的。
论文作者:郭晓玲1，金瑞佳2
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/23
标签：防波堤论文; 丁坝论文; 河口论文; 高程论文; 波浪论文; 工程论文; 结构论文; 《工程管理前沿》2020年第2期论文;