厦门港古雷港区南3 号泊位填海造地工程围堤波浪断面的安全性试验

徐佳胤， 汪乐强， 陈德春

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京210098 2. 中交第三航务工程勘察设计研究院有限公司，上海200032)

厦门港古雷港区位于福建省漳浦县古雷半岛东山湾湾口东侧，是建设海峡西岸经济区发展战略的重点区域，又是承接国外及港澳台地区产业转移的便捷区域，具有港阔水深的优势。目前，有十多个在建和已建成投入使用的泊位，包括建材码头、滚装码头、液体化工码头、海事工作船码头和综合码头等。古雷港口经济开发区依托古雷港区，将建成以重大工业项目为带动的临港工业区，重点发展石化、装备制造和现代物流等产业，是海峡西岸先进的制造业基地。

文中采用波浪断面物理模型试验，研究古雷港区3 号泊位填海造地工程围堤断面结构稳定性、尺度合理性;优化设计方案，确定合理的围堤断面结构和尺度。

1 围堤断面设计方案

南3 号泊位液化罐区填海造地工程位于古雷半岛南端(见图1)，西侧临海，东侧为陆域。该填海造地工程陆域形成总面积46.11 万m2，其西侧围堤长358 m、呈南北走向(见图2)，围堤建筑物结构安全等级为II 级，施工图设计标准:设计波浪与设计水位重现期均为50 年一遇。该围堤是古雷港区陆域极为重要的安全防线，由于地处东山湾口，同时受外海潮流、波浪作用，加之常受台风袭击，风、浪、潮等因素使得确定合理的围堤断面尺度与结构十分困难。技术难点主要有:波浪作用下护面扭王字块体质量与安放型式，护脚块石质量，越浪量小于0.05 m3/s·m 时的墙顶高程。需通过波浪断面模型试验，研究与解决这些技术难点［1］。且根据规范要求［2］，当斜向波设计波浪平均周期大于10 s 时，护面扭王字块体质量应进行模型试验验证其稳定性，确保围堤结构运行安全。

图1 古雷作业区南3#泊位液化罐区填海造地工程位置示意Fig.1 Sketech map of the Gulei operation area south berth 3# liquefied tank farm land reclamation

图2 拟建围堤位置示意Fig.2 Sketch map of the proposed seawall

古雷港区围堤断面型式为斜坡堤(见图3)，其结构与尺度见表1。堤顶设反L 型砼防浪墙，墙顶高程▽7.0 m(当地理论基面、下同)、宽80 cm，墙身高度1.7 m。堤顶面高程▽5.3 m，顶宽4.0 m(不含防浪墙)。迎浪面▽1.0 m 位置设置宽13 m 平台，平台上下斜坡坡比均为1 ∶2，护面结构为质量2.5 t 扭王字块(一层)，垫层块石质量150 ～250 kg。堤脚设宽10 m 抛石护底，护底块石质量300 ～500 kg。堤心回填质量为10 ～300 kg 的开山石，其后设置二片石垫层、混合倒滤层及土工布层。防浪墙内侧陆域回填高程为▽4.8 m ;围堤断面地基为淤泥质粉质黏土，采用振冲密实+ 插打塑料排水板进行地基处理，满足设计断面的整体稳定要求［3］。

图3 围堤设计代表断面Fig.3 Cross-section diagram of the seawall

表1 古雷港区围堤断面尺度与结构Tab.1 Cross-section scale and structure of the Gulei port seawall

2 围堤断面试验技术要求与研究方法

2.1 试验技术要求

在不规则波浪与水位组合作用下，对围堤设计断面进行物理模型试验，具体包括［4］:

1)护面2.5 t 扭王字块体和护底300 ～500 kg块石的稳定性;

2)反L 型砼防浪墙的稳定性;①先采用折减的斜向波要素，当防浪墙失稳，则调整防浪墙设计尺度重新试验;②当防浪墙在①试验稳定时，采用不折减波要素继续进行试验;③若②试验下防浪墙失稳，则降低波要素得出防浪墙的稳定临界波要素。

3)测量反L 型砼防浪墙墙顶越浪量，分析其对堤顶结构的影响。

2.2 试验方法

基于围堤波浪断面试验技术要求［4］，在遵守试验规程［5］前提下，综合试验设备(76 × 1.5 × 1.0 m波浪水槽、生波机)性能、围堤断面、水深和波浪要素等，模型依重力相似准则进行设计，正态模型比尺取1 ∶25。不规则波波谱、越浪量采集、防浪墙、人工块体(石)的护面失稳标准为:

1)不规则波波谱采用Jonswap 谱，其表达式为

式中:

式中:HS为有效波高(m);Tp为谱峰值周期(s)，取Tp= 1.2 ～1.3¯T;fp为谱峰值频率(Hz);γ 为谱峰升高因子。

2)越浪量采用集水器和量筒测墙顶总越浪量V，并计算出单位时间单位墙宽的平均越浪量q，即q =V/bt;

3)防浪墙失稳标准:波浪作用下，观测到防浪墙发生明显滑动或倾斜时即失稳;

4)人工块体(石)的护面失稳标准:波浪作用下，随机安(抛)放的护面块体(石)累积位移超过单个块体的最大几何尺度时或块石护底的表面有明显变形即失稳。

2.3 试验水位与波要素

根据试验技术要求［4］，设计水位有4 组，即极端高低水位、设计高低水位。考虑到设计高低水位相差较大，且两者之间的水位与波浪的组合在该地区经常出现，作用于围堤外坡。对此，在安全性试验中需增加一级平均海平面水位，即共研究5 组设计水位与波要素的组合作用下(见表2、表3)，围堤断面结构的安全性(泥面高程▽－4.9 m，波向为SSW)。

表2 E 点、斜向波不折减时围堤代表断面设计波要素Tab.2 Wave elements of the representative section with oblique wave without reducing

表3 E 点、斜向波折减时围堤代表断面设计波要素Tab.3 Wave elements of the representative section with reduced oblique wave

3 影响围堤断面安全性试验的参量确定

由2.1 试验技术要求分析可知，开展围堤断面安全性试验还存在两个不确定因素，即没有明确不规则波谱峰升高因子值和扭王字块体安放型式。对此，首先需研究这2 个因素，才能按照试验技术要求和规程［5］进行围堤断面安全性试验。

3.1 不规则波谱峰升高因子的确定

波浪断面试验中不规则波波谱一般采用Jonswap 谱，其峰升高因子在1.5 ～6［5］，γ = 3.3 是其平均值［6-7］。据福建沿海水域崇武、祥芝、厦门与深沪现场测波点资料［8］，采用“956”测波浮标系统所测的海浪谱，经拟合，该海域期望(平均)海浪方向频率谱模式，符合Jonswap 谱的无维量海浪频谱模式。模式中峰升高因子适用在开敞水域取2.3，湾内水域取3.5。又因古雷港区围堤工程位于东山湾口，水域开阔，故综合考虑本试验分别采用r = 2.5，3.3 研究围堤结构稳定性。

3.2 扭王字块体安放型式的确定

扭王字块体安放型式有定点随机安放或规则安放。在东南沿海防波堤工程实践中，扭王字块体采用规则安放具有较明显的抗浪效果，因此本试验以规则安放扭王字块体为准，采用条形规则安放或交错规则安放研究其稳定性。

4 安全性试验

安全性试验是在不规则波浪与5 级水位组合作用下研究围堤设计断面结构稳定性、尺度合理性。考虑到波浪要素取折减或不折减、扭王字块体安放形式(试验采用条型规则或交错规则)，Jonswap 谱峰升高因子取2.5 或3.3 等因素，都会对试验结果产生影响。因此，先研究扭王字块体条型规则安放，波浪要素取折减与不折减时，围堤设计断面的安全性，根据试验结果修改断面尺度;进而研究扭王字块体交错规则安放，波浪要素取折减与不折减时，该修改断面的安全性，以确定扭王安放型式和最终的断面尺度。

4.1 围堤设计断面安全性试验结果

试验中Jonswap 谱峰升高因子取3.3 及2.5 进行对比以确定其取值。试验表明:波浪要素取折减时(见表4)，反L 型浪防墙和条形规则安放的2.5 t护面扭王字块体均满足稳定性要求、300 ～500 kg护底块石需调整到350 ～500 kg 后达到稳定。问题是防浪墙顶高程▽7.0 m 偏低，越浪量不能满足小于0.05 m3/s·m。对此，在各级水位和不规则波浪作用下，将墙顶高程调整为▽7.4 m、▽7.6 m、▽7.8 m 测量越浪量，具体结果见表5。

由表5 可以看出，越浪量的大小与Jonswap 谱峰升高因子取值有关。调整墙顶高程后峰升高因子取2.5 时，越浪量≤0.05 m3/s·m;取3.3 时，越浪量均≥0.05 m3/s·m。由于本次拟建围堤接近苏尖湾口已建的某防波堤工程，该工程防波堤断面波浪模型试验中［9］，Jonswap 谱峰升高因子选用了2.5，实际工程效果良好，则东山湾口亦可取γ = 2.5 的试验结果。同时，出于工程量考虑，将墙顶高程调整为▽7.4 m。

