斜坡式防波堤的前趾稳定性

1、 斜坡式防波堤的脚趾稳定性 摘要 基于物理模型测试，在规则波与不规则波作用下，脚趾块石结构稳定性已得到研究，测试结果显示，脚趾结构上的波高与水深是影响护脚棱体稳定性的最主要因素，并且，与规则波相比，不规则波能对脚趾结构产生更严重的损害，分析表明，相比于米尔公式，Gerding公式能更好的符合我们的测试结果。关于两种不同类型的护面测试也证明了护面的形状与组成对脚趾结构的稳定性有影响。 1 简介 和建造在有波浪冲击的坡底的护底棱体一样，斜坡式防波堤广泛应用于沿海结构的保护中。脚趾结构的功能除了减少的护面块体使用数量之外还用于护面层的静态支持，以便阻止护面块体的滑落并且保护护脚石免受侵蚀。 根据中国

2、交通部制定防波堤设计与施工规范，当脚趾结构的堤顶高程小于11.5倍的设计波高时，根据公式，护脚棱体的重量将会减少到护面块体重量的1/5到1/10。当脚趾结构的堤底高程设计在低水位或者水深小于1倍的波高时，就没有标准可以查询了。总体上的练习是依照实际工程得来的的经验和模型测试进行的。 关于脚趾结构稳定性的初步调查是由Brebner和Donnelly带领下进行的，他们二人发展了赫德森公式用来计算直立式防波堤中抛石基床的稳定性。在研究中，包含了ht/h 因素，它假定了临界稳定性下的脚石和入射波之间的功能关系，并且包括了块石的重量与H3 成正比，与 ht/h 成反比，他们研究的稳性计算表示如下： h表

3、示护脚棱体之上的水深，h表示基床之上的水深，H表示波高，表示水中块石的相对密度并且，表示块石的已知直径，并且 接着Brebner，Donnelly的工作，米尔给出了在波浪作用下，护脚棱体损坏的三种分类。它们被如下定义：0%3%表示在脚趾处无石头移动，3%10%表示护脚棱体结构变平一点，但是其功能没有受到损害，而且这种损坏是可接受的，失败代表着护脚棱体失去了它的功能，并且损坏是不可修复的，在测试的基础上，米尔进一步发展了在低损坏和可接受损坏下的情况下的计算公式： 在公式中，ht/h >0.5. Gerding进一步发展了护脚结构稳定性的研究，他也给出了关于支撑护面层的脚趾结构损坏的三种分类

4、。Nod=0.5表示着损坏的开始或者是极小的损坏，Nod=2表示在设计考虑范围内一些可接受的变平。Nod =4表示完全的不可接受的脚趾的变平，基于对测试数据的分析，他给出了一个改进的计算公式： Gerding的主要结论之一是入射波陡度对脚趾结构没有影响,公式在以下范围内使用： 但不能在护脚棱体比底部高或者是护脚棱石尺寸太大或太小的情况下使用。在水浅和潮差大的地方，脚趾块石处的水深不能满足设计低水位的要求，因为护脚棱体的顶部高程的深度小于1倍的波高，或者是它不能完全满足米尔或Gerding公式的应用要求。梅林的近海岸码头和福建省的围头港就是这种情况。对这些海岸的分析显示在中低水位处波浪的冲击下，

5、脚趾结构看起来就像是一个高护堤，并且脚趾结构处的损坏也经常出现。在波浪冲击作用下，护脚棱石滑落到更低的基床或者是向上被推到护面表面。在靠近海岸的围头港，脚趾结构处的大护底棱石甚至被冲走。如果这种情况继续被忽略的话，它的护面的稳定性将会受到严重影响。因此研究在水浅和潮差大的状况下脚趾块石的稳定性是非常重要的。 2 模型测试的横截面和测试方法Gerding公式是在坡比为1:1.5的情况下被测试的，没有考虑坡比的变化以及护面的组成。为了验证米尔和Gerding公式，参考福建海岸浅水处脚趾结构的横截面，设计了两种典型的横截面，一种是人工块石组成的护面，另一种是砌石护面（长短块石交替）。这两种横截面的斜

6、坡比都固定在1:1.5。在图一中，护面上的人工块石重199g,密度为2.35g/cm*3,用了六种不同重量的天然护堤石（3.14g，6.28g，9.42g,15.7g，23.5g，31.4g)。每一块的重量误差在正负3%之间。在图二中，在护面层中使用的是块石，在脚趾结构中使用的是天然块石，六钟不同重量的护堤石再一次使用，护堤石的尺寸分别是1.2cm×1.2cm×4.0cm和1.2cm×1.2cm×5.2cm（模型）。表面糙度为25%，在每三行短块石中间安放一行长块石。这项测试的目的就是研究护脚棱体稳定性，为了观察计算公式中由于石头尺寸而带来的影响，护脚棱

