斜坡式防波堤的前趾穩(wěn)定性

1、 斜坡式防波堤的腳趾穩(wěn)定性 摘要 基于物理模型測(cè)試，在規(guī)則波與不規(guī)則波作用下，腳趾塊石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已得到研究，測(cè)試結(jié)果顯示，腳趾結(jié)構(gòu)上的波高與水深是影響護(hù)腳棱體穩(wěn)定性的最主要因素，并且，與規(guī)則波相比，不規(guī)則波能對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損害，分析表明，相比于米爾公式，Gerding公式能更好的符合我們的測(cè)試結(jié)果。關(guān)于兩種不同類型的護(hù)面測(cè)試也證明了護(hù)面的形狀與組成對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響。 1 簡(jiǎn)介 和建造在有波浪沖擊的坡底的護(hù)底棱體一樣，斜坡式防波堤廣泛應(yīng)用于沿海結(jié)構(gòu)的保護(hù)中。腳趾結(jié)構(gòu)的功能除了減少的護(hù)面塊體使用數(shù)量之外還用于護(hù)面層的靜態(tài)支持，以便阻止護(hù)面塊體的滑落并且保護(hù)護(hù)腳石免受侵蝕。 根據(jù)中國(guó)

2、交通部制定防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，當(dāng)腳趾結(jié)構(gòu)的堤頂高程小于11.5倍的設(shè)計(jì)波高時(shí)，根據(jù)公式，護(hù)腳棱體的重量將會(huì)減少到護(hù)面塊體重量的1/5到1/10。當(dāng)腳趾結(jié)構(gòu)的堤底高程設(shè)計(jì)在低水位或者水深小于1倍的波高時(shí)，就沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可以查詢了?？傮w上的練習(xí)是依照實(shí)際工程得來(lái)的的經(jīng)驗(yàn)和模型測(cè)試進(jìn)行的。 關(guān)于腳趾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的初步調(diào)查是由Brebner和Donnelly帶領(lǐng)下進(jìn)行的，他們二人發(fā)展了赫德森公式用來(lái)計(jì)算直立式防波堤中拋石基床的穩(wěn)定性。在研究中，包含了ht/h 因素，它假定了臨界穩(wěn)定性下的腳石和入射波之間的功能關(guān)系，并且包括了塊石的重量與H3 成正比，與 ht/h 成反比，他們研究的穩(wěn)性計(jì)算表示如下： h表

3、示護(hù)腳棱體之上的水深，h表示基床之上的水深，H表示波高，表示水中塊石的相對(duì)密度并且，表示塊石的已知直徑，并且 接著B(niǎo)rebner，Donnelly的工作，米爾給出了在波浪作用下，護(hù)腳棱體損壞的三種分類。它們被如下定義：0%3%表示在腳趾處無(wú)石頭移動(dòng)，3%10%表示護(hù)腳棱體結(jié)構(gòu)變平一點(diǎn)，但是其功能沒(méi)有受到損害，而且這種損壞是可接受的，失敗代表著護(hù)腳棱體失去了它的功能，并且損壞是不可修復(fù)的，在測(cè)試的基礎(chǔ)上，米爾進(jìn)一步發(fā)展了在低損壞和可接受損壞下的情況下的計(jì)算公式： 在公式中，ht/h >0.5. Gerding進(jìn)一步發(fā)展了護(hù)腳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，他也給出了關(guān)于支撐護(hù)面層的腳趾結(jié)構(gòu)損壞的三種分類

4、。Nod=0.5表示著損壞的開(kāi)始或者是極小的損壞，Nod=2表示在設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)一些可接受的變平。Nod =4表示完全的不可接受的腳趾的變平，基于對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，他給出了一個(gè)改進(jìn)的計(jì)算公式： Gerding的主要結(jié)論之一是入射波陡度對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響,公式在以下范圍內(nèi)使用： 但不能在護(hù)腳棱體比底部高或者是護(hù)腳棱石尺寸太大或太小的情況下使用。在水淺和潮差大的地方，腳趾塊石處的水深不能滿足設(shè)計(jì)低水位的要求，因?yàn)樽o(hù)腳棱體的頂部高程的深度小于1倍的波高，或者是它不能完全滿足米爾或Gerding公式的應(yīng)用要求。梅林的近海岸碼頭和福建省的圍頭港就是這種情況。對(duì)這些海岸的分析顯示在中低水位處波浪的沖擊下，

