西非某深水斜坡式防波堤設(shè)計要點分析

許建武

摘?要：為了優(yōu)化復(fù)雜地質(zhì)條件下強(qiáng)涌浪海域的斜坡式防波堤設(shè)計，確保工程質(zhì)量與施工安全，提出了西非某深水斜坡式防波堤工程的初步設(shè)計方案，并進(jìn)行了物模試驗驗證。在現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上，研究了不同水位和波浪組合情況下斷面的護(hù)面塊體、護(hù)腳、胸墻、低堤頂?shù)幕炷谅访娴姆€(wěn)定性，測量了越浪量以及堤后波高，對腐木段地質(zhì)處理以及防波堤分期建設(shè)等提出了針對性的施工建議。結(jié)果表明，1）5 t與8 t中國扭王塊在西非10～16 s涌浪環(huán)境下是適用的;2）涌浪對于護(hù)面塊體的穩(wěn)定有明顯的影響，近岸段需增加壓腳塊石，以確保護(hù)面塊體的局部穩(wěn)定;3）越浪量標(biāo)準(zhǔn)可分級為運營工況（q≤0.5 L/（s·m））和校核工況（q≤20 L/（s·m））;4）腐木地質(zhì)強(qiáng)度隨著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的腐爛程度而逐漸減弱，可使用開山砂和風(fēng)化巖作為換填料來處理;5）對于低堤頂?shù)幕炷谅访娴脑O(shè)計，要優(yōu)先考慮越浪對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，同時在運營期間限定人員車輛可作業(yè)的波高。研究成果較好地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下防波堤易出現(xiàn)的穩(wěn)定性及沉降等問題，對類似海岸涌浪環(huán)境下的工程建設(shè)具有參考價值。

關(guān)鍵詞：港口工程;防波堤;涌浪;允許越浪量;腐木地質(zhì);路面

中圖分類號：U642?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04011

文章編號：1008-1534（2020）04-0280-06

Abstract：In order to optimize the design of rubble mound breakwaters in sea areas with surging wave under complicated geological conditions and to ensure the engineering quality and construction safety， a tentative design proposal for a deepwater mound breakwater project in West Africa was presented， and the physical model test was made to verify the proposal. On the basis of site investigation， the stability of armor block of the cross section， toe， crown wall and concrete pavement at the low embankment top were studied under different combinations of water levels and wave heights. Meanwhile， the wave overtopping and wave height behind breakwater were measured and some suggestions regarding the geological structure of rotten wood and phased construction were put forward accordingly. The results show that： 1） 5 t and 8 t accropode blocks are used in swells of?10～16 s?in West Africa successfully. 2） Swells have a significant effect on the stability of the armor block， so the toe rock is added to ensure the local stability in the nearshore section. 3） The standard of overtopping criteria can be divided into operation condition（?q≤0.5 L/（s·m）?） and check condition（q≤20 L/（s·m））. 4） The geological strength of rotten wood gradually weakens with the decay of the wooden structure， which should be filled with sand rock and mantle rock. 5） For the design of concrete pavement at the low embankment top， it is necessary to give priority to the influence of overtopping on the structural stability， and to limit working wave height for personnel and vehicles during the operation. The results have solved the issues of stability and settlement of breakwaters easily occurred in complicated geological conditions， which can be used as a reference for the construction under similar surging wave circumstances.

Keywords：port engineering; breakwater; swell ; tolerable overtopping limit; rotten wood geology; pavement

防波堤具有抵御海上波浪及掩護(hù)后方水域港口安全等功能，是海岸工程中重要的水工建筑物之一，其安全性對于后方工程至關(guān)重要。隨著“一帶一路”倡議的提出，中國企業(yè)承建的海外港口碼頭項目逐年增多[1-2]，

尤其是強(qiáng)涌浪復(fù)雜地質(zhì)條件下的防波堤碼頭項目，其設(shè)計及施工的安全性引起了廣泛關(guān)注[3-5]。筆者以西非某深水斜坡式防波堤工程為研究對象，通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合防波堤物模試驗，總結(jié)了復(fù)雜地質(zhì)條件下強(qiáng)涌浪海域的斜坡式防波堤設(shè)計及施工安全要點。

1?工程概況

筆者研究的防波堤工程位于非洲西海岸，工程區(qū)直面大西洋的幾內(nèi)亞灣，灣內(nèi)盛行長周期涌浪，條件相對惡劣;其地層為非洲大陸普遍分布的前寒武系片麻巖及片麻混合巖巖層，但在深水段存在地質(zhì)突變和有軟基段，這些都增加了施工難度。

