意大利規(guī)范在防波堤穩(wěn)定性設(shè)計中的應(yīng)用

田茂金，李存興

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

引言

意大利作為中國“一帶一路”倡議的重要節(jié)點，使得中資企業(yè)與意大利當?shù)仄髽I(yè)的合作越來越多。理解和掌握意大利相關(guān)的海工設(shè)計技術(shù)文件和規(guī)范，對于進一步開拓意大利市場，參與相關(guān)項目的投資、建設(shè)和運營，提高中資企業(yè)的競爭力具有重要意義。

意大利《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》（Istruzioni Tecniche per la Progettazione Delle Dighe Marittime）以及《港口和海岸工程手冊》（Manuale di Lngegnerla Portuale e Costiera）是兩本關(guān)于意大利海工建筑物設(shè)計的技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范對海洋水文以及海工結(jié)構(gòu)進行了詳細的介紹；意大利《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018）[1]（Norme Tecniche per le Costruzioni）為意大利國家建筑規(guī)范，對建筑物的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

本文著重介紹了意大利《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》以及《港口和海岸工程手冊》在重力式防波堤設(shè)計中的應(yīng)用及其典型設(shè)計要點和參數(shù)，并對比意大利《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018），以意大利某離岸深水碼頭工程為例，對直立式防波堤進行了整體穩(wěn)定設(shè)計研究，對涉外工程防波堤設(shè)計提供了有益參考。

1 波浪重現(xiàn)期的確定

意大利《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》中，波浪重現(xiàn)期與容許失效概率以及結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限與結(jié)構(gòu)安全等級以及工程類型相關(guān)，如表1所示。

表1 永久性結(jié)構(gòu)最低設(shè)計使用年限

安全等級為1級的工程，指具有當?shù)匦再|(zhì)以及輔助性質(zhì)的項目或設(shè)施，該項目倒塌后對人員生命以及環(huán)境造成的損失程度最小，如海岸防護工程、小型港口、海洋排水管道項目、沿海公路項目等；安全等級為2級的工程，指具有一般性質(zhì)的項目或設(shè)施，該項目倒塌時對人員生命以及環(huán)境造成的損失程度適中，如大型港口項目、大城市排水管道項目等；安全等級為2級的工程，是指防洪工程或設(shè)施、具有超國家利益的工程，在倒塌時造成重大生命損失或環(huán)境破壞，如城市或工業(yè)中心的防護等。

根據(jù)結(jié)構(gòu)損壞后是否易于修復(fù)及其對人類生命安全的風險大小，《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》對防波堤的失效概率進行了劃分，如表2所示。對于有韌性的結(jié)構(gòu)或?qū)τ诳梢孕迯?fù)的項目來說（如斜坡式結(jié)構(gòu)），初期損壞的概率與該類型結(jié)構(gòu)預(yù)先假定的損壞水平相適應(yīng)，超過該水平后，結(jié)構(gòu)的損壞是可以預(yù)見的并可修復(fù)。對于剛性結(jié)構(gòu)（如直立墻結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞難以修復(fù)，故將該類結(jié)構(gòu)的損壞概率歸為“完全損壞”；對于經(jīng)濟影響的高低，分別是指項目損壞產(chǎn)生的直接費用以及項目停止運行后所導(dǎo)致的間接費用與項目建造總費用的比值小于5，5～20以及高于20。

表2 設(shè)計使用年限內(nèi)的最大容許失效概率

波浪的重現(xiàn)期需根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用年限以及容許失效概率，由式（1）確定：

式中：Trp為波浪的重現(xiàn)期；Tv為結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限；Pf為結(jié)構(gòu)的容許失效概率。

從表中2可以看出，由于斜坡堤發(fā)生損壞后較易修復(fù)，相同條件下，斜坡式防波堤的容許失效概率均大于直立式防波堤；對于設(shè)計使用年限分別為50年、100年的兩種結(jié)構(gòu)型式的防波堤采用的波浪重現(xiàn)期如表3、表4所示。從表中可以看出，斜坡式防波堤采用的重現(xiàn)期均小于直立式防波堤。此外，波浪荷載的重現(xiàn)期普遍較中國標準要高且有較大差別，在實際工程應(yīng)用中需格外注意。

表3 設(shè)計使用年限50年波浪重現(xiàn)期

表4 設(shè)計使用年限100年波浪重現(xiàn)期

2 波浪荷載的計算

2.1 波浪參數(shù)的選取

意大利規(guī)范在波浪荷載計算中，對于波峰以及波谷波浪力計算需采用不同的設(shè)計波高。波峰作用下整體穩(wěn)定驗算，設(shè)計波高取H=H1/20（H1/20≈1.40Hs）；波谷作用下整體穩(wěn)定驗算，設(shè)計波高取H=H1/100（H1/100≈1.67Hs）[1,2]。

2.2 波浪荷載的計算

對于意大利規(guī)范，波峰作用下波浪荷載分布如圖1所示。

圖1 波峰作用下波壓力分布

圖中：

式中：p1為靜水面處波壓力強度；p2為堤頂波壓力強度；η*為波峰在靜水面以上的高度，；p為前墻底部波3壓力強度；p4為墻底波壓力強度；h為建筑物前水深；h'為基床上水深；d為護肩上水深。