5、腳趾結(jié)構(gòu)看起來(lái)就像是一個(gè)高護(hù)堤，并且腳趾結(jié)構(gòu)處的損壞也經(jīng)常出現(xiàn)。在波浪沖擊作用下，護(hù)腳棱石滑落到更低的基床或者是向上被推到護(hù)面表面。在靠近海岸的圍頭港，腳趾結(jié)構(gòu)處的大護(hù)底棱石甚至被沖走。如果這種情況繼續(xù)被忽略的話，它的護(hù)面的穩(wěn)定性將會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此研究在水淺和潮差大的狀況下腳趾塊石的穩(wěn)定性是非常重要的。 2 模型測(cè)試的橫截面和測(cè)試方法Gerding公式是在坡比為1:1.5的情況下被測(cè)試的，沒(méi)有考慮坡比的變化以及護(hù)面的組成。為了驗(yàn)證米爾和Gerding公式，參考福建海岸淺水處腳趾結(jié)構(gòu)的橫截面，設(shè)計(jì)了兩種典型的橫截面，一種是人工塊石組成的護(hù)面，另一種是砌石護(hù)面（長(zhǎng)短塊石交替）。這兩種橫截面的斜

6、坡比都固定在1:1.5。在圖一中，護(hù)面上的人工塊石重199g,密度為2.35g/cm*3,用了六種不同重量的天然護(hù)堤石（3.14g，6.28g，9.42g,15.7g，23.5g，31.4g)。每一塊的重量誤差在正負(fù)3%之間。在圖二中，在護(hù)面層中使用的是塊石，在腳趾結(jié)構(gòu)中使用的是天然塊石，六鐘不同重量的護(hù)堤石再一次使用，護(hù)堤石的尺寸分別是1.2cm×1.2cm×4.0cm和1.2cm×1.2cm×5.2cm（模型）。表面糙度為25%，在每三行短塊石中間安放一行長(zhǎng)塊石。這項(xiàng)測(cè)試的目的就是研究護(hù)腳棱體穩(wěn)定性，為了觀察計(jì)算公式中由于石頭尺寸而帶來(lái)的影響，護(hù)腳棱

7、體的尺寸由最小到最大需依次測(cè)試，一系列的測(cè)試將一直進(jìn)行下去直到穩(wěn)定性測(cè)試的完全實(shí)現(xiàn)，然而，每一項(xiàng)測(cè)試中護(hù)堤石重量是改變的，但在整個(gè)測(cè)試中，護(hù)面塊石的重量和斜坡比是保持不變的，護(hù)面層是穩(wěn)定的。試驗(yàn)參數(shù)的選取取決于實(shí)際情況。在福建的許多沿海結(jié)構(gòu)中，斜坡式防波堤中護(hù)腳棱體是很高的，通常情況下護(hù)腳棱體之上的水深小于設(shè)計(jì)低水位處的1倍波高， 比例也很小，造成的結(jié)果就是在大的波浪沖擊下，護(hù)腳棱體的穩(wěn)定性很低，護(hù)腳棱體之上的水深ht決定測(cè)試時(shí)的水深。對(duì)于橫截面一ht=（0.01.7）H，測(cè)試波高H=4.818.8cm，其中包括能對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)造成最大損壞的相對(duì)水深范圍，在表一中列出了相關(guān)數(shù)據(jù)（H/L=1/20)

8、,對(duì)于橫截面二，測(cè)試波高H=4.818.8cm，ht=（0.261.84）H，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表二所示（H/L=1/20）。對(duì)于不規(guī)則波的測(cè)試，表一和表二中的測(cè)試波高也是有效波高Hs（Tp=1.1T,Hs/L=1/20）。2.2測(cè)試方法與穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)試包括兩部分：規(guī)則波測(cè)試與不規(guī)則波測(cè)試，前者作為主要部分，測(cè)試致力于給出一個(gè)關(guān)于護(hù)腳棱體穩(wěn)定性參數(shù)影響的系統(tǒng)的研究，例如波高，水深。首先，固定水深ht和h，并且找到臨界穩(wěn)定性處不同護(hù)堤石所需的合適波高，然后改變水深，進(jìn)行一系列的測(cè)試。在我們以往關(guān)于規(guī)則波與不規(guī)則波的測(cè)試中，做了一個(gè)關(guān)于不同波陡度對(duì)腳趾穩(wěn)定性影響的比較研究。測(cè)試結(jié)果是：對(duì)于規(guī)則波，當(dāng)

