淺析防波堤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

粟建勛

【摘要】防波堤作為重要的港域掩護建筑物，能夠有效的防御外海波浪對所掩護海域的侵襲。因此防波堤在港口工程中具有非常重要的地位。但由于防波堤結(jié)構(gòu)形式具有多樣化的特點，而且長期處于惡劣的環(huán)境下，造價較高，因此需要尋求合理、可靠的防波堤結(jié)構(gòu)型式，在確保防波堤具有良好使用功能的基礎(chǔ)上，有效的降低防波堤工程的造價。

【關(guān)鍵詞】防波堤；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

防波堤具有較多的種類，能夠有效防范海浪對海域所帶來的侵襲，有效維持港內(nèi)水域的平穩(wěn)性，確保船舶停靠的平穩(wěn)性，保證正常的裝卸及旅客上下需要。同時防波堤能有效減少港內(nèi)淤積的發(fā)生，避免大量流冰進入港內(nèi)，部分防波堤還能夠兼作碼頭使用。近年來，港口工程建設(shè)技術(shù)取得了較快發(fā)展，隨著新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)及新工藝應(yīng)用于防波堤工程，需對防波堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保更好的保護港口作業(yè)的安全性。

一、工程概況

文中以某一港口防波堤具體建設(shè)工程為例，對防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計進行具體的闡述。該擬建的防波堤總長為420米，主要是對東向及東北向的波浪進行阻擋。

防波堤設(shè)計水位及設(shè)計波浪需要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求進行計算。同時擬建防波堤以細砂混淤泥、砂混粘性土、粉質(zhì)粘土、風(fēng)化石英巖為主。

二、防波堤初始設(shè)計

由于防波堤工程具有較強的復(fù)雜性和專業(yè)性特點，在該項工程中，根據(jù)水深、潮差、波浪及地質(zhì)、施工條件等因素選擇斜坡式結(jié)構(gòu)，并對外坡坡度、護面及塊體下塊石墊層重量等都進行了確定。在防波堤頂設(shè)置防浪墻，根據(jù)工程的具體情況來對墻高、底寬及頂寬進行設(shè)計。同時以塊石作為防波堤內(nèi)、外坡腳外側(cè)的護底，對灘面標(biāo)高進行設(shè)計。按照重力相似原理來設(shè)計模型試驗方法和物理模型。采用規(guī)則波和不規(guī)則波進行水力模型試驗。在對初始設(shè)計試驗過程中，其所得到的試驗結(jié)果具體可歸納為以下幾點：

（一）五十年一遇極端高水位、設(shè)計高水位和差值水位（即中水位。▽0.39m）與相應(yīng)水位的五十年一遇波浪組合時，防浪墻、護面扭王字塊體和護底塊石均穩(wěn)定。極端高水位下的五十年一遇規(guī)則波（H1%）波高作用下，防浪墻頂越浪水舌厚度達到1.08m，不規(guī)則波作用下的越浪量為0.121m3/sm。設(shè)計高水位下的五十年一遇規(guī)則波（H1%）波高作用下，防浪墻頂越浪水舌厚度達到0.68m，不規(guī)則波作用下的越浪量為0.042m3/sm。

（二）設(shè)計低水位和極端低水位與相應(yīng)水位下的50年一遇波浪組合時，護面扭王字塊體穩(wěn)定。在規(guī)則波（H13%）作用下，護底塊石少數(shù)晃動，個別塊石發(fā)生滾動。在不規(guī)則波作用下，護底塊石有少數(shù)（1～3塊）滾動位移，經(jīng)波浪累計作用，2.5h（原型時間）后，少數(shù)塊石被波浪水流帶到坡腳的扭王字塊體上，但護底塊石表面變形不明顯，屬于基本穩(wěn)定。

（三）五十年一遇極端高水位（▽2.96m）與相應(yīng)水位的五十年一遇波浪組合時。在規(guī)則波（H5%）和不規(guī)則波越頂波浪水流沖擊下，內(nèi)坡平臺拋填塊石發(fā)生滾動、插砌條石跳動，經(jīng)波浪累計作用2.5h（原型時間）后，平臺拋填塊石被沖走、滾落到下部坡面上，預(yù)制砼鎮(zhèn)腳塊外移0.20m（原型），平臺以上護面條石松動，有多塊插砌條石被抽出。內(nèi)坡平臺及以上護面條石不穩(wěn)定。

