長江12.5 m深水航道一期工程整治建筑物堤身新型構(gòu)件試驗(yàn)研究

佟德勝，畢琳，侯樹強(qiáng)，王海龍

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中國核電工程有限公司，北京 100840；3.東營港建設(shè)投資有限責(zé)任公司，山東 東營 257091）

1 概述

長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程包括潛堤、齒壩和護(hù)灘，潛堤總長約17.5 km，擬建處水深約為2.0～-11.5 m。為緩解大宗石料供應(yīng)難度，加快工程進(jìn)度，節(jié)省工程投資，其導(dǎo)堤、齒壩除采用傳統(tǒng)拋石斜坡堤外，還引入長江口深水航道治理工程所采用的混合堤結(jié)構(gòu)形式。新型構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)有半圓形空心構(gòu)件和齒形構(gòu)件等不同形式。

2 試驗(yàn)研究的依據(jù)和條件

2.1 試驗(yàn)水位與波浪

試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)水位（國家85高程，下同）及波浪要素具體可見表1，波向NW，重現(xiàn)期50 a一遇。

表1 設(shè)計(jì)水位及波浪要素Table 1 Thedesign level and wave parameter

2.2 波浪模擬

不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規(guī)則波試驗(yàn)中，按H1%波高和平均周期進(jìn)行模擬[1-2]。

3 不同新型構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式

1）齒形構(gòu)件及優(yōu)化：“齒形”構(gòu)件的設(shè)計(jì)創(chuàng)意來自河道整治建筑物中導(dǎo)堤與齒壩的整體布置形狀，中間的縱肋與導(dǎo)堤軸線一致，“齒形”構(gòu)件抗浪、減流和促淤固沙作用強(qiáng)，且整個構(gòu)件無需配置鋼筋，對預(yù)制場地要求不高，施工方便。此構(gòu)件適用于中等水深區(qū)，可按起吊重量要求設(shè)計(jì)構(gòu)件長度，可減少安裝數(shù)量。

齒形構(gòu)件采用混凝土制作，設(shè)計(jì)為“豐”字形對稱形塊體，墻體高度為3.50 m，底寬為6.00 m，縱肋寬度為1.50 m，單塊構(gòu)件縱長為6.00 m，兩側(cè)各有3個齒，齒高為1.00 m，單個構(gòu)件體積為66.6 m3，重量為159.84 t。

齒形優(yōu)化構(gòu)件由原齒形構(gòu)件“豐”字形，改為“╪”形，也為對稱形塊體，墻體高度由原3.50 m增加到4.00 m，底寬為6.00 m，縱肋頂寬為1.50 m，底寬為2.00 m；單塊構(gòu)件縱長為6.20 m，兩側(cè)各有兩個齒，齒高為1.00 m，單個構(gòu)件體積為64.858 m3，重量為149.20 t，相對于原單個構(gòu)件重量減少了10.64 t。齒形構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面詳見圖1，齒形優(yōu)化構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面詳見圖2所示。

圖1 齒形構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Structural section of the composite dike with tooth structure components

圖2 齒形優(yōu)化構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.2 Structural section of the composite dike with optimized tooth structure components

2）品字形空心構(gòu)件：品字形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，設(shè)計(jì)為“品”字形，墻體高度為5.00 m，底寬為8.00 m，頂寬為3.00 m，壁厚為0.40 m；底板橫向開長方形孔（1.10 m×1.30 m）3行，底板縱向開長方形孔3列；構(gòu)件迎浪側(cè)上部和下部結(jié)構(gòu)沿高度方向各設(shè)排氣孔2行，孔徑φ200 mm，縱向開2列，下部中間箱格各開排氣孔2行，分別前、后、上部箱格連通，其形式、孔徑、孔高均同迎浪側(cè)下部結(jié)構(gòu)；單塊構(gòu)件縱長為6.00 m，體積為73.63 m3，重量為184.10 t。品字形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面詳見圖3。

圖3 品字形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.3 Structural section of the compositedike with triangle hollow components