9、波陡度分別是1/15,1/20,1/25時(shí)，平均的臨界波高比例是1.09:1.0:0.96,對(duì)于不規(guī)則波，當(dāng)波陡度Hs/L是1/15,1/20,1/25時(shí)，臨界穩(wěn)定性時(shí)Hs的比例為1.03:1.0:0.97，在淺水處，波陡度H/L一般介于1/20到1/15之間，有小幅度變化，所以在這個(gè)范圍內(nèi)的測(cè)試表明波陡度變化對(duì)H/Dn50的影響通常小于5%，參考顯示波陡度對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有影響或影響很小的其他測(cè)試結(jié)果，在測(cè)試中將H/L固定為1/20.在規(guī)則波測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了不規(guī)則波測(cè)試。通過(guò)查找在波浪沖擊下腳趾結(jié)構(gòu)臨界穩(wěn)定性的參數(shù)，并且依據(jù)規(guī)則波與被不規(guī)則波對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)影響的不同之處，我們做了一個(gè)比較。對(duì)于不規(guī)則

10、波，我們使用了JONSWAP光譜（=2.3），對(duì)于腳趾塊石穩(wěn)定性，米爾和Gerding制定的標(biāo)準(zhǔn)被分成了四類：1. 良好穩(wěn)定性：護(hù)堤石沒(méi)有移動(dòng)或有輕微震動(dòng)，但是沒(méi)有發(fā)生移位和滑落。2. 較好穩(wěn)定性：護(hù)堤石移動(dòng)；一塊或兩塊石頭滑落或被向上推動(dòng)，但是腳趾結(jié)構(gòu)保持著最初的形狀。（<3%損壞）3. 臨界穩(wěn)定性：一些護(hù)堤石移動(dòng)或滑落；斜坡平動(dòng)一點(diǎn)，但在持續(xù)的波浪作用下，腳趾結(jié)構(gòu)沒(méi)有繼續(xù)的損壞，并且保持著它的功能，繼續(xù)支撐著護(hù)面層（3%10%損壞）。4. 失?。捍罅康氖^移動(dòng)，滑落；腳趾結(jié)構(gòu)不能保持著它的最初形狀，無(wú)法繼續(xù)支撐護(hù)面層（>10%損壞）。 3. 規(guī)則波測(cè)試3.1測(cè)試結(jié)果 為了確保測(cè)

11、試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在最靠近近臨界損壞的波高的條件下，進(jìn)行了不同重量石頭的一系列測(cè)試。 表三顯示了關(guān)于在橫截面1時(shí)，不同石頭臨界損壞時(shí)的波高的測(cè)試數(shù)據(jù)。表中，同一塊石頭的兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)表示有兩組波高對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的損壞都是介于3%到10%。在我們的分析中使用了平均的概念。表四是從橫截面2得來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.2規(guī)則波測(cè)試結(jié)果分析 為了驗(yàn)證米爾和Gerding的觀察結(jié)果和我們實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，兩邊的變量可以看做坐標(biāo)參數(shù)，測(cè)試數(shù)據(jù)也用來(lái)檢驗(yàn)它們是否滿足等效線性關(guān)系。 在規(guī)則波測(cè)試中，米爾公式能包括兩種橫截面下的臨界穩(wěn)定性的相關(guān)數(shù)值，關(guān)系顯示在規(guī)則波作用下應(yīng)用米爾公式來(lái)計(jì)算石頭的重量是安全的，即使在圖三中

