惠州LNG码头工程西护岸波浪断面物理模型试验研究.pdf

第 卷第 期 年 月水 道 港 口 .收稿日期:修回日期:基金项目:天津市自然科学基金重点项目()作者简介:陈泽礽()男江苏苏州人博士研究生主要从事港口海岸及近海工程方面研究:().惠州 码头工程西护岸波浪断面物理模型试验研究陈泽礽文 涛张金凤张庆河(.天津大学 水利仿真与安全国家重点实验室天津.中交第四航务工程勘察设计院有限公司广州)摘 要:港口海岸工程中当护岸后方的防浪要求提高时合理利用原有护岸进行加固与改造更为经济 针对惠州某 码头工程西护岸的斜坡式结构进行物理模型断面试验通过在已有断面结构后方增设新防浪墙使其在满足稳定性与越浪要求的同时兼顾使用场地的集约性为护岸设计提供了科学依据 结果表明:在 一遇高水位与 一遇波浪要素组合条件下将贴近前防浪墙的 排 扭王字块换为 扭王字块后护岸可以同时满足稳定性与越浪要求 同时通过缩短前后防浪墙的间距直至 时断面依然满足越浪与排水要求该方案节省了后方陆域使用面积关键词:断面模型试验 护岸 斜坡式结构改造 防浪墙中图分类号:.文献标识码:文章编号:()护岸是海岸工程中常用于阻挡波浪、保护陆域的水工建筑物 当护岸的防护能力不能满足工程需求时需要对断面进行修复与改造 为了保证修复或改造后的护岸满足要求工程设计时一般采用数值模拟或物理模型试验的方法对设计断面、护岸的稳定性与越浪进行研究 例如蔡小红通过波浪断面物理模型试验为护岸设计、实施及安全使用提供依据耿聪和代英男进行了断面试验通过提高原断面的堤顶高程、加设弧形挑檐的设计使得优化后的断面能够同时满足越浪量与稳定性的要求邢晓峰综合使用了数值模拟与物理模型试验方法研究了改变防波堤构型的改进方法刘宪博开展了人工岛护岸典型断面物理模型试验并同时采用 软件对不同工况下斜坡式护岸堤顶越浪量及护面护底块石稳定性情况进行了分析邓夕贵等针对几内亚湾波浪周期长、波高大且波浪方向集中的特点对贝宁岛式防波堤进行物理模型试验得到了满足越浪与稳定性要求的方案 对以上的断面结构改进往往通过改变原断面的构型或加固原断面的方案来实现 王珍等认为为减小工程投资在保证工程安全的基础上应当减小堤顶高程、选择坡度较陡且护面块体小的方案 对于惠州某 码头工程西护岸的改造而言由于陆域面积较为珍贵改进断面的方式也应尽可能减少占用陆域面积 本文拟采用断面物理模型试验方法对提出的断面改进方案进行试验与优化进而确定适用于惠州某 码头工程西护岸斜坡式护岸的设计断面 工程概况.工程背景惠州某码头工程建设规模包含 座 万 级液化天然气泊位接收站陆域范围内已建护岸长约 为满足接收站防护要求掩护 储罐需在原始断面基础上对其进行加固及加高改造.试验水位与波浪条件)试验水位水 道 港 口第 卷第 期试验水位以当地理论最低潮面起算其中设计高水位、设计低水位和 一遇高水位分别为.、.和.表 试验水位与对应的波浪要素.波浪重现期水位/一遇.设计高水位.设计低水位.)波浪要素根据惠州 接收站项目配套码头工程断面物理模型试验技术要求试验中考虑波高重现期为 一遇的 方向波浪各试验水位下对应的波浪要素见表.原始断面结构原西护岸的断面结构见图 其中原泥面标高为.原有防浪墙顶部标高为.护岸外侧为常规式斜坡护面坡度为:.采用 扭王字块和 垫层块石设计厚度分别为.和.坡肩摆放一排扭王字块坡角摆放两排 采用 护底块石设计厚度为 坡脚处坡度为:堤心石料重量为 顶标高为.图 原始西护岸断面.试验设计与方法.主要设备与仪器本次断面物理模型试验在天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室的港口海岸工程实验室大型波流水槽中进行模型试验采用水槽的长、宽和高分别为 、和 水槽中装备有交流伺服电机控制的推板造波机造波波浪周期为.最大波高为.最大工作水深为.为了避免波浪二次反射从造波机推波板前 处开始水槽沿纵向分隔成两条宽.