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，測試結(jié)果顯示，腳趾結(jié)構(gòu)上的波高與水深是影響護腳棱體穩(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試結(jié)果。關(guān)于兩種不同類型的護面測試也證明了護面的形狀與組成對腳趾結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響。 1 簡介 和建造在有波浪沖擊的坡底的護底棱體一樣，斜坡式防波堤廣泛應(yīng)用于沿海結(jié)構(gòu)的保護中。腳趾結(jié)構(gòu)的功能除了減少的護面塊體使用數(shù)量之外還用于護面層的靜態(tài)支持，以便阻止護面塊體的滑落并且保護護腳石免受侵蝕。 根據(jù)中國

2、交通部制定防波堤設(shè)計與施工規(guī)范，當(dāng)腳趾結(jié)構(gòu)的堤頂高程小于11.5倍的設(shè)計波高時，根據(jù)公式，護腳棱體的重量將會減少到護面塊體重量的1/5到1/10。當(dāng)腳趾結(jié)構(gòu)的堤底高程設(shè)計在低水位或者水深小于1倍的波高時，就沒有標(biāo)準(zhǔn)可以查詢了?？傮w上的練習(xí)是依照實際工程得來的的經(jīng)驗和模型測試進行的。 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)下進行的，他們二人發(fā)展了赫德森公式用來計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)性計算表示如下： h表

3、示護腳棱體之上的水深，h表示基床之上的水深，H表示波高，表示水中塊石的相對密度并且，表示塊石的已知直徑，并且 接著Brebner，Donnelly的工作，米爾給出了在波浪作用下，護腳棱體損壞的三種分類。它們被如下定義：0%3%表示在腳趾處無石頭移動，3%10%表示護腳棱體結(jié)構(gòu)變平一點，但是其功能沒有受到損害，而且這種損壞是可接受的，失敗代表著護腳棱體失去了它的功能，并且損壞是不可修復(fù)的，在測試的基礎(chǔ)上，米爾進一步發(fā)展了在低損壞和可接受損壞下的情況下的計算公式： 在公式中，ht/h >0.5. Gerding進一步發(fā)展了護腳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，他也給出了關(guān)于支撐護面層的腳趾結(jié)構(gòu)損壞的三種分類

4、。Nod=0.5表示著損壞的開始或者是極小的損壞，Nod=2表示在設(shè)計考慮范圍內(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，基于對測試數(shù)據(jù)的分析，他給出了一個改進的計算公式： Gerding的主要結(jié)論之一是入射波陡度對腳趾結(jié)構(gòu)沒有影響,公式在以下范圍內(nèi)使用： 但不能在護腳棱體比底部高或者是護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)計低水位的要求，因為護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)看起來就像是一個高護堤，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，護腳棱石滑落到更低的基床或者是向上被推到護面表面。在靠近海岸的圍頭港，腳趾結(jié)構(gòu)處的大護底棱石甚至被沖走。如果這種情況繼續(xù)被忽略的話，它的護面的穩(wěn)定性將會受到嚴(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 模型測試的橫截面和測試方法Gerding公式是在坡比為1:1.5的情況下被測試的，沒有考慮坡比的變化以及護面的組成。為了驗證米爾和Gerding公式，參考福建海岸淺水處腳趾結(jié)構(gòu)的橫截面，設(shè)計了兩種典型的橫截面，一種是人工塊石組成的護面，另一種是砌石護面（長短塊石交替）。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，六鐘不同重量的護堤石再一次使用，護堤石的尺寸分別是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塊石。這項測試的目的就是研究護腳棱體穩(wěn)定性，為了觀察計算公式中由于石頭尺寸而帶來的影響，護腳棱

7、體的尺寸由最小到最大需依次測試，一系列的測試將一直進行下去直到穩(wěn)定性測試的完全實現(xiàn)，然而，每一項測試中護堤石重量是改變的，但在整個測試中，護面塊石的重量和斜坡比是保持不變的，護面層是穩(wěn)定的。試驗參數(shù)的選取取決于實際情況。在福建的許多沿海結(jié)構(gòu)中，斜坡式防波堤中護腳棱體是很高的，通常情況下護腳棱體之上的水深小于設(shè)計低水位處的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，護腳棱體的穩(wěn)定性很低，護腳棱體之上的水深ht決定測試時的水深。對于橫截面一ht=（0.01.7）H，測試波高H=4.818.8cm，其中包括能對腳趾結(jié)構(gòu)造成最大損壞的相對水深范圍，在表一中列出了相關(guān)數(shù)據(jù)（H/L=1/20)