12、可以看出每種類型石頭的穩(wěn)定性趨勢(shì)，然而關(guān)于不同重量石頭的測(cè)試結(jié)果卻是分散的。從圖四中可以看出，即使一些測(cè)試數(shù)據(jù)超出了Gerding公式的計(jì)算范圍，但是該公式還是能令人滿意的歸納出不同重量石頭的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。Gerding公式包括了兩組測(cè)試橫截面的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以Gerding公式能滿足規(guī)則波作用下腳趾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。測(cè)試表明，與米爾公式相比，Gerding公式更貼合我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，無(wú)論是Gerding公式還是米爾公式都沒(méi)有考慮到護(hù)面層粗糙度和滲透性對(duì)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)來(lái)自兩種測(cè)試橫截面的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，來(lái)自橫截面2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近公式的臨界線，并且橫截面2的穩(wěn)定性比橫截面1低。測(cè)試結(jié)果

13、也顯示擁有粗糙度更大，滲透性更強(qiáng)的護(hù)面層能導(dǎo)致波浪更加強(qiáng)烈的沖擊斜坡以及“核心”，從而引起波能損耗，而且，弱一點(diǎn)的波浪將會(huì)被護(hù)面層阻隔，水流速度將會(huì)嚴(yán)重變小，最終減弱了腳趾結(jié)構(gòu)的損壞，腳趾結(jié)構(gòu)和護(hù)面層之間的關(guān)系就是相互支撐，一起抵制波浪的沖擊。測(cè)試也反映了相對(duì)水深ht/h對(duì)腳趾穩(wěn)定性的影響。在Gerding坐標(biāo)系中，當(dāng)在一個(gè)測(cè)試橫截面中ht/h保持不變，那么不同重量的護(hù)腳棱石測(cè)試點(diǎn)可以表現(xiàn)出一種很好的線性關(guān)系，當(dāng)ht/h變化時(shí)，測(cè)試點(diǎn)形成一個(gè)直線族。我們可以這樣假設(shè)，當(dāng)ht/h從0增長(zhǎng)到，直線上點(diǎn)的切線斜率也趨于從0到。當(dāng)Nod=2時(shí)，在Gerding坐標(biāo)系中，測(cè)試的斜率也滿足雙曲正切關(guān)系，正

14、因?yàn)樽o(hù)面不同的耗能能力，曲線能更好的滿足塊石護(hù)坡橫截面的測(cè)試點(diǎn)相連。當(dāng)ht/h>0.3時(shí)，在規(guī)則波作用下，測(cè)試點(diǎn)可以通過(guò)一條直線相連，然而當(dāng)ht/h<0.3時(shí)，斜率太小，將會(huì)導(dǎo)致偏差，當(dāng)ht/h保持不變時(shí)，不同石頭的測(cè)試點(diǎn)在圖中將不再收斂，表明仍然有一些影響因素未被包含在公式中。例如，石頭尺寸的增長(zhǎng)不能導(dǎo)致護(hù)腳棱體長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，這將會(huì)影響護(hù)腳棱體損壞的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)氐牟ɡ俗饔命c(diǎn)，防波堤前的波形。當(dāng)ht/h從0增長(zhǎng)時(shí)，在Gerding坐標(biāo)系中，一樣的石頭在同一個(gè)測(cè)試橫截面的測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)為非線性，從圖4中，我們可以看到，ht/h越大，石頭重量越小，那么測(cè)試線就會(huì)越接近線性關(guān)系，我們也可以

15、看到，當(dāng)其他因素保持不變的時(shí)候，石頭重量越大，臨界穩(wěn)定性的相關(guān)點(diǎn)就會(huì)離Gerding臨界穩(wěn)定性的相關(guān)點(diǎn)越近。 4.不規(guī)則波測(cè)試 基于規(guī)則波測(cè)試的測(cè)試結(jié)果，我們進(jìn)行了不規(guī)則波測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，不規(guī)則波系列Hs對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的影響比規(guī)則波系列相應(yīng)的波高度下更大。通過(guò)對(duì)石頭的不同參數(shù)以及Hs的組合，我們進(jìn)行了組測(cè)試來(lái)發(fā)現(xiàn)波浪和石頭參數(shù)對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的損害程度在3%到10%之間。在測(cè)試中加入了H=18.4，測(cè)試結(jié)果如圖表5所示，保留三位有效數(shù)字的Hs是兩組相鄰波高的平均值。為了組合方便，也在表5中列出了在規(guī)則波測(cè)試中得到的臨界穩(wěn)定性時(shí)的波高。顯然，不規(guī)則波測(cè)試結(jié)果和米爾公式相差很多，所以米爾公式不能表示在不

