stem波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究

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1、第34卷第6期水道港口Vo1．34No．62013年l2月JournalofWaterwayandHarborDeC．2013STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究张慈珩，陈汉宝，耿宝磊，张维(交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)摘要：文章通过对规范公式、断面物理模型及三维物理模型试验结果的对比，对STEM波作用下护面块体的稳定性进行验证，分析失稳原因，提出加强稳定性的措施。通过不同手段得到结果的对比，三维模型试验对表现复杂波浪对结构物的影响效

2、果较好，得到的结果远大于公式计算和断面模型试验结果，可以有效保证工程安全。关键词：三维物理模型试验；扭王字块；稳定性；STEM波中图分类号：Tv139．16；U656文献标识码：A文章编号：1005—8443(2013)06—0488—05波浪在建筑物附近传播，当来浪方向与直立式建筑物呈小于一特定角度入射时，波浪会沿直立表面形成STEM波，而不发生常规的反射_1]。STEM波在沿结构传播过程中波能迅速积聚，表现出来的波高及影响范围也随着传播距离的增加而加大。根据现有研究成果，STEM波的波高可达初始入

3、射波高的两倍以上引，这种波浪如果遇到两种结构形式相交突起或结构边缘处会发生破碎，破碎波浪冲击作用强烈，严重威胁结构的稳定性。随着目前港口建设向深水化发展，为建设成本、施工方法考虑，深水岛堤、码头、引堤等越来越多的采用不同深度多种结构分段的复合形式，如防波堤在深水采用直立复合结构而在浅水采用斜坡式结构，如此设计就会出现直立和斜坡两种结构相交的部分，在特定波浪入射角度下，STEM波的出现会成为工程中的危险因素，尤其在两种结构相交处的斜坡堤段，STEM波会对护面结构形成很大冲击。在目前港口工程设计中，斜坡式

4、结构护面块体稳定性的判断一般通过公式计算或波浪断面物理模型试验确定[引，但这两种方法均有其局限性：规范公式可以对计算波高参数进行调整，但无法反映斜向入射波浪破碎后破波水流对块体的作用；而在断面物理模型中，受造波限制，有可能很难复演出STEM波的波高，进而无法准确模拟该类波浪作用。因此在针对诸如防波堤堤头、转角或结构相接处等复杂情况下的结构稳定性的判断时，采用三维波浪模型是十分必要的。l对于STEM波的研究之前多集中在数学模型模拟上，对I其对结构稳定性影响的研究并不多见l7_]。本文依托烟台西I港区码头

5、起步工程的相关模型研究，由于其特殊的工程布置，在试验中出现了STEM波对斜坡式结构护面结构的冲击，为该类问题的研究提供了很好的素材，在本文中对STEM波作用下防波堤护面块体的失稳原因以及强化其稳定性的优化措图1STEM波示意图施进行研究，并与常规断面试验和相关公式计算结果对比，论Fig．1SketchofSTEMwave收稿日期：2012—09—26；修回日期：2013—02—21作者简介：张慈珩(1981一)，男，天津市人，助理研究员，主要从事波浪数学及物理模型试验工作。Biography：ZHAN

6、GCi—heng(1981-)，male，assistantprofessor．2013年12月张慈珩，等STEM波作用下斜坡式结构护面块体稳定性的物理模型研究491可保证稳定性要求。4主要结论与展望通过对本文中物理模型试验的研究，并结合规范公式计算结果对比，得出如下主要结论：(1)随着港KI向深水化发展，多种结构形式复合的工程布置形式越来越多，例如本文中列举工程的布置形式，多种结构形式复合结构物与岸线垂直或呈大角度相交，易出现STEM波，在规划布置阶段即应注意避免类似布置的出现。(2)STEM波的破

7、坏作用主要表现为两个方面，一是波能聚集形成了远超设计条件的波浪对结构物的直接冲击；二是冲击破碎后形成的高速夹气破波水体的冲击作用。(3)防止STEM波的破坏，应从不同方面对结构进行优化：首先应对STEM波的出现概率及可能的波高大小进行预测，此为进行块体防护的先决条件；针对块体稳定性除采用加大块体重量、优化坡度等直接增加块体自身的稳定性的方法外，还可通过沿直立结构修建潜堤丁坝或采用开孔沉箱等方法，防止波能积聚或促使其提前破碎，以减轻STEM波对结构的作用。(4)波浪传播及对建筑物的作用是一个十分复杂的过

8、程，采用常规的断面模型及公式计算，对常规情况可以得到比较可信的结果，但对本文中出现的复杂波浪情况，这两种方法得到的结果无法保证工程的安全，且与采用三维模型试验的结果存在较大的差别，因此在堤头或结构布置较为复杂的条件下，宜用三维稳定模型来判断工程结构的稳定性及安全性。参考文献：【1jMaseH，MemitaT，YuhiT，eta1．Stemwavesalongverticalwallduetorandomwaveincidence[J]．CoastalEn