1.1?建設(shè)規(guī)模

某深水港項目一期工程于2015年建成，共建設(shè)2個7萬噸級集裝箱泊位及一條長為1 355 m，水深-14 m的防波堤。二期工程將擴(kuò)建10萬噸級集裝箱，泊位延長675 m，防波堤延長715 m。工程平面圖如圖1所示。

1.2?自然條件

工程位置的現(xiàn)場周年觀測風(fēng)玫瑰圖如圖2所示，極端風(fēng)速可達(dá)到25 m/s。該海域潮流屬于不規(guī)則半日性質(zhì)，是流向為偏南或偏北的沿岸流，最大流速為0.5 m/s。工程區(qū)設(shè)計高水位為+1.9 m，低水位為+0.3 m。工程區(qū)波浪既包含周期較短的風(fēng)浪，也包含周期較長的涌浪，其設(shè)計以涌浪控制為主。深水波向以S-SW方向為主，風(fēng)浪波高為0.5～2 m，周期在6 s以內(nèi);涌浪來自于南大西洋，年平均波高在1.5 m左右，周期較長，為10～16 s。波浪在從深水到淺水的傳播過程中，主波向逐漸向西偏轉(zhuǎn)，到防波堤頭附近時，主波向已變?yōu)閃SW方向，堤頭附近的波玫瑰圖如圖3所示。

針對工程海域以涌浪為主，同時存在風(fēng)浪和可能出現(xiàn)颮線浪的特點，丹麥水利研究院（Danish?hydraulics?institute， DHI）的研究在波浪數(shù)模中考慮了這3種波浪的作用，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的波浪參數(shù)如表1所示。

防波堤區(qū)原泥面標(biāo)高為+1～-14 m，根據(jù)鉆探資料顯示， 主體地層的性質(zhì)從上到下可描述如下：

1）中細(xì)砂（②1）?灰色，松散，局部含少量角礫，平均層厚為0.78 m。

2）粉質(zhì)黏土（④1）?深灰色，堅硬—極堅硬（N<50），夾少量薄層粉砂，局部粉砂呈輕度膠結(jié)狀，層厚為1.5～4.8 m。

3）粉質(zhì)黏土（④2）?深灰色，極堅硬，夾薄層粉細(xì)砂，局部呈中度膠結(jié)砂層狀，層厚為1.6～4 m。該層與上層黏性土（④1）無太大區(qū)別，只是標(biāo)貫擊數(shù)遠(yuǎn)高于上層黏性土。

5～10 m深度處有強(qiáng)風(fēng)化混合巖（⑥2），在?-13 m?深水段，地質(zhì)存在突變，發(fā)現(xiàn)有軟基段。

1.3?典型結(jié)構(gòu)斷面

防波堤為斜坡式結(jié)構(gòu)，斜坡坡度為1∶1.5，堤心為0～500 kg開山石;墊層為400～800 kg塊石;堤身護(hù)面為5 t扭王塊，堤頭護(hù)面為8 t扭王塊。

防波堤典型斷面主要有2種結(jié)構(gòu)形式：一種是內(nèi)側(cè)為港池的防波堤斷面，如圖4所示，按允許越浪設(shè)計;另一種是內(nèi)側(cè)為陸域的防波堤斷面，如圖5所示，按基本不越浪設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式類似護(hù)岸。

2?工程設(shè)計要點分析

2.1?防波堤平面布置

近海海底等深線總體上平行于海岸線走向，經(jīng)過方案比選，碼頭泊位布置在-6 m等深線處。一期防波堤利用海岸的岬角作為起點，采用單環(huán)抱式布置。深水段軸線位置主要考慮掩護(hù)全年內(nèi)出現(xiàn)頻率最高的WSW方向的波浪，沿SSE—NNW方向布置，在-13.3 m處轉(zhuǎn)向，延伸至陸域，總長為1 355 m。堤內(nèi)掩護(hù)水域可兼顧船舶作業(yè)和未來發(fā)展需要。