3）半圓拱肋空心構(gòu)件：半圓拱肋空心構(gòu)件受力小，抗浪性能好，且構(gòu)件強(qiáng)度與傳統(tǒng)半圓形構(gòu)件相當(dāng)，但單寬材料用量減少；在拱板面上采用梯形肋板形成肋格，以增加構(gòu)件的糙率，對消浪和水流作用均有利，但構(gòu)件預(yù)制較復(fù)雜。半圓拱肋空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為3.30 m，內(nèi)圓半徑為2.90 m，設(shè)計(jì)在半圓形構(gòu)件基礎(chǔ)上，將半圓外側(cè)設(shè)為環(huán)形肋板，肋板高度為0.70 m，縱向中部設(shè)一條肋板，環(huán)向肋板間距為3.00 m，底板厚度為0.60 m；底板橫向開圓孔4行，底板縱向開圓形孔4列，孔徑φ800 mm；構(gòu)件迎浪側(cè)高度方向各設(shè)排氣孔5行，孔徑φ200 mm，縱向開4列；單塊構(gòu)件縱長為6.00 m，體積為61.6 m3，重量為153.9 t。半圓拱肋空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面詳見圖4。

圖4 半圓拱肋空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.4 Structural section of the composite dike with semicircular arch rib hollow components

4）半圓形空心構(gòu)件：半圓形空心構(gòu)件底板開設(shè)泄壓孔，以減小底板的浮托力。其特點(diǎn)為弧形空心輕型結(jié)構(gòu)，景觀效果好，適用于軟土地基；構(gòu)件受力好，抗浪性能佳，堤前反射較小，結(jié)構(gòu)形式簡單，施工方便，構(gòu)件自身穩(wěn)定性較強(qiáng)。

半圓形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00 m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且無前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm；構(gòu)件迎浪側(cè)高度方向設(shè)排氣孔5行，孔徑φ240 mm，縱向開6列，背浪側(cè)設(shè)排氣孔1行，孔徑φ240 mm，縱向開6列；單塊構(gòu)件縱長為6.00 m，體積為63.05 m3，重量為157.63 t。半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面詳見圖5。

圖5 半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.5 Structural section of the composite dike with semicircular hollow components

4 試驗(yàn)研究內(nèi)容

1）在給定水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，驗(yàn)證各混合堤結(jié)構(gòu)斷面、墻身、護(hù)肩塊石、護(hù)坡塊石、拋石棱體的穩(wěn)定性；

2）在平均水位、設(shè)計(jì)低水位和極端低水位及相應(yīng)周期一定的情況下，進(jìn)行新型構(gòu)件破壞性試驗(yàn)，給出新型構(gòu)件處于臨界穩(wěn)定時的極限波高；

3）在給定水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，同步測定各新型構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布情況，要求分別給出同步點(diǎn)壓力分布和總水平力及總垂直力；

4） 齒形混凝土構(gòu)件重度為2.3 t/m3，鋼筋混凝土品字形及半圓拱肋空心構(gòu)件及半圓形構(gòu)件重度均為2.5 t/m3。

5 研究結(jié)果與分析

5.1 相同波浪條件下新型構(gòu)件混合堤斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)是在不同水位及相應(yīng)波浪條件下，對5種新型構(gòu)件混合堤斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對其進(jìn)行了比較與分析，見表2。試驗(yàn)研究結(jié)果表明[3]：

表2 5種新型構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table2 Stability test resultsof thecompositedikewith fivenew typecomponents

1）不同新型構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面，僅在平均水位0.80 m、設(shè)計(jì)低水位-0.69 m及極端低水位-1.59 m，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，兩側(cè)200～300 kg護(hù)肩塊石有不同程度的沖刷現(xiàn)象，不規(guī)則波持續(xù)作用2.50 h（原型），兩側(cè)200～300 kg塊石護(hù)肩表層變形不明顯，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）齒形及齒形優(yōu)化構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面在不同水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，齒形及齒形優(yōu)化構(gòu)件均處于穩(wěn)定狀態(tài)；在破壞性試驗(yàn)波浪作用下，兩構(gòu)件雖有振動現(xiàn)象，但無位移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）品字形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面，在極端高水位4.71 m、設(shè)計(jì)高水位2.67 m及相應(yīng)重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，品字形空心構(gòu)件處于穩(wěn)定狀態(tài)；在平均水位0.80 m及相應(yīng)重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，品字形空心構(gòu)件有移動趨勢，但無位移，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；而在設(shè)計(jì)低水位-0.69 m、極端低水位-1.59 m及相應(yīng)重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，品字形空心構(gòu)件均有不同程度的位移發(fā)生，構(gòu)件失穩(wěn)。

4）半圓形及半圓拱肋空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面在不同水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，半圓形及半圓拱肋空心構(gòu)件有振動現(xiàn)象，但無位移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。在平均水位0.80 m，H13%=3.00 m、T =5.69 s；設(shè)計(jì)低水位-0.69 m，H13%=2.40 m、T =5.44 s的不規(guī)則波破壞性試驗(yàn)時，兩構(gòu)件均有不同程度的位移發(fā)生；而在極端低水位-1.59 m，H13%=2.00m、T =5.21 s的不規(guī)則波破壞性試驗(yàn)時，兩構(gòu)件雖有振動現(xiàn)象，但無位移，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。半圓拱肋空心構(gòu)件稍好于半圓形空心構(gòu)件。

5.2 相同波浪條件下新型構(gòu)件的波浪力試驗(yàn)

試驗(yàn)是在不同水位及相應(yīng)波浪條件下，同步量測了5種新型構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布情況，并對其進(jìn)行了比較與分析，見表3。

表3 5種新型構(gòu)件點(diǎn)壓力合成總力測試結(jié)果對比Table 3 Test resultscontrast of theforce of point pressure of fivenew type components

試驗(yàn)研究結(jié)果表明[3]：

1） 對于各構(gòu)件與基床塊石間的摩擦系數(shù)f，依據(jù)JTS154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[4]規(guī)定，一般取f=0.60，而模型上也測定了基床塊石與各構(gòu)件間的摩擦系數(shù)為0.53左右。在波浪力分析中，抗滑穩(wěn)定系數(shù)是按規(guī)范規(guī)定的摩擦系數(shù)0.60來計(jì)算的。

2）各新型構(gòu)件波浪力試驗(yàn)與穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好；

3）無論是在不規(guī)則波作用下，還是在H1%規(guī)則波作用下，實(shí)測新型構(gòu)件波浪力結(jié)果隨著水深的變化規(guī)律基本為：隨著水深的降低，水平力最大時刻同步點(diǎn)壓力合成總水平力FHmax及垂向浮托力最大時刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax逐漸增大，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KSmin逐漸減小。而半圓形構(gòu)件隨著水深的降低，垂向浮托力最大時刻同步點(diǎn)壓力合成總垂直力FVmax逐漸增大。

4） 在相同水位條件下，不規(guī)則波作用下的KSmin實(shí)測值均相應(yīng)稍小于規(guī)則波作用下的試驗(yàn)結(jié)果，而FHmax和FVmax均稍大于規(guī)則波作用下的試驗(yàn)結(jié)果。說明不規(guī)則波對新型構(gòu)件的作用稍強(qiáng)于相應(yīng)規(guī)則波。

6 結(jié)語

基于本工程平面組合布置多樣、綜合功能多、水流及地形變化復(fù)雜、大宗石料短缺等特點(diǎn)，在滿足構(gòu)件穩(wěn)定性的前提下，適宜的堤段可采用齒形（優(yōu)化）構(gòu)件和半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)形式，但半圓形空心構(gòu)件底板應(yīng)適當(dāng)加厚，以增強(qiáng)構(gòu)件的穩(wěn)定性。這有利于緩解大宗石料供應(yīng)難度，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程投資，降低施工風(fēng)險。

新型齒形優(yōu)化構(gòu)件和半圓形構(gòu)件混合堤已成功應(yīng)用于長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)一期整治工程，根據(jù)應(yīng)用效果，將從半圓形構(gòu)件到齒形構(gòu)件混合堤受力特點(diǎn)的變化和功能效果進(jìn)一步深化研究，并將其研究成果推廣應(yīng)用于其他航道整治工程建設(shè)。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS145-2—2013，海港水文規(guī)范[S].JTS145-2—2013,Codeof hydrology for seaharbor[S].

[3] 佟德勝.長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程一期工程（太倉—南通段）導(dǎo)堤斷面物理模型試驗(yàn)研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014.TONGDe-sheng.Physical model test report on the cross section of jetty in phaseⅠproject(Taicang-Nantong section)of 12.5 m deepwater navigation channel from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2014.

[4]JTS154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTS154-1—2011，Code of design and construction of breakwaters[S].