長周期波浪作用下斜坡式引堤結構設計分析

孫 麗，孫運佳

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

引 言

海外工程建設過程中經常遇到波浪周期長、波能大的惡劣建港條件。長周期波浪的特性及作用效果尚未得到全面認識和研究。因此，本文結合具體工程實例，分析了長周期波浪對斜坡式引堤的影響，對引堤斷面設計進行了優(yōu)化，為類似的工程設計提供指導和參考。

1 工程背景

本工程位于幾內亞西海岸中部，面向大西洋，北距卡姆薩港52 km，東南距首都科納克里112 km。本工程一期水工建筑物包括引堤、護岸、防波堤和1 個1.2 萬t 級泊位。根據平面布置要求，引堤長 1 270 m；西側護岸長181 m；防波堤由西防波堤和南防波堤組成，總長500 m。

引堤和護岸將為施工期和未來使用期提供通道，且堤頂設有皮帶機，越浪要求較防波堤更為嚴格。根據設計要求，引堤的堤頂?shù)脑嚼肆坎淮笥?0.02 m3/(m·s)，為保證皮帶機的使用安全，還需結合試驗情況進行判斷。本文以引堤為研究對象，防浪標準采用重現(xiàn)期為50 年一遇，即采用最不利水位與50 年一遇波浪組合進行承載能力極限狀態(tài)下的結構分析和正常使用狀態(tài)下的使用要求分析。根據勘察資料，引堤從堤根0+0 m 至0+400 m 處，水深變化較為劇烈，泥面高程從6 m 變化至-2.5 m，其余900 m 堤身至防波堤堤頭段水深變化較小，泥面高程約為-2.5～-4.0 m。本文以泥面高程-4.0 m 處的堤身斷面進行分析。工程總平面布置見圖1。

圖1 平面布置示意

1.1 設計水位

極端高水位4.9 m；設計高水位4.1 m；設計低水位0.5 m；極端低水位-0.1 m。

1.2 設計波浪

幾內亞附近海域波浪主要集中在SSW到WSW向，三個方向頻率占到91.56 %，強浪向在S～SW之間。波浪常年以涌浪為主，平均周期較大，盡管有少量風暴發(fā)生，但都為向西及西偏北方向移動，故極端天氣引起的大浪相對較少。

選取的分析斷面處的設計波浪要素[1]見表1。

表1 引堤外側各水位對應設計波浪要素

2 引堤初始方案

2.1 斷面結構

由于當?shù)厥县S富，且混凝土造價遠高于石料造價，考慮到工程的經濟性，經分析論證后引堤采用斜坡式拋石堤，護面防護結構采用塊石代替人工塊體。

斷面的堤頂高程、護面塊石及護底塊石重量根據設計規(guī)范[2]進行計算。但考慮到長周期波浪的特性，在設計斷面時外側堤頂高程比計算值增加了 1 m。

引堤初始斷面結構設計如下：

斷面外側采用6～8 t 塊石護面，堤頂高程為 9.0 m，在-1.0 m 高程位置設有5 m 寬肩臺；墊層塊石重量為300～600 kg，墊層下設10～100 kg 塊石；外側護底重量為100～200 kg；堤心采用開山石；斷面包含兩個胸墻，外側為現(xiàn)澆混凝土胸墻，頂高程為8.5 m，內側為漿砌塊石擋墻，頂高程為6.6 m；兩塊擋墻之間為石渣臨時路面，石渣路面下設10～50 kg 塊石，路面寬度根據皮帶機寬度及通行要求確定為12 m；堤后護面采用600～800 kg 塊石，下設10～100 kg 塊石；內側護底重量為100～200 kg。斷面結構型式見圖2。

圖2 引堤初始斷面

2.2 實驗結論及分析

對引堤初設設計斷面進行試驗[3]，試驗水位按照設計低水位、設計高水位、極端高水位的順序進行，每組工況單獨作用時間為1 000 個波。

在設計低水位及其波浪要素作用下無越浪發(fā)生，但由于堤前水深較淺，波浪在堤前形成卷破，由于波浪的破碎，對外側100～200 kg 護底塊石形成明顯的沖刷，多塊塊石隨波浪作用出現(xiàn)向岸滾動。該工況結束后，部分100～200 kg 護底塊石堆積于6～8 t 棱體縫隙中，護底最大沖刷寬度約1.7 m。胸墻保持穩(wěn)定，堤后各部位均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在設計高水位波浪及其要素作用下，堤頂越浪明顯。越浪水體部分作用于堤后石渣臨時路面，部分大浪可直接作用于漿砌石擋浪墻及后坡600～ 800 kg 護面塊石坡面，堤后護面塊石少量被沖刷滾落。該工況結束后，形成一個寬度4.45 m，深度約1.12 m 的沖刷溝。大浪下堤頂一塊護面塊石隨長波作用被沖刷至堤后，落于路面位置。部分碎石被沖刷至漿砌石擋浪墻頂部或堆積于堤后。外側混凝土胸墻保持穩(wěn)定，外坡護面未發(fā)生明顯變形。

在極端高水位及其波浪要素作用下，越浪強度較上一水位繼續(xù)增強，越浪水體大浪可直接作用于漿砌石擋浪墻及后坡600～800 kg 護面塊石肩角位置，肩角位置部分塊石被沖刷滾落。在波浪的作用下，沖刷溝寬度繼續(xù)擴大，該工況結束后，沖刷溝寬度約6.85 m，沖刷的部分碎石將漿砌塊石掩埋。堤頂累積兩塊6～8 t 護面塊石隨長波作用被沖刷至堤后，落于路面位置。當作用500 個波時堤后路面位置堤心石已經露出，因此判定該斷面整體失穩(wěn)。不同設計水位及波浪要素作用下的試驗結果如圖3～圖7 所示。

圖3 設計低水位作用下護底塊石沖刷狀態(tài)

圖4 設計高水位大浪作用于堤后狀態(tài)

圖5 設計高水位作用下堤后碎石路面沖刷狀態(tài)

圖6 極端高水位大浪作用于堤后狀態(tài)

圖7 極端高水位作用下堤后碎石路面沖刷狀態(tài)

3 優(yōu)化方案一

3.1 斷面結構

針對初始斷面模型試驗發(fā)現(xiàn)的主要問題進行調整，優(yōu)化方案一主要調整如下：

1）增加肩臺寬度，斷面外側6～8 t 塊石護面肩臺寬度增加至10m；

2）增加胸墻高度，將外側現(xiàn)澆混凝土胸墻頂高調整為10.5 m；

3）護面2.0 m 高程處設置寬度5 m，坡度1:1.5，重量6～8 t 的堆石壓腳；

4）增大外側護底塊石重量，外側護底塊石重量調整為200～300 kg。

優(yōu)化斷面一的結構型式如圖8 所示。

圖8 引堤優(yōu)化斷面一

3.2 實驗結論及分析

在不同水位及波要素組合作用下，引堤優(yōu)化斷面一未出現(xiàn)失穩(wěn)或變形。極端高水位大浪作用下越浪明顯，最大越浪水舌伴有明顯摻氣，越浪水體多為不連片水花，最遠潑落點可至堤后護面斜坡與靜水位交界位置，但大多數(shù)越浪水體均落于堤后5 m范圍內。極端高水位下的波浪越浪狀態(tài)如圖9 所示。外側護面層各部位保持穩(wěn)定，護底塊石整體形狀均未發(fā)生明顯改變，混凝土胸墻及漿砌塊石胸墻均保持穩(wěn)定，堤后各部位也保持穩(wěn)定，僅靠近胸墻根部位置的石渣路面略有沖刷，沖刷厚度約一層，沖刷寬度約3 m，堤后沖刷狀態(tài)如圖10 所示。

極端高水位及波要素組合下，優(yōu)化斷面一的實測單寬平均越浪量Q=0.002 m3/(m·s)。

圖9 極端高水位波浪越浪狀態(tài)

圖10 堤后碎石路面沖刷狀態(tài)

4 優(yōu)化方案二

4.1 斷面結構

考慮到優(yōu)化方案一的擋浪墻斷面增大導致混凝土用量增加，而該地區(qū)的混凝土與石料的造價比又相差較大，盡管優(yōu)化斷面一滿足安全穩(wěn)定要求，但在工程經濟性角度仍需優(yōu)化。

為降低施工成本，提高工程經濟性，優(yōu)化方案二主要調整如下：

1）抬高外側6～8 t 護面塊石肩臺的頂高程至10.5 m；

2）降低外側現(xiàn)澆混凝土胸墻頂高程至9 m；

3）將寬度為5 m、坡度1:1.5，重量6～8 t 的堆石壓腳頂高程降低至護面-1.2 m 高程處。 優(yōu)化斷面二結構型式如圖11 所示。

圖11 引堤優(yōu)化斷面二

4.2 實驗結論及分析

在不同水位及波要素組合作用下，引堤優(yōu)化斷面二未出現(xiàn)失穩(wěn)或變形，外側護面層各部位保持穩(wěn)定，護底塊石整體形狀未發(fā)生明顯改變，混凝土胸墻及漿砌塊石胸墻均保持穩(wěn)定，堤后各部位也保持穩(wěn)定，堤后石渣路面略有沖刷，沖刷厚度約一層。極端高水位下的波浪越浪狀態(tài)如圖12 所示。

極端高水位及波要素組合下，優(yōu)化斷面二的實測單寬平均越浪量Q=0.0038 m3/(m·s)。

圖12 極端高水位波浪越浪狀態(tài)

5 優(yōu)化方案對比

極端高水位工況下，波浪采用50 年一遇波要素（波高H13%=3 m，周期T=13.5 s）時，大多數(shù)越浪水體的落點位置均位于胸墻后沿5 m 范圍內，不同斷面的試驗結果對比見表2。

優(yōu)化方案一、二均能滿足安全穩(wěn)定的使用要求。方案二擋浪墻斷面較小，每延米混凝土用量為6.1 m3，方案一每延米混凝土用量為13.5 m3，混凝土用量比為1:2.2；方案二塊石量用量較大，每延米塊石用量為548.0 m3，方案一每延米塊石用量為527.6 m3，塊石用量比為1:1.04。

綜合考慮施工條件、材料成本，優(yōu)化方案二整體造價更低。

表2 斷面試驗結果對比

6 結 語

1）長周期波浪能量大，爬高水體在堤岸前易發(fā)生急劇破碎，對結構沖擊力較大。進行物理模型試驗驗證時，滿足越浪要求的堤頂高程比按照規(guī)范計算的堤頂高程大。如果按照規(guī)范計算結果設計斷面，容易出現(xiàn)斷面失穩(wěn)。

2）為節(jié)約工程造價，工程路面采用石渣臨時路面，在使用過程中有損壞或被掏刷的風險，需在使用中及時監(jiān)測和修復。

3）在混凝土造價高，石料造價低時，為降低施工成本，可采用抬高護面塊體肩臺頂高程，降低混凝土擋浪墻的頂高程的斷面設計。