1）工程概述
图3-40 防波堤修复前后对比
印度尼西亚GAMA集团的KARANG TARAJE码头工程位于爪哇岛南岸西侧Baya附近的Clietuh岬湾内，岸线走向为西南-东北向，距离雅加达约100 k m左右，距离东侧的Ratu港约35 k m（图3-41）。建港的主要目的是用来建立具备全年大型船舶装卸货作业能力的掩护型码头，以供后方水泥厂生产使用。本工程位置直接面对印度洋。工程区位于南半球赤道无风带，波浪表现为长周期涌浪，根据爪哇岛南岸相关工程实测结果，波浪平均周期为12 s左右，主要来浪方向集中在南～南西南向之间，波浪条件恶劣。本项目为出运码头配套工程，主要内容包括工厂建设时进口设备的重件码头、三万吨级出运泊位及相应的防波堤航道等设施的建设。
图3-41 KARANGTARAJE港工程位置示意图
防波堤一期工程拟建长度为550 m（图3-42），采用斜坡式结构，堤头部分（3TH）的长度为50 m，堤身采用两种尺寸的护面块体，临近堤头部分（2TH）的堤身长度为100 m，其余堤身结构（T2）的长度为400 m。原设计方案中，堤头部分两侧及堤顶均为24 000 kg双联块体结构，护面块体坡脚处采用两层12 000 kg双联块体作为压脚，第一层为4排，第二层为3排；2TH的堤身海侧采用18 000 kg双联块体，海侧坡脚及护底结构与堤头部分相同；第二段堤身（1TH）采用12 000 kg双联块体护面，该结构与第一种堤身结构基本相同。各部分结构如图3-43～图3-45所示。
图3-42 工程防波堤布置图
2）自然条件
（1）风况。
根据BMKG（badan meteorologi klimatologi dan geofisika）气象站的资料显示，当地平均风速在2.6～5.1 m／s，7、8月间的最大风速可达5.1～10.3 m／s。另外，参考Witteveen+Bos《Karang Taraje Port Basic of Design》中基于距本区西南约270 k m的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）在1992—2010年的统计资料，拟建工程区的风况统计如图3-46所示，印度洋风向以南至东向（120°）为主，其最大风速18 m／s来自西西南（270°～300°）。
另外，本次研究还参考了西爪哇Baya海岸自2006年至今的相关统计资料，各季节风向主要集中于东南与西北向，频率分布比较集中。
图3-43 防波堤堤头断面结构图（3 TH，单位：m）
图3-44 防波堤堤身断面结构图（2 TH，单位：m）
图3-45 防波堤堤根断面结构图（1 TH，单位：m）
图3-46 风玫瑰图
（2）波浪特征。
根据BMKG在2005—2011年的统计资料显示，1—3月和6—12月的平均波高在2.0～3.0 m，4—5月的最大波高为2 m。另外，参考Witteveen+Bos《Karang Taraje Port Basic of Design》报告，由SWAN模型计算得到的KARANG TARAJE近岸四个位置的波浪条件所对应的四个重现期波高结果见表3-17。
表3-17 基于SWAN模型计算得到各点不同重现期波高结果
本次研究在工程海域20 m水深的位置布置了短期波浪测站，以测量波高、周期及波向等，为期三个月。实测期间，拟建工程区及周边波况如图3-47所示，由图可知，拟建进港道路近岸区水域水面相对平静，其外侧约500 m附近礁石浅点处有浪花破碎，河口两侧及再远处近岸波浪则明显加大，沿岸破波带明显可见，与拟建工程区水域形成鲜明对比。
拟建防波堤堤根附近（图3-48、图3-49）由于临近岬头，因此近岸波浪略有增大，岸边基岩礁石处主要受破碎波影响。其邻近的岬头区是主要的波能辐聚点，波浪较强，礁石间的溅浪随处可见，踏勘期间最大溅起浪花高度可达2 m以上，岬角沿岸向东南侧近岸由于直接面向开敞外海，亦是波能聚集区，波浪动力较强，波高和破碎带均较大。
图3-47 拟建进港道路附近水域波况（镜头方向西北）
图3-48 拟建防波堤堤根附近水域波况（镜头方向北西北）
图3-49 岬头及其西南侧附近水域波况（镜头方向南东南）
现场实测及踏勘期间，另一处波浪相对较大区域集中在拟建工程以北的河口附近（图3-50）及河口以西的沙滩，尤其由于该沙滩相对平直、宽广，不受岬湾掩护而直接受到来自西南向外海大浪的直接作用，常年波浪强烈，其最大破波带宽度可达400 m以上。
图3-50 河口附近水域波况（镜头方向西南～西）
由上述分析可见，拟建工程区处于岬湾之内，受到岬头的掩护，但其邻近的岬头附近及北侧近岸的波浪较强，河口西侧尤甚（图3-51），因此拟建工程区所在岬湾海域也将受到一定程度的影响，研究分析中对波浪的动力不容忽视。
图3-51 河口以西海岸波况明显增强、破波带也更宽（镜头方向西）
根据2013年12月21日—2014年3月20日的波浪测量结果，绘制了工程海域实测波浪的波玫瑰图、T1／3和Tmax的分布图。从波浪测量结果看，工程海域的主波向为南西南向，实测有效波高和有效周期主要集中在0.5～1.5 m和8～12 s，最大波高Hmax和谱峰周期Tp主要集中在1.0～2.5 m和12～15 s。
3）块体应用情况
（1）试验研究。
①三维稳定性试验研究。根据防波堤设计的需要，在不同水位重现期为50年的波浪作用下，验证防波堤堤头块体的稳定性；在重现期为50年及1年的波浪作用下，观测波浪越浪情况，并根据试验结果对防波堤堤头结构设计提出修改建议，为设计提供科学依据。
三维整体稳定试验采用正态模型，模型按重力相似准则设计。根据试验要求，结合试验场地及设备情况，模型选用几何比尺λ=39，时间比尺为λt=6.24。试验主要针对防波堤堤头来进行，模型模拟了堤头和堤身长度共为240 m，模型所用各种块体及块石质量见表3-18。试验中所用块体如图3-52所示。(www.xing528.com)
表3-18 模型所使用各种块体和块石质量
护面块体采用不同颜色组合摆放，以便于试验观测。块体摆放按照方案设计要求，双联块体为单层随机摆放。摆放过程如图3-53所示。
堤头段稳定性：在极端高水位、重现期为50年的波浪作用下，大部分波浪于堤头及堤身海侧斜坡上发生破碎，破碎波水体冲击堤身护面块体，尤其在堤头处出现破碎波水体绕流。经过6 h波浪作用，堤身及堤顶护面块体均稳定；原设计采用的双层12 000 kg双联块体护脚结构在波浪作用下，海侧坡脚第一排上层块体发生滚落；在设计高水位、重现期为50年的波浪作用下，试验现象与极端高水位条件下基本相同；在设计低水位、重现期为50年的波浪作用下，波浪对防波堤作用明显小于高水位时的情况。
图3-52 模型中使用的双联块体
图3-53 摆放过程
堤身段稳定性：在试验中堤身段（2TH）在高水位发生越浪，越浪水体冲击堤身港侧护面块体，造成坡肩及斜坡上部部分块体发生滚落。越浪水体少于极端高水位时的越浪水体。试验现象如图3-54和图3-55所示。
通过三维稳定物理模型试验，可以得到如下主要结论。
堤头（3 TH）采用24 000 kg双联块体作为护面结构，在不同方向、水位及不同重现期的波浪作用下，坡面及其以上部分可保持稳定；堤脚采用双层12 000 kg双联块体作为压脚结构，在波谷作用下第二层前排块体会滚至海侧，无法满足护脚功能。2TH段海侧采用18 000 kg双联块体可保持稳定，但其堤脚压脚结构与堤头相同，同样无法满足稳定性要求；在高水位波浪作用下，由于越浪作用，堤身港侧900～1 800 kg垫层块石发生滚落。
图3-54 极端高水位、重现期为50年的波浪作用情况
图3-55 高水位波浪作用下的堤身段越浪现象
由试验得到的结果对压脚结构进行修改，3TH段及2TH段均采用双层18 000 kg双联块体，在双联块体前采用900～1 800 kg垫层块石形成抛填棱体，将港侧护面垫层块石质量修改为2 000～2 500 kg。经过试验，修改后采用单层护脚结构稳定，同时堤身段港侧护面垫层块石在越浪作用下仍有滚落，但经波浪连续作用未丧失护面功能。
②二维断面稳定性试验研究。根据试验场地、现有块体质量及试验要求，模型试验比尺为34、时间比尺为5.83、力比尺为39 304、单宽流量比尺为198.25。
模型中12 000 kg、18 000 kg双联块体采用水泥铁粉配制，质量误差与尺寸误差均满足试验规程的要求。模型中各种块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内，完成成品如图3-56所示。
图3-56 模型中的双联块体
防波堤堤身断面稳定性：依据试验技术要求，进行断面模型试验，在设计低水位、重现期为50年的波浪作用下，因波谷形成波吸力，导致海侧坡脚双层摆放的12 000 kg双联块体表层块体滚落失稳；高水位、长周期波作用时，波浪爬高后形成越浪，越浪产生的越浪流直接将混凝土路面下方毫无勾连的900～1 800 kg垫层块石冲刷破坏，从而导致上方路面破坏；港侧堤后坡18 000 kg双联块体垫层块石易被冲刷而堆积。最终通过多次优化调整后得到了稳定防波堤断面，试验结果见表3-19，试验现象如图3-57所示。
表3-19 波浪作用下堤身断面各部分稳定性结果
防波堤堤根稳定性：在各水位、重现期为50年的波浪作用下，断面海侧坡脚双层摆放的12 000 kg双联块体有滚落，统计最大失稳率为7.81%。高水位时，越浪流对堤后900～1 800 kg垫层块石冲刷致使少量块石滚落，主要滚落区域在与路面连接位置，未见有堤心石暴露，但部分位置块石滚落后变单层，因此判定为临界稳定。堤后坡港侧12 000 kg双联块体垫层块石被透浪冲击而堆积在路面下方。最终通过多次优化调整后得到稳定的防波堤断面，试验结果见表3-20，试验现象如图3-58所示。
图3-57 高水位、重现期50年波浪作用下的波浪越堤现象
表3-20 波浪作用下堤根断面各部分稳定性结果
（2）工程现场。
双联块体的制作见3.3.2节。
对于防波堤护面的施工，根据现场实测数据和收集的资料表明，印度尼西亚常年处于强浪环境，长周期波浪的出现具有随机性，与潮汐表无直接关系，因此无法准确预测。在印度洋海域的常年强浪环境下，大型的施工船舶如大型开体驳、定位船均无法使用。通过借鉴国内港池小开体驳定位抛填的施工模式，采用浮标定位与小型开体驳联合施工的水上抛填模式，有效克服了强浪环境的不利影响。
图3-58 高水位波浪作用下的堤顶越浪现象
小型开体驳的容量仅为45 m3，通过工程的检验，发现波高在1.8 m下，小型开体驳具有良好的适用性，而4艘开体驳日最大抛填量达100船次，容量约4 000 m3。如图3-59所示，小型开体驳装载完成自航至需抛填区域，根据竹竿浮标定位标识，放慢航速进入开体驳抛填船位区进行卸载，施工时根据船舶航行速度及相关海况做好提前量控制，以确保块石能够抛填至指定区域内。在季风期水流较急、大浪出现频次较高的情况下，小型开体驳每月仍有大部分时间可以进行作业，填补了季风期陆上不能施工所带来的工期损失。
图3-59 小型开体驳的施工作业
浮标定位与小型开体驳联合施工的水上抛填模式可以应用于堤心石、二片石和护底石的抛填，在常规水上抛填无法施工的强浪环境下，此方法极大地减缓了陆上推填压力，加快了防波堤推进速度。
防波堤施工完成部分情况如图3-60和图3-61所示。
图3-60 防波堤堤根施工
图3-61 防波堤堤头施工
双联块体的工程应用主要在于“一带一路”海外工程，工程均面对印度洋，波浪条件十分恶劣和复杂，且缺乏长期波浪观测及大范围的风、浪预报资料，通过“分析波浪条件→确定工程方案→模型试验验证→工程实施→现场观测”等综合手段，双联块体成功地应用于工程中，保障了其所应用港口的正常运行，填补了我国在异型消浪护面块体应用方面的空白，打破了国外护面块体的专利垄断，完成了对双联块体研究路线中的工程应用环节。
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