7、体的尺寸由最小到最大需依次测试，一系列的测试将一直进行下去直到稳定性测试的完全实现，然而，每一项测试中护堤石重量是改变的，但在整个测试中，护面块石的重量和斜坡比是保持不变的，护面层是稳定的。试验参数的选取取决于实际情况。在福建的许多沿海结构中，斜坡式防波堤中护脚棱体是很高的，通常情况下护脚棱体之上的水深小于设计低水位处的1倍波高， 比例也很小，造成的结果就是在大的波浪冲击下，护脚棱体的稳定性很低，护脚棱体之上的水深ht决定测试时的水深。对于横截面一ht=（0.01.7）H，测试波高H=4.818.8cm，其中包括能对脚趾结构造成最大损坏的相对水深范围，在表一中列出了相关数据（H/L=1/20)

8、,对于横截面二，测试波高H=4.818.8cm，ht=（0.261.84）H，相关实验数据如表二所示（H/L=1/20）。对于不规则波的测试，表一和表二中的测试波高也是有效波高Hs（Tp=1.1T,Hs/L=1/20）。2.2测试方法与稳定性标准 测试包括两部分：规则波测试与不规则波测试，前者作为主要部分，测试致力于给出一个关于护脚棱体稳定性参数影响的系统的研究，例如波高，水深。首先，固定水深ht和h，并且找到临界稳定性处不同护堤石所需的合适波高，然后改变水深，进行一系列的测试。在我们以往关于规则波与不规则波的测试中，做了一个关于不同波陡度对脚趾稳定性影响的比较研究。测试结果是：对于规则波，当

9、波陡度分别是1/15,1/20,1/25时，平均的临界波高比例是1.09:1.0:0.96,对于不规则波，当波陡度Hs/L是1/15,1/20,1/25时，临界稳定性时Hs的比例为1.03:1.0:0.97，在浅水处，波陡度H/L一般介于1/20到1/15之间，有小幅度变化，所以在这个范围内的测试表明波陡度变化对H/Dn50的影响通常小于5%，参考显示波陡度对稳定性没有影响或影响很小的其他测试结果，在测试中将H/L固定为1/20.在规则波测试的基础上进行了不规则波测试。通过查找在波浪冲击下脚趾结构临界稳定性的参数，并且依据规则波与被不规则波对脚趾结构影响的不同之处，我们做了一个比较。对于不规则

10、波，我们使用了JONSWAP光谱（=2.3），对于脚趾块石稳定性，米尔和Gerding制定的标准被分成了四类：1. 良好稳定性：护堤石没有移动或有轻微震动，但是没有发生移位和滑落。2. 较好稳定性：护堤石移动；一块或两块石头滑落或被向上推动，但是脚趾结构保持着最初的形状。（<3%损坏）3. 临界稳定性：一些护堤石移动或滑落；斜坡平动一点，但在持续的波浪作用下，脚趾结构没有继续的损坏，并且保持着它的功能，继续支撑着护面层（3%10%损坏）。4. 失败：大量的石头移动，滑落；脚趾结构不能保持着它的最初形状，无法继续支撑护面层（>10%损坏）。 3. 规则波测试3.1测试结果 为了确保测

11、试结果的准确性和可靠性，在最靠近近临界损坏的波高的条件下，进行了不同重量石头的一系列测试。 表三显示了关于在横截面1时，不同石头临界损坏时的波高的测试数据。表中，同一块石头的两个相邻数据表示有两组波高对脚趾结构的损坏都是介于3%到10%。在我们的分析中使用了平均的概念。表四是从横截面2得来的实验结果。3.2规则波测试结果分析 为了验证米尔和Gerding的观察结果和我们实验数据的分析，两边的变量可以看做坐标参数，测试数据也用来检验它们是否满足等效线性关系。 在规则波测试中，米尔公式能包括两种横截面下的临界稳定性的相关数值，关系显示在规则波作用下应用米尔公式来计算石头的重量是安全的，即使在图三中

12、可以看出每种类型石头的稳定性趋势，然而关于不同重量石头的测试结果却是分散的。从图四中可以看出，即使一些测试数据超出了Gerding公式的计算范围，但是该公式还是能令人满意的归纳出不同重量石头的稳定性数据。Gerding公式包括了两组测试横截面的相关数据，所以Gerding公式能满足规则波作用下脚趾结构稳定性的要求。测试表明，与米尔公式相比，Gerding公式更贴合我们的实验数据。然而，无论是Gerding公式还是米尔公式都没有考虑到护面层粗糙度和渗透性对稳定性的影响。通过对来自两种测试横截面的测试数据对比显示，来自横截面2的实验数据更接近公式的临界线，并且横截面2的稳定性比横截面1低。测试结果