的水槽试验模型布设在其中一个水槽内水槽尾部设有抛石消波斜坡其消浪效果良好如图 所示 采用波高传感器与压力传感器分别对波高与挡浪墙的压力进行测量并通过数据采集仪进行有关数据的采集 平面图 立面图图 试验水槽示意图.模型设计和制作模型按重力相似准则及/水运工程模拟试验技术规范等相关规定进行设计模型试验几何比尺为:相应其他物理量的模型比尺见表 试验中各护岸断面的尺寸和高程均按设计 年 月陈泽礽等 惠州 码头工程西护岸波浪断面物理模型试验研究图纸进行模拟制作 试验所采用的棱体块石、护底块石均经过人工挑选并遵循上述规范 试验中块体的摆放方法亦与现场相似以保证达到正确的安放密度表 模型比尺.参数比尺长度比尺时间比尺.重量比尺 单宽越浪比尺.压强比尺.波浪模拟波浪模型试验采用不规则波进行试验波浪谱为 谱谱峰升高因子 .波谱模拟时总能量偏差控制在 之内/波高和平均周期的偏差均控制在 之内 不规则波以/波高和平均周期 控制条件进行波浪模拟 试验中连续作用 个波以上持续时间超过原型波浪作用 图 给出了 一遇高水位与 一遇 方向波浪条件下率波后实际谱曲线与理论谱的比较 两者有效波高误差为.平均周期误差为.且谱型差别较小 因此可以认为采用率波的波浪要素结果能够准确代表实际所需的波浪要素图 实际波浪谱与标准 谱对比.试验方法)护面块体稳定性判断采用目测和录像分析的方法连续观测 次波浪过程后护面块体、棱体块石及护底块石的稳定性 根据防波堤与护岸设计规范的规定扭王字块体的稳定性判别标准为:护面块体的失稳率为 即不允许有失稳情况发生 失稳率超过规定的容许失稳率即认为护面已破坏块体失稳率按下式计算()()式中:为失稳率为静水位上、下各 倍设计波高范围内护面块体的失稳数 为静水位上、下各 倍设计波高范围内护面块体的总数)块石稳定性判断连续观测 次波浪过程中护底块石的稳定性在波浪持续作用下观察块石护面形状的改变依据其表面是否发生明显变形、是否失去防护功能作出判断)挡浪墙稳定性判断当观测到挡浪墙在波浪持续作用下发生明显滑动或倾斜时判断为失稳 有微小位移(一般取模型值 )但在波浪持续作用下不再发展时判断为临界稳定不动或有轻微振动而无位移时判断为稳定)越浪量测定越浪量的测定采用不规则波进行试验在挡浪墙顶部放置接水装置收集、测量 个波列中发生的总越浪水量并计算出断面的单宽平均越浪量 单宽越浪量按以下公式计算()式中:为单宽越浪量单位/()为波列作用下的总越浪水量单位 为收集越浪量的接水宽度单位 为 个波列作用的持续时间单位 试验结果及分析.初始改进方案由于原断面结构不能满足后方防护要求考虑在原有断面基础上进行断面改造 本次试验的初始修改方案见图 在西护岸原始斜坡式防波堤后方 处设置新防浪墙其顶部标高为.个防浪墙中间回填堤心石料顶部进行路面硬化护岸外侧为常规式斜坡护面坡度为:.后防浪墙前有排水沟、后方为回填土水 道 港 口第 卷第 期图 西护岸断面初始修改方案.在设计低水位组合 一遇波浪条件、设计高水位组合 一遇波浪条件下护底块石、垫层块石、扭王块体均无移动胸墙无位移 上述两种设计水位条件下波浪最大上爬高度仍低于护岸的堤顶高程无越浪发生 因此以下重点关注 一遇高水位与 一遇波浪组合的情况 一遇高水位.时在 一遇.、.对应的不规则波浪作用下波高较大的波浪上爬并越过前墙出现越浪现象(图)前挡浪墙整体断面均出现大规模越浪单宽越浪量为./()满足设计要求 由于后防浪墙与前防浪墙的间距较远导致基本无越浪能够直接越过后墙同时越过前防浪墙顶的越浪在下落冲击前后两墙之间的陆域后虽然仍具有一定动能但后墙顶处采用了反弧形设计方法很好地掩护了后防浪墙后的陆域 前胸墙受波浪冲击较为严重但并未产生明显位移出现失稳部分扭王字块体发生来回晃动现象由上往下数第 排、由外侧向内数第 列处两块扭王字块体滚落(图)计算出失稳率为 .