8、,對于橫截面二，測試波高H=4.818.8cm，ht=（0.261.84）H，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)如表二所示（H/L=1/20）。對于不規(guī)則波的測試，表一和表二中的測試波高也是有效波高Hs（Tp=1.1T,Hs/L=1/20）。2.2測試方法與穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn) 測試包括兩部分：規(guī)則波測試與不規(guī)則波測試，前者作為主要部分，測試致力于給出一個關(guān)于護腳棱體穩(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)定性處不同護堤石所需的合適波高，然后改變水深，進行一系列的測試。在我們以往關(guān)于規(guī)則波與不規(guī)則波的測試中，做了一個關(guān)于不同波陡度對腳趾穩(wěn)定性影響的比較研究。測試結(jié)果是：對于規(guī)則波，當(dāng)

9、波陡度分別是1/15,1/20,1/25時，平均的臨界波高比例是1.09:1.0:0.96,對于不規(guī)則波，當(dāng)波陡度Hs/L是1/15,1/20,1/25時，臨界穩(wěn)定性時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，所以在這個范圍內(nèi)的測試表明波陡度變化對H/Dn50的影響通常小于5%，參考顯示波陡度對穩(wěn)定性沒有影響或影響很小的其他測試結(jié)果，在測試中將H/L固定為1/20.在規(guī)則波測試的基礎(chǔ)上進行了不規(guī)則波測試。通過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)則波對腳趾結(jié)構(gòu)影響的不同之處，我們做了一個比較。對于不規(guī)則

10、波，我們使用了JONSWAP光譜（=2.3），對于腳趾塊石穩(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：護堤石沒有移動或有輕微震動，但是沒有發(fā)生移位和滑落。2. 較好穩(wěn)定性：護堤石移動；一塊或兩塊石頭滑落或被向上推動，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：一些護堤石移動或滑落；斜坡平動一點，但在持續(xù)的波浪作用下，腳趾結(jié)構(gòu)沒有繼續(xù)的損壞，并且保持著它的功能，繼續(xù)支撐著護面層（3%10%損壞）。4. 失敗：大量的石頭移動，滑落；腳趾結(jié)構(gòu)不能保持著它的最初形狀，無法繼續(xù)支撐護面層（>10%損壞）。 3. 規(guī)則波測試3.1測試結(jié)果 為了確保測

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，進行了不同重量石頭的一系列測試。 表三顯示了關(guān)于在橫截面1時，不同石頭臨界損壞時的波高的測試數(shù)據(jù)。表中，同一塊石頭的兩個相鄰數(shù)據(jù)表示有兩組波高對腳趾結(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得來的實驗結(jié)果。3.2規(guī)則波測試結(jié)果分析 為了驗證米爾和Gerding的觀察結(jié)果和我們實驗數(shù)據(jù)的分析，兩邊的變量可以看做坐標(biāo)參數(shù)，測試數(shù)據(jù)也用來檢驗它們是否滿足等效線性關(guān)系。 在規(guī)則波測試中，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)用米爾公式來計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，然而關(guān)于不同重量石頭的測試結(jié)果卻是分散的。從圖四中可以看出，即使一些測試數(shù)據(jù)超出了Gerding公式的計算范圍，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。測試表明，與米爾公式相比，Gerding公式更貼合我們的實驗數(shù)據(jù)。然而，無論是Gerding公式還是米爾公式都沒有考慮到護面層粗糙度和滲透性對穩(wěn)定性的影響。通過對來自兩種測試橫截面的測試數(shù)據(jù)對比顯示，來自橫截面2的實驗數(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。測試結(jié)果

