新型消浪护面块体试验成果与分析

1）双联块体参数测试试验

测量断面布置如图3-7所示。

（1）形状系数c。按照式（3-1），再通过模型上测量摆放该块体的厚度（选取断面不同位置），从而反推c，计算得到c=1.524。

式中　h——护面层厚度（m），在模型上分别测量断面不同位置护面层的厚度，结果见表3-3；

γb——块体材料的重度，取23.0 kN／m3；

W——单个块体的稳定质量，取8 000 kg；

——护面块体的层数，取1。

图3-7　水槽内模型断面布置

表3-3　护面层厚度

（2）每100 m2护面块体个数N。由提供破坏工程设计断面图，统计其面积为S=L×B=42.495，且按照试验比尺转化模型值为1.416 5 m2。模型上经多次摆放，结果见表3-4。由表结果可知，模型上摆放块体数最多为333个，最少为308个。转化成原型值，每100 m2护面块体个数N平均为25.18个。

表3-4　摆放块体数量

（3）块体空隙率P′。按照式（3-2），利用通过上述计算得到的N和c，反推得到P′=62.23%。

式中　N——人工块体数；

W——单个块体的稳定质量，取8 000 kg；

γb——块体材料的重度，取23.0 kN／m3；

——护面块体的层数，取1；

c——块体形状系数，计算得1.524；

P′——护面层的空隙率。

由上述N的计算结果，可推求P′，结果见表3-5。

表3-5　空隙率

（4）块体混凝土用量Q。双联块体混凝土用量Q的测定，按照下式：

式中　Q——为人工块体混凝土用量；

N——人工块体数；

W——单个块体的稳定质量，取8 000 kg；

γb——块体材料的重度，取23.0 kN／m3。

由此可得破坏修复工程设计断面双联块体的单个块体混凝土用量为87.6 m3。

（5）糙渗系数KΔ。推算方法：在断面迎浪侧护面分别采用不透水板（查相应规范得出其糙渗系数KΔ=1.0）和双联块体进行对比试验，如图3-8所示，同时保证整个试验过程中堤顶不产生越浪。观测在同一试验条件下（采用设计低水位，规则波作用）的波浪爬高，将两次得到的爬高进行比较，从而得出双联块体糙渗系数KΔ=0.45。

图3-8　不透水板护面断面（单位：m）

（6）稳定系数KD。对于KD的测求，试验条件选择在设计高水位，采用不同的H13%有效波高，在同一周期下进行试验。按照式（3-4），在已知块体质量W=8 000 kg时，反推求KD。在测量过程中堤顶（8.0 m高程）均有不同程度越浪，通过观测块体在波浪作用下所处的不同状态，计算得到不同KD，结果见表3-6。

式中　W——单个块体的稳定质量；

γb——块体材料的重度，取23.0 kN／m3；

γ——（海）水的重度，取10.25 kN／m3；

H——设计波高；

KD——块体稳定系数；

α——斜坡与水平面的夹角，cotα=2。

表3-6　双联块体KD试验结果

通过上述试验得到了双联块体的设计参数分别为：稳定系数KD在临界失稳时为20.04；形状系数c为1.524；块体空隙率P′为62.07%；糙渗系数KΔ为0.45；每100 m2安放块体个数N为25.18个。

2）破坏修复工程采用双联块体试验

按照防波堤破坏工程的实际需求，考虑到现场采用国外研发的块体会受专利限制，故使用已获得我国专利的双联块体，同时由于双联块体首次应用在“一带一路”建设的涉外工程上，该工程的重要性很高，因此开展了对双联块体的物理模型试验专题论证。

（1）设计断面试验。设计断面模型布置如图3-9所示。

图3-9　设计断面模型布置

在设计低水位、重现期为50年和100年的波浪的作用下，波浪最大爬高为8.0 m，波浪在双联块体表面破碎形成水花越堤，但未形成成片水体，越浪量很小。护底块石在波浪作用下有表面的少量块石随波滚动，在波峰作用下，有块石被推至双联块体表面，在波浪连续作用3 h（原型值，下同）后，计算其失稳率为1.26%，未丧失其护底功能，因此判定为稳定。对于护面的双联块体，由于靠海侧第一排块体没有受到支撑和掩护，其在波浪作用下被冲上护面表面，位移远大于1／2块体边长，因此判定为失稳。试验结果见表3-7，试验现象如图3-10和图3-11所示。

图3-10　波浪冲击护面块体产生越浪现象(www.xing528.com)

图3-11　设计低水位，第一排双联块体滚落失稳

为了解高水位双联块体进一步的失稳程度，继续进行设计高水位和极端高水位、重现期为50年和100年波浪作用下的试验，此时堤顶存在较大的越浪，测量最大水舌厚度为1.40 m，平均为0.78 m，越浪量为0.12 m3／（m·s）；对于港侧高程为3.5 m的200～300 kg块石戗台，在越浪流作用下很快被冲毁，最终导致其上部双联块体滚落失稳（图3-12）；400～600 kg护底块石由于堤前水深增加，坡脚棱体块石稳定。对于护面的双联块体，与设计低水位相同，由于靠海侧第一排块体没有受到支撑，波浪作用下向港侧方向有滚落，因此判定为失稳。

图3-12　设计断面双联块体失稳

针对港侧戗台位置200～300 kg块石失稳，试验中进行了修改，首先在该位置铺设栅栏板（规格为长×宽×高=6.0 m×4.8 m×0.55 m），通过试验发现栅栏板仍被冲至海侧而失稳；试验中对此进一步修改，结合现场踏勘及堤顶越浪情况，在该位置铺设0.9 m厚的混凝土板，在波浪连续作用后，混凝土板稳定，港侧块体稳定，如图3-13所示。

图3-13　港侧戗台位置铺设栅栏板冲刷失稳

针对靠海侧第一排双联块体失稳，试验中采用将400～600 kg护底块石加高至双联块体厚度一半位置，如图3-14所示。在波浪连续作用3 h后，块体稳定，断面其他各部分在波浪连续作用3 h后也均稳定。试验结果见表3-7。

图3-14　400～600 kg护底块石加厚调整方案

表3-7　设计断面试验结果

由修复方案设计断面结果可知，设计断面存在失稳，采取一些调整优化后，断面均能保持稳定。因此以下对比试验，试验断面均采用调整优化后稳定的断面进行试验验证。

（2）优化断面试验。依据试验内容与要求，断面护面块体分别采用扭王字块体B型和双联块体进行对比试验，观测其波浪爬高、越浪及稳定性等消浪效果差异，两种块体的消浪效果通过测量两种块体护面断面在相同波浪作用下，堤顶所产生的越浪量和堤后产生的次生波高大小进行衡量。堤后次生波高测量测点布置如图3-15所示。

①护面采用扭王字块体B型。

优化后断面模型布置如图3-16所示。

图3-15　堤后次生波高测点布置

图3-16　优化后断面模型布置

在设计低水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，与原设计断面相同，波浪最大爬高至8.0 m高程，且大波在护面块体表面破碎形成水花越堤，但未形成成片水体，即未形成堤后次生波，如图3-17所示。护底块石在波峰作用下，块石被冲至扭王字块体护面的表面，波浪连续作用3 h后，护底块石端部坡度变缓至1∶4，计算其失稳率为1.76%，未丧失其护底功能，因此判定为稳定。对于护面的扭王字块体，由于靠海侧坡脚第一排块体受到护底块石的掩护和支撑，波浪连续作用后，未发现块体有位移，因此判定为稳定，断面其他各部分也稳定，试验结果见表3-8。

图3-17　波浪破碎形成溅浪

表3-8　优化断面试验结果

在设计高水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，堤顶存在较大越浪（图3-18），测量此时最大水舌厚度分别为0.89 m、1.04 m，平均分别为0.38 m、0.46 m，越浪量为0.058 1 m3／（m·s）、0.073 3 m3／（m·s），堤后次生波在P1、P2测点波高分别为H13%=0.83 m、0.44 m和H13%=0.98 m、0.51 m。护底块石随着堤前水深增加，波浪作用下仅有个别随波滚动，计算其失稳率为0.36%，因此判定块石稳定。对于扭王字块体，由于其表面散落了护底块石，从而使块体更加稳定。试验结果见表3-8。

图3-18　大量水体越堤

在极端高水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，与设计高水位相比堤顶存在更大越浪，测量此时最大水舌厚度分别为1.56 m、1.82 m，平均分别为0.72 m、0.88 m，越浪量分别为0.094 m3／（m·s）、0.113 5 m3／（m·s），越浪形成堤后次生波在P1、P2测点波高分别为H13%=1.10 m、0.60 m和H13%=1.21 m、0.69 m。与设计高水位相同，随着堤前水深增加，波浪对护底块石作用减小，块石稳定；波浪连续作用于扭王字块体，未发现存在位移，判定为稳定。试验结果见表3-8。

②护面采用双联块体。

双联块体优化断面模型布置如图3-19所示。

图3-19　优化断面模型布置

在设计低水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，与扭王字块体护面时相同，波浪最大爬高至堤顶后破碎，仅有少量水花越堤，如图3-20所示。400～600 kg护底块石在波浪冲击作用下，块石也被冲至双联块体表面，在波浪连续作用3 h后，护底块石坡度变缓，坡度接近1∶4，计算其失稳率为1.83%，未丧失其护底功能，因此判定为稳定。与护面的扭王字块体稳定性相同，由于靠海侧坡脚第一排块体受到400～600 kg护底块石掩护和支撑，波浪连续作用后，未发现块体有位移，因此判定为稳定，断面其他各部分也稳定，试验结果见表3-9。

图3-20　波浪破碎形成溅浪

在设计高水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，在堤顶有较大越浪（图3-21），测量此时最大水舌厚度分别为0.80 m、0.92 m，平均分别为0.30 m、0.45 m，越浪量分别为0.051 m3／（m·s）、0.061 7 m3／（m·s），越浪形成的堤后次生波在P1、P2测点波高分别为H13%=0.79 m、0.44 m和H13%=0.86 m、0.51 m。对于400～600 kg护底块石，与扭王字块断面相同，随着堤前水深增加，仅有个别随波滚动，计算其失稳率为0.23%，因此判定为稳定。双联块体在波浪连续作用3 h后，未发现其存在位移，因此判定为稳定。试验结果见表3-9。从上述越浪测量的结果可知，双联块体的消浪效果要好于扭王字块体。

图3-21　大量水体越堤

表3-9　修改断面试验结果

在极端高水位、重现期为50年和100年的波浪作用下，与扭王字块体断面相同，堤顶有很大越浪，测量此时最大水舌厚度分别为1.31 m、1.63 m，平均分别为0.53 m、0.62 m，越浪量分别为0.073 3 m3／（m·s）、0.084 8 m3／（m·s），越浪形成的堤后次生波在P1、P2点波高分别为H13%=0.97 m、0.48 m和H13%=1.05 m、0.54 m。波浪连续作用3 h后，断面各部分均稳定。试验结果见表3-9。

3）双联块体与扭王字块体比较分析

根据上述试验结果，将双联块体与扭王字块体的安放块数、越浪情况等进行对比，对比结果见表3-10。从对比的结果可知，在具体条件下，双联块体的表现优于扭王字块体。

表3-10　扭王字块体与双联块体对比情况

试验结果显示：在稳定性方面，两种块体性能相当，但在减浪消能效果方面，双联块体具有明显优势。双联块体单层随机安放两年后，未见损坏，块体性能得到证实。以上比较说明，无论是室内试验结果还是实际工程使用效果，我国研发的双联块体性能都达到了世界先进水平。

4）通过物模型试验，测得双联块体的主要设计参数

稳定系数KD在临界失稳时为20.04、形状系数c为1.524、块体空隙率P′为62.07%、糙渗系数KΔ为0.45、每100 m2安放块体个数N为25.18个，8 000 kg重块体混凝泥土用量Q为87.6 m3。

5）在破坏修复工程采用双联块体的实际结果

（1）设计断面。在重现期为50年和100年的波浪作用下，8 000 kg双联块体坡脚个别移动、港侧200～300 kg块石失稳，断面其他各部分均稳定。

（2）优化断面。在重现期为50年和100年的波浪作用下，8 000 kg扭王字块体B型与8 000 kg双联块体护面对比试验中，断面各部分均稳定；低水位堤顶不越浪，但高水位均存在较大越浪，且扭王字块体B型护面断面面积大于双联块体护面面积。在极端高水位、重现期为100年的波浪作用下，最大水舌厚度为1.82 m，平均为0.88 m，越浪量为0.113 5 m3／（m·s），越浪形成堤后次生波P1、P2位置H13%=1.21 m、0.69 m。

（3）通过对双联块体与扭王字块体在消浪、爬高、越浪及每100 m2安放个数等方面进行的对比表明，在本项目中双联块体的性能优于扭王字块体。