在谱峰系数为2.5、墙顶高程取▽7.4 m 条件下，进而采用不折减的波要素研究反L 型防浪墙稳定性。试验表明，波浪冲击上坡面后沿坡面上爬冲击防浪墙，或直接波击防浪墙，堤顶反L 型砼防浪墙稳定。故将堤顶高程确定为▽7.4 m 进行扭王字块体交错规则安放试验。

表4 防浪墙顶高程▽7.0 m、扭王条形规则安放、折减波要素下围堤断面波浪稳定性试验结果Tab.4 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7 m，wrest block is placed by bar-type regularly，and wave elements are reduced

表5 波浪作用下不同堤顶高程越浪量比较Tab.5 Comparison of the overtopping at different elevation of the top of the breast wall under wave action

4.2 围堤修改断面安全性分析

扭王字块体采用交错规则安放、波浪要素取折减或不折减，谱峰升高因子为2.5 时研究围堤修改断面［8］(墙顶高程取▽7.4 m、护底块石质量350 ～500 kg)安全性。在各级水位与折减波浪组合作用下，反L 型防浪墙稳定;交错安放的2.5 t 扭王字块体相互嵌固，提高了整体稳定性与抗浪性;越浪量较条形规则安放稍许增大;外海侧350 ～500 kg 护底块石稳定(见表6);各级水位与不折减波浪组合下，反L 型防浪墙亦稳定;2.5 t 护面扭王字块体在设计高水位与极端高水位时上坡面块体有摇动;在平均水位时镇压层前端有摇动;外海侧350 ～400 kg 护底块石表面滚动;400 ～500 kg 护底块石稳定(见表7)。

表6 防浪墙顶高程▽7.4 m、扭王交错规则安放、折减波要素下围堤断面波浪稳定试验结果Tab.6 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and wave elements are reduced

表7 防浪墙顶高程▽7.4 m、扭王交错规则安放、不折减波要素下的围堤断面波浪稳定试验结果Tab.7 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and the wave elements are without reduction

5 结 语

1)防浪墙稳定性与墙顶高程:以不规则波谱峰升高因子取2.5，墙顶高程取▽7.4 m 为准，在波浪要素取折减或不折减时，反L 型防浪墙稳定。由于墙顶高程较原设计提高0.4 m，为减小波击防浪墙，反L 型砼防浪墙前顶面高程由▽5.3 m 调整到▽6.0 m、加厚70 cm，由此发挥墙前扭王字块体抵御波浪力，提高防浪墙稳定作用。

2)护面扭王字块体安放型式与块体稳定性:以斜向波折减波浪要素为准，条形规则安放和交错规则安放的2.5 t 扭王字块体均稳定。考虑到交错安放的扭王字块体间嵌固较紧，能提高块体整体抗浪性，并考虑工程区域波浪动力条件复杂性，应选择交错规则安放。

3)护底镇压层块石稳定性:护底块石质量需调整，前坡采用400 ～500 kg 块石、镇压层平台表层块石采用350 ～500 kg 达到稳定。

4)堤顶水泥碎石稳定层和内坡倒滤面结构稳定性:由于其结构不是堤顶面竣工结构，在台汛期需重视对堤顶水泥碎石稳定层和内坡倒滤面结构保护，有利于防浪墙稳定。

5)经试验研究确定的施工图围堤断面已完工，防灾能力达到50 年一遇标准，并经台风“凤凰”考验，结构稳定，防浪效果良好。

［1］严恺.海岸工程［M］.北京:海洋出版社，2000.

［2］交通部第一航务工程勘察设计院.JTS 154-1—2011 防波堤设计与施工规范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］黄从增，薛国强.厦门港古雷港区古雷作业区南3#泊位液化罐区填海造地工程施工图设计［R］.厦门:厦门中交第二航务工程勘察设计院有限公司，2013.

［4］黄从增，薛国强.厦门港古雷港区古雷作业区南3#泊位液化罐区填海造地工程围堤断面试验技术要求施工图设计［R］.厦门:厦门中交第二航务工程勘察设计院有限公司，2013.

［5］南京水利科学研究院.JTJ/T234—2001 波浪模型试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］徐德伦，于定勇.随机海浪理论［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［7］俞聿修.随机波浪及其工程应用［M］.大连:大连理工大学出版社，2011.

［8］河海大学交通与海洋工程学院，福建省港航管理局，国家海洋局第三海洋研究所.福建沿海海浪谱分析研究［R］.南京:河海大学，1997.

［9］河海大学交通与海洋学院.5401 工程防波堤断面波浪模型试验报告［R］.南京:河海大学，2004.