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

14、因為護面不同的耗能能力，曲線能更好的滿足塊石護坡橫截面的測試點相連。當(dāng)ht/h>0.3時，在規(guī)則波作用下，測試點可以通過一條直線相連，然而當(dāng)ht/h<0.3時，斜率太小，將會導(dǎo)致偏差，當(dāng)ht/h保持不變時，不同石頭的測試點在圖中將不再收斂，表明仍然有一些影響因素未被包含在公式中。例如，石頭尺寸的增長不能導(dǎo)致護腳棱體長度的增長，這將會影響護腳棱體損壞的相關(guān)統(tǒng)計，當(dāng)?shù)氐牟ɡ俗饔命c，防波堤前的波形。當(dāng)ht/h從0增長時，在Gerding坐標(biāo)系中，一樣的石頭在同一個測試橫截面的測試結(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，那么測試線就會越接近線性關(guān)系，我們也可以

15、看到，當(dāng)其他因素保持不變的時候，石頭重量越大，臨界穩(wěn)定性的相關(guān)點就會離Gerding臨界穩(wěn)定性的相關(guān)點越近。 4.不規(guī)則波測試 基于規(guī)則波測試的測試結(jié)果，我們進行了不規(guī)則波測試。測試結(jié)果顯示，不規(guī)則波系列Hs對腳趾結(jié)構(gòu)的影響比規(guī)則波系列相應(yīng)的波高度下更大。通過對石頭的不同參數(shù)以及Hs的組合，我們進行了組測試來發(fā)現(xiàn)波浪和石頭參數(shù)對腳趾結(jié)構(gòu)的損害程度在3%到10%之間。在測試中加入了H=18.4，測試結(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)則波測試中得到的臨界穩(wěn)定性時的波高。顯然，不規(guī)則波測試結(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)則波對腳趾結(jié)構(gòu)的影響更大。 不規(guī)則波的測試結(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，對于兩種測試橫截面來說，它對護腳棱石的影響大于規(guī)則波。這是因為，不規(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在斜坡式防波堤的底部或者是護腳棱體結(jié)構(gòu)打破，導(dǎo)致對護腳棱石一個額外的沖擊，另一方面，在斜坡式防波堤上規(guī)則波的作用點是固定的，即使波浪直接作用在腳趾結(jié)構(gòu)上，除了對腳趾結(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)上的作用點是不斷變化的，這就導(dǎo)致了一連串的石頭移動以及穩(wěn)定性的喪失。 從圖6中可以

17、看出，即使兩條測試曲線大體上切合Gerding公式，比番茄兩條測試曲線尾端的數(shù)據(jù)趨于接近，但是曲線中間的測試數(shù)據(jù)是分開的，這就表明，對于一個特殊的橫截面的穩(wěn)定的規(guī)律性，尤其是在中低水位處，是變化的。對于不規(guī)則波，由于人工塊石護面的表面糙度和滲透性，斜坡堤底部的護腳棱體比護堤塊石要安全得多。不規(guī)則波的測試曲線位于比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。一大部分的測試曲線是位于Gerding公式線左上方，當(dāng)ht/h比例小的時候，無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，都與護面的組成無明顯關(guān)系。兩種測試橫截面的測試結(jié)果幾乎是一致的，當(dāng)ht/h很大

18、時，在水體的保護下，護面支撐腳趾結(jié)構(gòu)的功能被大大減弱。兩種測試橫截面的測試結(jié)果趨于接近。一個有關(guān)測試結(jié)果的分析表明，當(dāng)h很小的時候，入射波高度將會被水深影響；當(dāng)h很大的時候，水體會保護腳趾結(jié)構(gòu)。所以在中低水深處（ht/h=0.30.7),波浪會對腳趾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最嚴(yán)重的損壞。如圖六所示，對于橫截面2的測試結(jié)果反映出了這一特點。增強護面的消浪性能能有效的保護腳趾結(jié)構(gòu)，加強腳趾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對于橫截面1的測試結(jié)果反映出了這一特點. 5結(jié)論 在測試以及對測試結(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)定性可以通過米爾公式或者Gerding公式計算。相對地，米爾公式的計算結(jié)果誤差較大，而Gerding公式的計算結(jié)果誤差較小。2. 對于不規(guī)則波，與規(guī)則波的H對比，模型測試結(jié)果表明，與相應(yīng)的規(guī)則波相比，不規(guī)則波會對腳趾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更嚴(yán)重的損壞。3. 當(dāng)相對水深ht/h介于0.3到0.7之間，因為腳趾結(jié)構(gòu)缺少