三、防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上試驗結(jié)果可以看出，各個設(shè)計水位下外坡護面扭王塊和堤頂防浪墻均具有較好的穩(wěn)定性，但對于設(shè)計低水位及極端低水位下外坡的護底塊石存在著個別發(fā)生滾動的情況，同時同是極端高水位下內(nèi)坡的平臺拋填塊石和插砌條石也存在著不穩(wěn)定的問題，因此需要根據(jù)不同的部位來對具體的設(shè)計方案進行調(diào)整。

（一）護底塊石。對于護底塊石的穩(wěn)定重量需要根據(jù)規(guī)范公式以堤前最大波浪底流速來進行確定。針對于試驗中外坡護底塊石在設(shè)計低水位下存在個別滾動的情況，需要對護底塊石穩(wěn)定性與坡腳扭王字塊體的穩(wěn)定性進行充分考慮，為了避免其可能會對整體防波堤護面穩(wěn)定性帶來的影響，則需要增加外坡護底塊石的重量，確保護底塊石在各水位下具有較好的穩(wěn)定性。

（二）內(nèi)側(cè)坡護面。由于內(nèi)坡不會受到外海波浪的直接影響，因此在缺乏越頂波浪水流具體數(shù)值的情況下根據(jù)以往經(jīng)驗采用厚度80厘米的插砌條石家護面形式。但在試驗過程中，在五十年一遇極端高水位與相應(yīng)水位的五十年一遇波浪組合時，內(nèi)側(cè)上坡的插砌條石在越頂波浪水流沖擊下會出現(xiàn)松動情況，存在多塊條石被抽出的現(xiàn)象。在對設(shè)計進行優(yōu)化時，需要加大條石的長度，但這樣必然會導(dǎo)致工程造價增加，而且該工程量較大，利用人工插砌條石存在著費工費時的問題，因此可以采用砼框架與摻石砼護面的形式，并預(yù)留好排水孔，確保內(nèi)側(cè)坡護面具有較好的穩(wěn)定性。

（三）防浪墻。在初始設(shè)計時，防浪墻頂高程是按照基本不越浪標(biāo)準(zhǔn)來確定的，而且防浪墻的抗傾抗滑性能也能夠有效的滿足規(guī)范上關(guān)于穩(wěn)定性的要求。在試驗中各個設(shè)計水位下堤頂防浪墻都具有較好的穩(wěn)定性。但防浪墻頂?shù)母叱讨苯雨P(guān)系到堤頂越浪量的大小，會對內(nèi)坡的工作環(huán)境帶來直接的影響，因此需要對內(nèi)坡肩臺附近進行有效調(diào)整。通過對防浪墻頂標(biāo)高和底標(biāo)高進行調(diào)整，將挑浪嘴增設(shè)在墻頂部外側(cè)，從而有效的減少越浪量，對內(nèi)坡平臺的工作環(huán)境進行有效的改善。

（四）內(nèi)側(cè)肩臺。在試驗過程中內(nèi)坡平臺拋填塊石存在著滾動及被沖走的現(xiàn)象，同時預(yù)制砼鎮(zhèn)腳塊存在著外移的問題。針對施工技術(shù)及經(jīng)濟性方面考慮，在調(diào)整時可以采用抬高防浪墻的頂高程的辦法，這樣即使在極端高水位下，預(yù)制砼鎮(zhèn)腳塊也能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，平臺拋鎮(zhèn)塊石也能夠保持基本穩(wěn)定。對于局部不穩(wěn)定情況，可以增加預(yù)制砼鎮(zhèn)腳寬度，將平臺拋填塊石改為平臺理砌塊石，有效的提高坡護面的穩(wěn)定性，從而確保防浪墻及防波堤整體穩(wěn)定性。

四、結(jié)束語

防波堤工程作為港口工程中非常重要的組成部分，屬于港口重要的水工建筑物，其具有較多的類型，而且在科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的新形勢下，一些新型的防波堤也不斷的涌現(xiàn)出來，在港口工程施工過程中有了更多的選擇。但在具體防波堤設(shè)計時，需要遵循技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、結(jié)構(gòu)安全及適用且耐久等原則，有效的保證港內(nèi)水域的泊穩(wěn)條件，滿足船舶停泊及碼頭裝卸作業(yè)等需求，確保港口的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻

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