波谷作用下，波浪荷載分布如圖2所示。

圖2 波谷作用下波壓力分布

圖中：

式中：p1為靜水面以下η'處波壓力強度，；p為前墻底部波3壓力強度；p4為墻底波壓力強度；h為建筑物前水深；h'為基床上水深；d為護肩上水深。

2.3 抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算

2.3.1 抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算-安全系數(shù)法

《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》以及《港口海岸工程手冊》中，沉箱的整體抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算基于靜力極限平衡理論并采用安全系數(shù)法，抗滑穩(wěn)定性驗算如式（9）所示：

式中：μ為摩擦系數(shù)；Rv為豎向合力；Ro為水平力；Cs為安全系數(shù)，取值為1.40。

抗傾穩(wěn)定性驗算如式（10）所示：

式中：Ms為穩(wěn)定力矩；Mr為傾覆力矩；Cr為安全系數(shù)，一般取值為1.50。

2.3.2 抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算-EQU組合

意大利《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018）中，抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算同樣基于靜力極限平衡理論，采用概率極限方法，按EQU進行組合。EQU組合下，各荷載分項系數(shù)如表5所示。

式中：Ed,stb為穩(wěn)定作用效應(yīng)值；Ed,dst為傾覆作用效應(yīng)值。

表5 EQU組合分項系數(shù)

3 工程算例

以意大利威尼斯某離岸深水碼頭項目北防波堤為例，采用意大利規(guī)范，計算了該直立式防波堤在波浪荷載作用下的作用，驗算了直立式防波堤的整體抗傾、抗滑穩(wěn)定性。結(jié)果表明，防波堤斷面滿足要求，防波堤結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.1 防波堤結(jié)構(gòu)簡介

該直立式防波堤采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，防波堤軸線方位為西北-東南。設(shè)計低水位、設(shè)計高水位以及極端高水位分別為-0.38 m、0.79 m以及2.09 m。沉箱下設(shè)拋石基床，沉箱內(nèi)采用中粗砂回填，沉箱頂面設(shè)胸墻，海測設(shè)擋浪墻，擋浪墻堤頂高取7.0 m。沉箱寬度為18.1 m，沉箱高度為18.5 m。防波堤典型斷面如圖3所示。

圖3 防波堤典型斷面

3.2 設(shè)計波浪參數(shù)

本工程防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年，防波堤一旦發(fā)生破壞難以修復(fù)，直立式防波堤的損壞概率歸為“完全損壞”，防波堤損壞后對經(jīng)濟的影響按“中等”考慮，對人類生命安全的風險按“有限”考慮，故防波堤容許失效概率取值為0.15。防波堤設(shè)計波浪荷載重現(xiàn)期需采用615年。防波堤波浪參數(shù)如表6所示。

表6 防波堤設(shè)計波浪要素

3.3 波壓力強度

根據(jù)《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》以及《港口和海岸工程手冊》，采用H1/20、H1/100分別對波峰以及波谷作用下，直立式防波堤受到的波壓力強度進行計算。對于斜向作用波浪，按正向作用計算波壓力強度分布，并采用經(jīng)驗系數(shù)法對總波浪荷載進行折減，折減系數(shù)按0.69考慮。波壓力強度分布計算結(jié)果如表7所示。

表7 波浪正向作用波壓力強度分布

3.4 抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算

沉箱與拋石基床摩擦系數(shù)μ按照0.60考慮，采用意大利《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》以及《港口和海岸工程手冊》并對比《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018），對重力式沉箱的抗傾、抗滑穩(wěn)定性進行驗算。EQU組合中，永久作用分項系數(shù)取0.90，可變作用分項系數(shù)取1.5。

表8 沉箱抗傾、抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果

從表8中可以看出，采用安全系數(shù)法，抗傾、抗滑穩(wěn)定性計算最小值1.33>1；采用《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018）中EQU組合計算最小值為1.06>1。《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018）中EQU組合較安全系數(shù)法計算結(jié)果小。兩種方法結(jié)構(gòu)的整體抗傾、抗滑穩(wěn)定性均可滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是安全、可靠的。

4 結(jié)語

1）中國行業(yè)標準中，對于直立式防波堤，設(shè)計波浪重現(xiàn)期應(yīng)采用 50年；對于特殊情況或者大水深、重要建筑物設(shè)計波浪重現(xiàn)期應(yīng)采用100年或者以上重現(xiàn)期[1,2]。然而，中國行業(yè)標準對波浪重現(xiàn)期的說法較為籠統(tǒng)，也未給出波浪重新期的明確計算方法。意大利標準中，波浪的重現(xiàn)期需根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用年限以及容許失效概率計算確定，且重現(xiàn)期標準普遍較中國標準高。

2）需要注意的是，中國行業(yè)規(guī)范在確定波浪力分布、斷面尺度以及抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算中，設(shè)計波高均采用H=H1%。直立式防波堤在波壓力強度計算時，需區(qū)分波峰以及波谷兩種情況，并采用不同的設(shè)計波浪參數(shù)。

3）防波堤抗傾、抗滑穩(wěn)定性驗算中，《海洋大壩設(shè)計技術(shù)說明》以及《港口和海岸工程手冊》采用安全系數(shù)法，《建筑技術(shù)規(guī)范》（NTC 2018）采用概率極限方法，按 EQU進行組合。采用安全系數(shù)法計算結(jié)果偏危險，在實際工程設(shè)計中需注意。