防波堤的長度決定了泊位的掩護(hù)效果，在涌浪作用下，為分析波浪引起的不可作業(yè)時間，進(jìn)行了專題研究[6]。結(jié)合波浪數(shù)模、船舶系泊的物理與數(shù)值模型試驗，得到的結(jié)論為年不可作業(yè)時間小于0.1%，且波浪對船舶裝卸作業(yè)產(chǎn)生的影響很小。工程區(qū)近岸底質(zhì)以沙為主，波浪動力下的沿岸輸沙以北向為主，總輸沙能力約為10萬m3/a。通過對岸灘演變分析，認(rèn)為防波堤使用年限內(nèi)無需擔(dān)心沿岸輸沙繞過堤頭進(jìn)入港池。

為達(dá)到與一期同樣的掩護(hù)效果，二期防波堤相應(yīng)延長了715 m，在實際應(yīng)用中導(dǎo)致了一期航道作廢。重新規(guī)劃后的航道距離延長后堤頭為110 m，走向與一期保持一致，為NW方向。經(jīng)過對波浪數(shù)模的研究，一期航道遺留的局部-16 m深槽地形對波浪傳播影響較小。

2.2?護(hù)面塊體穩(wěn)定質(zhì)量的確定

本項目施工中執(zhí)行中國行業(yè)規(guī)范，2012年對一期防波堤設(shè)計時，將圖6所示國內(nèi)常用的扭王塊推廣至西非海域防波堤項目設(shè)計中，參照J(rèn)TS154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[7]規(guī)定，按Hudson公式計算，扭王塊計算穩(wěn)定質(zhì)量為2.2 t。但對于坦波，規(guī)范規(guī)定塊體重量應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗驗證。通過防波堤斷面及三維整體物理模型試驗，確定堤身采用5 t扭王塊，堤頭采用8 t扭王塊，相比計算值質(zhì)量加大了1.2倍。這與2018年頒布的JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》[8]設(shè)計理念相吻合，即出現(xiàn)坦波時塊體質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。從一期建成至今，出現(xiàn)了幾次較大的波浪，實踐證明，防波堤經(jīng)受住了考驗。這也證明了中國的扭王塊材料在西非長周期波環(huán)境下是適用的。二期防波堤的水深、波浪要素與一期末端基本接近，故沿用同樣質(zhì)量的扭王塊。

為了比較波浪周期對護(hù)面塊體的穩(wěn)定性影響，對其進(jìn)行敏感性分析，周期從6 s每次累加2 s至16 s，試驗結(jié)果顯示，涌浪對于護(hù)面塊體有明顯的影響，特別是在波浪破碎區(qū)，相對于短周期風(fēng)浪，涌浪產(chǎn)生的沖刷作用大，如不設(shè)置壓腳塊石，則會有個別坡腳扭王塊體滾落，為此，工程設(shè)計時在近岸段防波堤增加1～2 t的壓腳塊石，以支撐坡腳與坡面上的護(hù)面塊體，防止其下滑，確保扭王塊的局部穩(wěn)定。

2.3?越浪量標(biāo)準(zhǔn)分級

內(nèi)側(cè)為港池的防波堤斷面如圖4所示，按允許越浪設(shè)計。筆者認(rèn)為應(yīng)結(jié)合斷面物理模型試驗結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，越浪后防波堤結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，且形成的港內(nèi)波高不影響船舶的作業(yè)。

內(nèi)側(cè)為陸域的防波堤斷面如圖5所示，按基本不越浪設(shè)計。本工程堤后主要用于工作車輛和人員行走，一期設(shè)計時參考EurOtop規(guī)范[9]、CEM規(guī)范[10]以及其他海外工程設(shè)計經(jīng)驗，分成2級控制，區(qū)別對待運營工況和校核工況，給出允許平均越浪量標(biāo)準(zhǔn)：

1）運營工況?考慮工作車輛和人員行走，五年一遇波浪與設(shè)計高水位的組合條件下，越浪量q≤0.5 L/（s·m）。

2）校核工況?考慮結(jié)構(gòu)安全，五十年一遇波浪與五十年一遇高潮位的組合條件下，越浪量q≤20 L/（s·m）。

這與JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計規(guī)范》的斜坡式護(hù)岸允許平均越浪量數(shù)值接近。

模型試驗表明，該斷面在運營工況條件下，胸墻頂無越浪;在校核工況條件下，胸墻頂?shù)钠骄嚼肆繛?.5 L/（s·m），滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。

2.4?腐木段地質(zhì)處理

在一期防波堤-13 m深水段，地質(zhì)層突變，發(fā)現(xiàn)有軟基段，經(jīng)鉆孔加密后顯示，該軟基分布面積較大并且連續(xù)，總長約600 m。軟弱土層為腐木（泥炭質(zhì)土），分布于表層，厚度達(dá)2～7 m，下臥層為④1或④2堅硬粉質(zhì)黏土。泥炭質(zhì)土在表觀性狀上是以腐爛和半腐爛狀態(tài)的木質(zhì)材料為主，混有30%左右的黏性土。在鉆取的土芯中有褐色半腐爛狀態(tài)的腐木碎塊，偶爾可見腐爛程度較低的黃白色木質(zhì)碎塊，均具有強(qiáng)烈的腐臭味。泥炭、泥炭質(zhì)土壓縮性極高，強(qiáng)度隨著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的腐爛而逐漸減弱，具有長期的不穩(wěn)定性，因此一般不用作建筑物地基。

筆者提出開挖換填和擠淤2種方案。通過與施工單位溝通，考慮到擠淤后需鉆孔檢測，為規(guī)避事后檢測不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險，最終采用開挖換填的方式，處理深度為3～8 m，并現(xiàn)場進(jìn)行土質(zhì)檢測，確保完全清除腐木。同時為節(jié)省工程投資，設(shè)計采用開山砂或疏浚的風(fēng)化巖作為換填料，經(jīng)泥駁運輸至開挖區(qū)進(jìn)行拋填。施工后工后沉降很小，達(dá)到了較為滿意的效果。

3?工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容

3.1?施工期的臨時防護(hù)

強(qiáng)涌浪對防波堤的設(shè)計和季風(fēng)期各項水上施工活動影響顯著。工程區(qū)域常年風(fēng)浪較大，大浪來襲時，少則持續(xù)2～3 d，多則持續(xù)10 d以上，對施工中的防波堤安全構(gòu)成了威脅，需暫?，F(xiàn)場施工并對其采取保護(hù)措施。

一期設(shè)計時，試驗?zāi)M了護(hù)面尚未施工時的斷面，只有400～800 kg墊層塊石，設(shè)計工況為高、低水位與五年一遇的施工期頻遇波浪H?13%?=2.5 m組合[6]。試驗1 h后，外坡靜水位以上塊石幾乎全部滾落，因此筆者提出，施工中應(yīng)及時護(hù)面，并嚴(yán)格控制防波堤的暴露長度。臨時施工通道的堤頂未護(hù)面時，可在通道外側(cè)加擺大塊石或扭王字塊。

在推填過程中施工期防波堤暴露的堤芯石在沒有墊層大塊石保護(hù)時，局部有幾次被大浪摧毀。為此，根據(jù)涌浪隨季節(jié)變化的規(guī)律和特點，結(jié)合波浪預(yù)報，對堤心石段的暴露長度進(jìn)行嚴(yán)格控制，邊推進(jìn)邊防護(hù)。在每次大浪來襲之前，對于堤心石段，采用500～1 000 kg大塊石進(jìn)行全包圍護(hù)面防護(hù);對于已安裝側(cè)扭王塊的斷面，在靠海側(cè)的堤頂2 m范圍內(nèi)，增加500～1 000 kg大塊石臨時防護(hù)，減少越浪沖刷，這些措施有效地解決了防波堤施工期的安全問題。

3.2?一二期防波堤的銜接

2014年一期防波堤施工臨近尾聲，此時防波堤內(nèi)外護(hù)面已經(jīng)安裝完成，即將開始堤頂扭王塊的安裝，業(yè)主提出了一個重大變更，要求在圖4斷面基礎(chǔ)上實現(xiàn)行人行車功能，即在堤頂做混凝土路面。

為兼顧后續(xù)二期施工的陸上推進(jìn)需要，設(shè)計經(jīng)評估，一期堤頂暫時不澆筑路面，但在一二期銜接期間，對未成形的防波堤段，應(yīng)采取必要的臨時防護(hù)措施，如圖7所示。二期擴(kuò)建時，再在堤頂上方直接澆筑路面，從而達(dá)到無縫銜接，避免重復(fù)建設(shè)。堤頭仍采用8 t扭王塊護(hù)面，二期施工時可將8 t扭王塊吊起，再推填堤心石。

斷面試驗顯示，在極端高水位，十年一遇波浪作用下，1～2 t護(hù)面塊石失穩(wěn)率僅為0.87%，滿足規(guī)范要求，且斷面其他各部分均穩(wěn)定。越浪量為102?L/（s·m）?，越堤水體跌落距離為10.61 m，次生波高為0.39 m。斷面試驗驗證了本方案在十年一遇的波浪作用下是穩(wěn)定的，且堤頂高程降低為?+4.83 m?，越浪形成的港內(nèi)波高不影響港口的運營。此外，一期工程運營期間，業(yè)主應(yīng)開展氣象觀測預(yù)報，如有大浪等異常天氣來臨，須采取必要的防護(hù)措施。

3.3?低堤頂?shù)幕炷谅访嬖O(shè)計

二期設(shè)計時，業(yè)主對堤頂路面的寬度做了比選，選擇了半路面方案，見圖8。該方案的主要風(fēng)險點在于堤頂高程是按允許越浪設(shè)計的，而越浪水體對堤頂混合結(jié)構(gòu)及堤后塊體的穩(wěn)定性影響大。設(shè)計中將路面直接現(xiàn)澆在堤頂大塊石上方，用水泥漿填充大塊石縫隙，取消了常規(guī)的碎石整平層，規(guī)避了碎石層被波浪淘刷的風(fēng)險，既增加了路面的自重，又提高了路面與拋石之間的摩擦系數(shù)。物理模型試驗實測五十年一遇最大平均越浪量為49.8 L/（s·m）;越堤水體跌落最大距離為17.60 m，次生波高為0.63 m;路面結(jié)構(gòu)受到最大浮托力為168.83 kN/m。堤頂混合結(jié)構(gòu)在各工況下是穩(wěn)定的。

扭王塊與路面的連接處是個薄弱部位，為此模擬運營期維護(hù)不到位且堤頂海側(cè)只保留單個扭王塊（前或后）的工況情況，試驗顯示堤頂混合結(jié)構(gòu)依然是穩(wěn)定的。最終堤身處路面采用寬4.6 m×厚0.8 m規(guī)格的大板;堤頭處采用加重寬8.0 m×厚1.0 m規(guī)格的大板，兩側(cè)通過加趾的措施來增加其穩(wěn)定性。

業(yè)主欲進(jìn)一步將該防波堤打造成為當(dāng)?shù)氐挠^光景點，要求對堤頂?shù)氖褂眯赃M(jìn)行評估。防波堤是按允許越浪設(shè)計的，基于施工圖斷面的高程，考慮游人和車輛的通行安全要求，越浪量標(biāo)準(zhǔn)按EurOtop規(guī)范[9]設(shè)計，行車取值≤0.02 L/（s·m），行人取值≤0.1 L/（s·m）。

對由波浪引起的防波堤不可通行時間進(jìn)行評估，利用短期實測和長期后報的波高與周期聯(lián)合分布，結(jié)合斷面模型試驗實測的越浪量，與陳國平等[11]及EurOtop規(guī)范[9]里的公式數(shù)值擬合，得到年不可通行時間為1.8%，如圖9所示。為便于港口管理，簡單按波高進(jìn)行控制，即防波堤外實測有效波高不大于1.2 m時，游人和車輛可安全通行。

4?結(jié)?語

針對非洲西海岸某深水防波堤進(jìn)行研究，結(jié)果表明：1）5 t與8 t中國扭王塊在西非10～16 s涌浪環(huán)境下是適用的;2）涌浪對于護(hù)面塊體的穩(wěn)定有明顯的影響，特別是在波浪破碎區(qū)，相對于短周期風(fēng)浪，涌浪產(chǎn)生的沖刷作用大，強(qiáng)涌浪對防波堤的設(shè)計和季風(fēng)期各項水上施工活動影響顯著;

3）越浪量標(biāo)準(zhǔn)可分兩級區(qū)別對待，運營工況考慮人員和工作車輛行走，校核工況考慮結(jié)構(gòu)安全;

4）腐木地質(zhì)強(qiáng)度隨著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的腐爛而逐漸減弱，具有長期的不穩(wěn)定性，應(yīng)采取清除措施。開挖換填后，沉降小，處理效果好;

5）低堤頂?shù)幕炷谅访嬖O(shè)計，需重點評估越浪對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，同時在運營期間應(yīng)限定人員車輛可作業(yè)的波高。

目前，長周期涌浪的研究，在國際上是個公認(rèn)的焦點，后續(xù)設(shè)計可重點關(guān)注長周期涌浪在斜坡式防波堤中的透浪性能對港內(nèi)船舶的系泊和運動量的影響，以及施工船舶在此類海況下的適應(yīng)性。

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