13、也显示拥有粗糙度更大，渗透性更强的护面层能导致波浪更加强烈的冲击斜坡以及“核心”，从而引起波能损耗，而且，弱一点的波浪将会被护面层阻隔，水流速度将会严重变小，最终减弱了脚趾结构的损坏，脚趾结构和护面层之间的关系就是相互支撑，一起抵制波浪的冲击。测试也反映了相对水深ht/h对脚趾稳定性的影响。在Gerding坐标系中，当在一个测试横截面中ht/h保持不变，那么不同重量的护脚棱石测试点可以表现出一种很好的线性关系，当ht/h变化时，测试点形成一个直线族。我们可以这样假设，当ht/h从0增长到，直线上点的切线斜率也趋于从0到。当Nod=2时，在Gerding坐标系中，测试的斜率也满足双曲正切关系，正

14、因为护面不同的耗能能力，曲线能更好的满足块石护坡横截面的测试点相连。当ht/h>0.3时，在规则波作用下，测试点可以通过一条直线相连，然而当ht/h<0.3时，斜率太小，将会导致偏差，当ht/h保持不变时，不同石头的测试点在图中将不再收敛，表明仍然有一些影响因素未被包含在公式中。例如，石头尺寸的增长不能导致护脚棱体长度的增长，这将会影响护脚棱体损坏的相关统计，当地的波浪作用点，防波堤前的波形。当ht/h从0增长时，在Gerding坐标系中，一样的石头在同一个测试横截面的测试结果表现为非线性，从图4中，我们可以看到，ht/h越大，石头重量越小，那么测试线就会越接近线性关系，我们也可以

15、看到，当其他因素保持不变的时候，石头重量越大，临界稳定性的相关点就会离Gerding临界稳定性的相关点越近。 4.不规则波测试 基于规则波测试的测试结果，我们进行了不规则波测试。测试结果显示，不规则波系列Hs对脚趾结构的影响比规则波系列相应的波高度下更大。通过对石头的不同参数以及Hs的组合，我们进行了组测试来发现波浪和石头参数对脚趾结构的损害程度在3%到10%之间。在测试中加入了H=18.4，测试结果如图表5所示，保留三位有效数字的Hs是两组相邻波高的平均值。为了组合方便，也在表5中列出了在规则波测试中得到的临界稳定性时的波高。显然，不规则波测试结果和米尔公式相差很多，所以米尔公式不能表示在不

16、规则波作用下脚趾结构的临界稳定性。这也意味着不规则波对脚趾结构的影响更大。 不规则波的测试结果大体上可以证明Gerding公式，然而，不规则波的Hs等于规则波的波高，对于两种测试横截面来说，它对护脚棱石的影响大于规则波。这是因为，不规则波系列中大的波浪要大于Hs，而且，大部分的大波浪都会在斜坡式防波堤的底部或者是护脚棱体结构打破，导致对护脚棱石一个额外的冲击，另一方面，在斜坡式防波堤上规则波的作用点是固定的，即使波浪直接作用在脚趾结构上，除了对脚趾结构的部分损坏之外基本的稳定性仍然可以保持。但是不规则波在脚趾结构上的作用点是不断变化的，这就导致了一连串的石头移动以及稳定性的丧失。 从图6中可以

17、看出，即使两条测试曲线大体上切合Gerding公式，比番茄两条测试曲线尾端的数据趋于接近，但是曲线中间的测试数据是分开的，这就表明，对于一个特殊的横截面的稳定的规律性，尤其是在中低水位处，是变化的。对于不规则波，由于人工块石护面的表面糙度和渗透性，斜坡堤底部的护脚棱体比护堤块石要安全得多。不规则波的测试曲线位于比Gerding公式线更低的位置。块石斜坡与人工块体斜坡的结果是相反的。一大部分的测试曲线是位于Gerding公式线左上方，当ht/h比例小的时候，无论波浪是直接影响还是或多或少的被打破，然后作用到脚趾结构上，都与护面的组成无明显关系。两种测试横截面的测试结果几乎是一致的，当ht/h很大

18、时，在水体的保护下，护面支撑脚趾结构的功能被大大减弱。两种测试横截面的测试结果趋于接近。一个有关测试结果的分析表明，当h很小的时候，入射波高度将会被水深影响；当h很大的时候，水体会保护脚趾结构。所以在中低水深处（ht/h=0.30.7),波浪会对脚趾结构产生最严重的损坏。如图六所示，对于横截面2的测试结果反映出了这一特点。增强护面的消浪性能能有效的保护脚趾结构，加强脚趾结构稳定性。对于横截面1的测试结果反映出了这一特点. 5结论 在测试以及对测试结果分析的基础上，我们可以得出以下结论：1. 在规则波作用下，斜坡式防波堤的脚趾结构稳定性可以通过米尔公式或者Gerding公式计算。相对地，米尔公式的计算结果误差较大，而Gerding公式的计算结果误差较小。2. 对于不规则波，与规则波的H对比，模型测试结果表明，与相应的规则波相比，不规则波会对脚趾结构产生更严重的损坏。3. 当相对水深ht/h介于0.3到0.7之间，因为脚趾结构缺少