16、規(guī)則波作用下腳趾結(jié)構(gòu)的臨界穩(wěn)定性。這也意味著不規(guī)則波對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的影響更大。 不規(guī)則波的測(cè)試結(jié)果大體上可以證明Gerding公式，然而，不規(guī)則波的Hs等于規(guī)則波的波高，對(duì)于兩種測(cè)試橫截面來(lái)說(shuō)，它對(duì)護(hù)腳棱石的影響大于規(guī)則波。這是因?yàn)椋灰?guī)則波系列中大的波浪要大于Hs，而且，大部分的大波浪都會(huì)在斜坡式防波堤的底部或者是護(hù)腳棱體結(jié)構(gòu)打破，導(dǎo)致對(duì)護(hù)腳棱石一個(gè)額外的沖擊，另一方面，在斜坡式防波堤上規(guī)則波的作用點(diǎn)是固定的，即使波浪直接作用在腳趾結(jié)構(gòu)上，除了對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)的部分損壞之外基本的穩(wěn)定性仍然可以保持。但是不規(guī)則波在腳趾結(jié)構(gòu)上的作用點(diǎn)是不斷變化的，這就導(dǎo)致了一連串的石頭移動(dòng)以及穩(wěn)定性的喪失。 從圖6中可以

17、看出，即使兩條測(cè)試曲線大體上切合Gerding公式，比番茄兩條測(cè)試曲線尾端的數(shù)據(jù)趨于接近，但是曲線中間的測(cè)試數(shù)據(jù)是分開(kāi)的，這就表明，對(duì)于一個(gè)特殊的橫截面的穩(wěn)定的規(guī)律性，尤其是在中低水位處，是變化的。對(duì)于不規(guī)則波，由于人工塊石護(hù)面的表面糙度和滲透性，斜坡堤底部的護(hù)腳棱體比護(hù)堤塊石要安全得多。不規(guī)則波的測(cè)試曲線位于比Gerding公式線更低的位置。塊石斜坡與人工塊體斜坡的結(jié)果是相反的。一大部分的測(cè)試曲線是位于Gerding公式線左上方，當(dāng)ht/h比例小的時(shí)候，無(wú)論波浪是直接影響還是或多或少的被打破，然后作用到腳趾結(jié)構(gòu)上，都與護(hù)面的組成無(wú)明顯關(guān)系。兩種測(cè)試橫截面的測(cè)試結(jié)果幾乎是一致的，當(dāng)ht/h很大

18、時(shí)，在水體的保護(hù)下，護(hù)面支撐腳趾結(jié)構(gòu)的功能被大大減弱。兩種測(cè)試橫截面的測(cè)試結(jié)果趨于接近。一個(gè)有關(guān)測(cè)試結(jié)果的分析表明，當(dāng)h很小的時(shí)候，入射波高度將會(huì)被水深影響；當(dāng)h很大的時(shí)候，水體會(huì)保護(hù)腳趾結(jié)構(gòu)。所以在中低水深處（ht/h=0.30.7),波浪會(huì)對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最嚴(yán)重的損壞。如圖六所示，對(duì)于橫截面2的測(cè)試結(jié)果反映出了這一特點(diǎn)。增強(qiáng)護(hù)面的消浪性能能有效的保護(hù)腳趾結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)腳趾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對(duì)于橫截面1的測(cè)試結(jié)果反映出了這一特點(diǎn). 5結(jié)論 在測(cè)試以及對(duì)測(cè)試結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，我們可以得出以下結(jié)論：1. 在規(guī)則波作用下，斜坡式防波堤的腳趾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以通過(guò)米爾公式或者Gerding公式計(jì)算。相對(duì)地，米爾公式的計(jì)算結(jié)果誤差較大，而Gerding公式的計(jì)算結(jié)果誤差較小。2. 對(duì)于不規(guī)則波，與規(guī)則波的H對(duì)比，模型測(cè)試結(jié)果表明，與相應(yīng)的規(guī)則波相比，不規(guī)則波會(huì)對(duì)腳趾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損壞。3. 當(dāng)相對(duì)水深ht/h介于0.3到0.7之間，因?yàn)槟_趾結(jié)構(gòu)缺少