海島透空式防波堤工程平面布置和結(jié)構(gòu)選型研究

柴國威 吳曼涓

摘 要：針對(duì)大竹峙海島旅游開發(fā)建設(shè)提供掩護(hù)條件，提出建設(shè)防波堤。為進(jìn)行防波堤設(shè)計(jì)，結(jié)合海島風(fēng)、浪、流、泥沙、地形、地質(zhì)等自然條件，布置不同的平面和結(jié)構(gòu)方案，并通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究進(jìn)行方案比選分析，選定推進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：透空式防波堤;防波堤平面布置;樁基選型;

1 概述

溫州市洞頭區(qū)大竹峙島位于洞頭島東側(cè)海域，被列入國家海洋局公布的第一批可開發(fā)利用無居民海島名錄中，主導(dǎo)功能為旅游娛樂，是洞頭區(qū)重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目。大竹峙島外海開敞，風(fēng)浪較大。為了保證大竹峙旅游開發(fā)項(xiàng)目的客運(yùn)碼頭安全運(yùn)行和為島上道路、景區(qū)建設(shè)提供掩護(hù)條件，將建設(shè)防波堤工程[1]。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)浪、掩護(hù)要求、地質(zhì)條件和成本要求，擬建防波堤將采用樁基透空式結(jié)構(gòu)形式。本文通過分析不同位置防波堤建設(shè)后的波浪、掩護(hù)水域、潮流、泥沙淤積情況研究，確定防波堤平面布置方案，并通過潮流泥沙數(shù)學(xué)模型分析對(duì)平面布置比選，并對(duì)樁基選型進(jìn)行分析。

2 自然條件

2.1? 風(fēng)況

本海區(qū)常風(fēng)向?yàn)镹～NE向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW向;風(fēng)力大于6級(jí)出現(xiàn)的頻率為0.36%。本海區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)平均每年5.1次，持續(xù)時(shí)間平均為2天，極大風(fēng)速為40m/s以上。

2.2? 水文條件

（1）潮汐、潮流：本海區(qū)屬于正規(guī)半日潮型，強(qiáng)潮海區(qū)，平均潮差約4.29m，最大潮差6.33m。潮流呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)，大潮平均流速為0.45～0.77 m/s，最大流速0.7～1.19m/s。

（2）波浪：據(jù)狀元岙東端老鼠嶼站統(tǒng)計(jì)資料，常浪向?yàn)镾E向和NE向，頻率分別占8.5%和8.4%，強(qiáng)浪向?yàn)镹NE、SE向。實(shí)測(cè)最大H1/10波高分別為4.5m和2.8m，大浪主要發(fā)生在7月。

（3）泥沙：平均含沙量為0.163～0.77kg/m?，水域底質(zhì)類型為粘土質(zhì)粉砂，中值粒徑在0.006～0.009 mm之間;分選系數(shù)在0.9～1.6之間，分選屬較好和中常;粘土百分含量在27%～40%之間。本海域底質(zhì)泥沙中值粒徑、物質(zhì)組成和懸沙基本一致，本海域水體含沙量主要來自岸灘泥沙就地懸浮起動(dòng)。。

（4）地形、地貌及海床穩(wěn)定性：洞頭列島沿岸多為沉降地形，以低丘流水地貌和海岸地貌組成的地貌類型。海域東側(cè)和南側(cè)5m和10m等深線的位置和形狀變化不大，北側(cè)處于微淤的環(huán)境，海床基本穩(wěn)定。

2.3? 地質(zhì)條件

擬建工程所處地貌單元為山前水下岸坡，土層主要分為淤泥、含粉砂淤泥、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r等組成。表層軟土厚度10～20m。

3 平面方案研究

通過對(duì)大竹峙地形進(jìn)行分析，結(jié)合海域的風(fēng)浪情況，選擇海島北側(cè)和西側(cè)布置兩個(gè)平面方案，通過建立波浪和泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)兩個(gè)平面方案的掩護(hù)效果、潮流和泥沙回淤情況進(jìn)行仿真分析，進(jìn)行方案比選。

3.1 平面布置方案

3.1.1平面方案一：海島北側(cè)

防波堤利用大竹峙島北側(cè)的凹槽，采用梳式樁基透空式，形狀成折線形?？陂T位于西北側(cè)，堤軸線海床床面沿高程-9m～-10m左右布置。防波堤總長(zhǎng)度為263m，堤頂標(biāo)高4.0m（85國家高程，以下同），堤頂擋浪墻標(biāo)高6.0m，寬度為4.0m，近岸段為5m。形成港區(qū)水域面積約3.45萬m2。內(nèi)側(cè)-7.2m等深線左右布置一座綜合碼頭。

3.1.2平面方案二：海島西側(cè)

防波堤利用大竹峙島西側(cè)的凹槽，采用梳式樁基透空式，形狀成折線形。口門位于西南側(cè)，堤軸線海床床面沿高程-10m～-12.5m左右布置。防波堤總長(zhǎng)度為293m，堤頂標(biāo)高4.0m，堤頂擋浪墻標(biāo)高6.0m，寬度為4.0m，近岸段為5m。形成港區(qū)水域面積約4.07萬m2。內(nèi)側(cè)-7.2m等深線左右布置一座綜合碼頭。

3.2 平面方案掩護(hù)效果分析

根據(jù)不同的防波堤結(jié)構(gòu)方案，建立港內(nèi)波浪數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了兩種防波堤平面布置情形下不同方向、波浪重現(xiàn)期等組合條件下的波高分布，得出不同組合時(shí)港內(nèi)的波高分布情況如下[2]。

（1）與無防波堤的情況相比，有防波堤時(shí)，防波堤掩護(hù)區(qū)內(nèi)港域的波高明顯減小。

（2）兩種平面方案計(jì)算表明，平面方案一碼頭前主要受NNW方向的波浪影響，碼頭前的最大波高H1%為2.93m;平面方案二碼頭前主要受SSW～SW方向的波浪影響，碼頭前的最大波高H1%為3.61m。

（3）不同方案港內(nèi)波浪計(jì)算表明，平面方案一港內(nèi)波浪小于平面方案二的波浪，平面方案一港內(nèi)大部分水域的2年一遇波高H4%小于0.64m，平面方案二港內(nèi)2年一遇的波高H4%小于1.02m。

就防波堤對(duì)港內(nèi)波浪的掩護(hù)來看，平面方案一要優(yōu)于平面方案二。

3.3? 防波堤對(duì)潮流、泥沙的影響

根據(jù)不同的防波堤結(jié)構(gòu)方案，建立港內(nèi)潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了兩種防波堤平面布置情形下，對(duì)流場(chǎng)的影響、方案的海域流速的變化、港池內(nèi)的回淤情況分析結(jié)果如下[3]。

（1）兩個(gè)方案實(shí)施后，大范圍海域潮流場(chǎng)特征沒有變化，流速變化僅局限在工程附近局部水域。

（2）工程水域?yàn)闈q潮流的背流面和落潮流的迎流面，流態(tài)較為復(fù)雜，存在回流，且流速較為微弱。平面方案一位置全潮平均流速在0.15m/s以內(nèi)，最大流速在0.30 m/s以內(nèi);平面方案二位置全潮平均流速在0.20m/s以內(nèi)，最大流速在0.40 m/s以內(nèi)。

（3）二種方案實(shí)施后，進(jìn)港航道最大橫流分別為0.31 m/s和 0.28m/s，港內(nèi)航段橫流小于港外航段。碼頭前沿最大橫流均不大。

（4）達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)時(shí)，二種方案港內(nèi)淤厚分別介于0.7～1.5m、0.7～1.6m。方案一和方案二實(shí)施后，防波堤外側(cè)局部水域最大沖深分別為1.6m和1.8m。

就防波堤建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的影響、港池內(nèi)的回淤情況來看，平面方案一要優(yōu)于平面方案二。

3.4 方案比選及推薦方案

總平面布置的二個(gè)方案在技術(shù)上都是可行的，方案比較如下表1：

2、北側(cè)較易與島上交通道路對(duì)接。

3、工程位于北側(cè)，口門朝向本島，船舶進(jìn)出港比較順暢、方便。 1、防波堤位置水深較北側(cè)更深，樁長(zhǎng)相對(duì)北側(cè)較大。

2、西側(cè)需要考慮建設(shè)隧道接島交通道路。

3、布置在西側(cè)，距離本島較遠(yuǎn)，從口門朝向上，船舶進(jìn)出港需稍作繞行。

經(jīng)綜合比較，保證海島旅游可持續(xù)性發(fā)展，平面布置推薦采用平面方案一，同比造價(jià)較低，擋浪效果較好。

4 結(jié)構(gòu)選型研究

4.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本工程的地基土主要為淤泥質(zhì)土、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r。防波堤結(jié)構(gòu)可采用重力式或樁基透空式結(jié)構(gòu)，由于本工程非避風(fēng)港，且考慮到景觀需求，結(jié)構(gòu)采用梳式樁基透空式結(jié)構(gòu)[4]。防波堤長(zhǎng)263m，按堤身基礎(chǔ)又可分為預(yù)制樁段、灌注樁段及實(shí)體接岸段，堤身上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆墩臺(tái)加擋浪墻的結(jié)構(gòu)。其中灌注樁段由于透浪率較大，在擋浪墻下方加掛擋浪板，樁基礎(chǔ)采用?1200mm灌注嵌巖樁，梅花形布置。接岸實(shí)體段為重力式擋墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)坐于中風(fēng)化凝灰?guī)r上，擋墻與巖基之間植筋錨固。

本次設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)預(yù)制樁段樁基采用?800mmPHC樁與800×800mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁進(jìn)行比選。預(yù)制樁段前排樁間距為1.0m，豎向斜度采用10：1，后排樁間距為1.2m。

4.2? 結(jié)構(gòu)方案比選

防波堤兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案從技術(shù)上都是可行的，均為梳式樁基透空結(jié)構(gòu)。比選的重點(diǎn)是樁基類型的選擇，樁基在本防波堤結(jié)構(gòu)中既是工程斷面的主體，也是消浪主體，在造價(jià)上也是占了總投資的絕大部分，故本防波的結(jié)構(gòu)比選已優(yōu)選樁基為主要方向。比選結(jié)果如下：

（1）兩個(gè)方案上部結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)澆墩體加擋浪墻的結(jié)構(gòu)，能滿足結(jié)構(gòu)受力和防波堤消浪使用的要求，在技術(shù)上是可行的。

（2）兩個(gè)方案的樁基均屬于先張法高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力樁，預(yù)應(yīng)力管樁與預(yù)應(yīng)力空心方樁的生產(chǎn)工藝相似，兩種樁基都適用于樁基承載力要求高，持力層較深，樁長(zhǎng)長(zhǎng)的工況，適用面廣，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。

（3）PHC管樁面世早，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)廠家多，應(yīng)用廣泛，價(jià)格同比較低，預(yù)應(yīng)力空心方樁是近幾年的新推樁型，同比方樁的承載力略高，但市場(chǎng)單價(jià)同比也略高。

（4）?800mmPHC樁的截面是圓形，用于本工程防波堤其透浪率相對(duì)于方樁較大， 800×800mm預(yù)應(yīng)力空心方樁，其截面是方形，透浪率同比較小，對(duì)消浪更優(yōu)。

（5）PHC管樁的單節(jié)樁長(zhǎng)一般是30m，還可以采用整樁預(yù)制，單根樁長(zhǎng)可以做到60m以上;預(yù)應(yīng)力空心方樁的單節(jié)樁長(zhǎng)一般是15m，用于本工程需接樁且其接樁位置會(huì)在泥面以上。

（6）800×800mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的每米的單價(jià)要高于?800mmPHC樁。

綜合比較，本工程推薦結(jié)構(gòu)方案一。

5 總結(jié)

（1）綜合考慮港區(qū)掩護(hù)效果、泥沙回淤、流場(chǎng)變化、施工難度、建設(shè)成本等，結(jié)合海島地形條件，在海島北側(cè)建設(shè)防波堤的方案優(yōu)于西側(cè)，最終確定為北側(cè)方案為平面布置方案;

（2）根據(jù)工程區(qū)域地質(zhì)條件、施工便利性、景觀需求，結(jié)構(gòu)采用樁基透空式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過方案比選選擇?800mmPHC樁承臺(tái)式結(jié)構(gòu)、

（3）樁基透空式防波堤具有自重輕、透空性好、對(duì)原有地形影響小、成本低等特點(diǎn)，適用于軟土層較厚的地形、水深較大環(huán)境惡劣的海域，對(duì)防波堤建設(shè)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 浙江省洞頭區(qū)大竹峙島保護(hù)與開發(fā)利用示范項(xiàng)目防波堤工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]，中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，2016.8.

[2]洞頭大竹峙島保護(hù)與開發(fā)項(xiàng)目防波堤與碼頭波浪數(shù)模計(jì)算報(bào)告[R]， 南京水利科學(xué)研究院，2016.5.

[3]洞頭縣大竹嶼島保護(hù)與開發(fā)利用示范項(xiàng)目防波堤與碼頭工程潮流泥沙數(shù)模分析報(bào)告[R]，南京水利科學(xué)研究院，2016.6.

[4]李嚴(yán)，琚烈紅，馮衛(wèi)兵.樁基透空堤上部結(jié)構(gòu)形式對(duì)防浪特性影響[J].水運(yùn)工程，2015（05）：77-83.