该设计断面在 一遇高水位与 一遇不规则波浪组合下胸墙稳定但扭王字块体出现滚落及摆动情况故护面块体稳定性不足图 初始改进方案 一遇高水位与 一遇波浪组合下的越浪现象.图 初始改进方案 一遇高水位与 一遇波浪组合下扭王字块体滚落(方框内).().最终方案影响越浪量大小的因素众多当波浪要素一定时护岸的结构型式、不同堤顶高程与坡肩宽度都将成为越浪量差异大的主要因素 对于前后防浪墙间距为 的初始方案后防浪墙后几乎没有越浪 为节省陆域面积可将后防浪墙前移通过缩短前后防浪墙间距进行试验并测量越浪大小试验结果见表 当前后防浪墙间距缩短为 时后防浪墙后越浪量为./()仍能满足设计要求 年 月陈泽礽等 惠州 码头工程西护岸波浪断面物理模型试验研究表 前后防浪墙间距变化时后防浪墙越浪量.前后防浪墙间距/后防浪墙越浪量/().根据上述试验结果最终的西护岸修改方案见图 该方案在原有防浪墙后方 处设置新防浪墙两防浪墙连接为整体并在二者之间浇筑混凝土路面 在极个别大波波峰抵达前墙时波浪破碎产生的波能对前墙有较大的推力从而可能会使防浪墙出现晃动或位移 而前后防浪墙进行连接后整体结构的重量足以满足稳定性要求 此外前后防浪墙连接后中间路面容纳的越浪会不断累积 因此在前防浪墙顶部每隔 开 宽的口用于及时排出两防浪墙之间的越浪开口示意图如图 所示 为保证护面块体的稳定性将贴近前胸墙处原 排 扭王字块更换为 排 扭王字块图 西护岸断面最终修改方案.图 胸墙开口示意图.图 开孔处排水瞬时.试验结果表明在 一遇高水位与 一遇不规则波浪组合条件下护面块体、胸墙等均保持稳定 一遇高水位与 一遇不规则波浪作用时后防浪墙处单宽越浪量为./()小于./()符合越浪要求 波峰抵达前防浪墙时带来越浪而波谷抵达时前防浪墙前的水位低于路面使得前后防浪墙之间的越浪能够快速从排水孔中及时排出(图)该方案将前后两防浪墙之间的陆域面积减小了 倍同时兼顾越浪要求以及胸墙稳定性 结论本文通过断面物理模型试验对原有西护岸断面进行合理利用与改造试验结果表明:)在 一遇高水位与 一遇波浪条件下初始改进方案断面的扭王字块掉落 块失稳率为.前防浪墙稳定产生越浪量为./()后防浪墙结构稳定无越浪 初始方案下扭王字块体的稳定性不能满足要求需进一步改进断面)将贴近前胸墙处原 排 扭王字块更换为 扭王字块 此外由于后防浪墙后的越浪量较小完全满足规范要求为节省陆域面积可将后防浪墙前移进行优化 将前后两个防浪墙连接并在前防浪墙路水 道 港 口第 卷第 期面层以上至墙顶处每隔 开设 宽的开口形成最终方案 试验结果表明:该方案断面结构稳定越浪量为./()两防浪墙间的越浪能够通过开口及时排出 与初始改进方案相比节省了约一半的陆域面积参考文献:李彦卿.与块石单元法耦合模型及宽肩台防波堤稳定性研究.天津:天津大学.孙一艳 柳淑学 张建侨 等.防波堤断面模型试验概述.中国水运 ():.邓夕贵 朱颖涛 谢守鹏 等.宽肩台防波堤稳定性三维物理模型试验研究.水道港口 ():.():.陈国平 周益人 严士常.不规则波作用下海堤越浪量试验研究.水运工程():.():.():.蔡小红.某人工岛护岸工程波浪断面试验研究.珠江水运():.耿聪 代英男.赣榆港区防波堤断面模型验证及优化设计.中国水运 ():.邢晓峰.核电站防波堤安全设计的改进研究.上海:上海交通大学.刘宪博.外海人工岛护岸堤顶高程及越浪量研究.长沙:长沙理工大学.邓夕贵 张亚敬 谢守鹏 等.几内亚湾长周期涌浪作用下岛式码头防波堤稳定性试验研究.水道港口 ():.():.王珍 吉红香 邱静.斜坡式防波堤护岸工程优化试验研究.广东水利水电():.交通运输部天津水运工程科学研究所南京水利科学研究院.水运工程模拟试验技术规范:/.北京:人民交通出版社.中交水运规划设计院有限公司.海港总体设计规范:.北京:人民交通出版社.中交第一航务工程勘察设计院有限公司.防波堤与护岸设计规范:.北京:人民交通出版社.(.):.: