略論透空式防波堤樁基設(shè)計(jì)

吳學(xué)昊 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.樁基透空式防波堤的應(yīng)用背景

防波堤是人工掩護(hù)的沿海港口工程中的重要組合部分，主要防御波浪對(duì)港口的侵襲，減小其對(duì)港內(nèi)泊位的影響，從而保證船舶安全停泊和作業(yè)。

防波堤結(jié)構(gòu)型式主要有斜坡式、直立式和其他結(jié)構(gòu)型式，其中斜坡式、直立式均為實(shí)體結(jié)構(gòu)，主要依托于自身的結(jié)構(gòu)自重抵御外海波浪對(duì)其的沖擊影響，保證港區(qū)內(nèi)水域平穩(wěn)和基礎(chǔ)設(shè)施安全。近年來，隨著工程建設(shè)中的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，由于實(shí)體堤對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響較大，此類防波堤在項(xiàng)目報(bào)批報(bào)建過程中較困難。相比實(shí)體堤，樁基透空式防波堤由于一般采用樁基礎(chǔ)，透水性較好，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較小，港池內(nèi)外水體可以進(jìn)行交換，具有較好的環(huán)保效果，其應(yīng)用前景越來越廣泛。

2.樁基透空式防波堤的消浪機(jī)理

樁基透空式防波堤上部一般為墩臺(tái)或框架結(jié)構(gòu)，下部為樁基礎(chǔ)。波浪透過樁基透空式防波堤時(shí)波能將發(fā)生變化，形成三個(gè)部分，即堤前反射波波能、堤后透射波波能以及損耗的能量（此部分主要與波浪水質(zhì)點(diǎn)的碰撞有關(guān)）。波浪從深水區(qū)向淺水區(qū)傳播時(shí)，在現(xiàn)場地形條件的作用下會(huì)形成淺水變形現(xiàn)象并出現(xiàn)折射，從而存在能量損失。入射波會(huì)向透空堤產(chǎn)生沖擊作用，此時(shí)生成多條路徑：一部分能量在結(jié)構(gòu)間的相互作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化，形成反射波波能；一部分透過堤身，形成堤身透射波；還有一部分波浪經(jīng)由擋浪結(jié)構(gòu)后轉(zhuǎn)至堤身后，波浪與樁基接觸產(chǎn)生摩擦作用，由此形成漩渦，期間伴有能量損失。

前后擋浪板的波浪力存在差異（兩者存在相位差），在波浪的轉(zhuǎn)移過程中，當(dāng)其穿過擋浪板后則有較為明顯的能量損失。根據(jù)此特點(diǎn)，部分工程中采用到多層擋板式透空堤，此類結(jié)構(gòu)充分利用到波浪與擋板的相位差，依托于多層擋板的共同作用起到聯(lián)合擋浪的效果。在結(jié)構(gòu)布置中，構(gòu)件前后交錯(cuò)遮掩，此結(jié)構(gòu)布置方式下水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)變化，存在較強(qiáng)烈的碰撞作用，同時(shí)也將形成渦流，經(jīng)過多個(gè)層級(jí)后有效消耗波能。

3.實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 工程概況

為滿足第三屆亞青會(huì)帆板比賽船舶的停泊要求，在港池外側(cè)布置了南、北兩座防波堤，防波堤呈環(huán)抱式。設(shè)計(jì)過程中對(duì)防波堤的結(jié)構(gòu)型式選取做了以下比較：斜坡式防波堤占用水域面積較大，直立式防波堤對(duì)下方地基的要求較高（工程區(qū)域地質(zhì)存在軟弱土層），且兩者均需進(jìn)行填海（相關(guān)海洋功能區(qū)劃要求工程項(xiàng)目范圍不能進(jìn)行圍填海），經(jīng)綜合考慮，防波堤結(jié)構(gòu)型式采用占用水域面積較小、對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性較好的樁基透空式防波堤。

3.2 設(shè)計(jì)水位

高程系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?。極端高水位4.13m，設(shè)計(jì)高水位2.54m，設(shè)計(jì)低水位0.48m，極端低水位-0.65m。

3.3 設(shè)計(jì)波浪

根據(jù)該項(xiàng)目波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告，選取重現(xiàn)期50年S向浪極端高水位和設(shè)計(jì)高水位下防波堤設(shè)計(jì)波要素作為計(jì)算依據(jù)，代表點(diǎn)位于南防波堤堤頭位置，該位置極端高水位下H1%波高為5.83m，設(shè)計(jì)高水位下H1%波高為5.58m，波周期Ts均為11.93s。

3.4 設(shè)計(jì)方案

防波堤結(jié)構(gòu)采用相比單排擋浪板消浪效果更好的雙排擋浪板結(jié)構(gòu)形式，其中南防波堤斷面寬度為10m，樁基礎(chǔ)采用φ800mm鋼管樁，斜樁斜率采用3∶1或7∶1，排架間距2.25m，樁基上部現(xiàn)澆墩臺(tái)；防波堤前后設(shè)置預(yù)制鋼筋混凝土擋浪板，擋浪板底標(biāo)高-1.70m；防波堤堤面高程為5.90m，堤面以上設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程為7.10m。防波堤下方拋放500～1000kg塊石棱體和二片石墊層，塊石棱體頂面高程為-2.50m。

3.5 受力分析

3.5.1 波浪力計(jì)算

本文通過理論計(jì)算得到波浪力的具體數(shù)值，并與斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果提供的波浪要素，按照《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)10.1、10.3、10.5章節(jié)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，分別得出作用在墩臺(tái)和擋浪板的波壓力、作用在樁基的波浪力以及作用在墩臺(tái)底部的浮托力。通過物理模型試驗(yàn)確定了作用在防波堤墩臺(tái)和擋浪板上的波浪力、作用在墩臺(tái)底部的豎向力以及作用在樁上的波浪力。理論計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 理論計(jì)算結(jié)果與斷面物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比可看出，理論計(jì)算得出的波浪力比斷面物模得出的波浪力較小，這是由于理論計(jì)算主要基于波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)提供的波浪要素，對(duì)比物理模型試驗(yàn)在局部的一些邊界處理上不夠完善（如堤根位置的波能集中現(xiàn)象及越浪和雍水現(xiàn)象的模擬），造成數(shù)模中的部分防波堤設(shè)計(jì)波浪要素比物模的小，進(jìn)而影響理論計(jì)算結(jié)果。此外，由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)作用在樁基透空式防波堤結(jié)構(gòu)的波浪力只能參考波浪對(duì)直墻式建筑物的作用，對(duì)于透空式防波堤計(jì)算理論尚不成熟，現(xiàn)行規(guī)范要求透空式防波堤各部位的波浪力應(yīng)通過模型試驗(yàn)確定。因此，在透空式防波堤的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)同步進(jìn)行波浪模型試驗(yàn)，以確定波浪要素和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.5.2 計(jì)算模型

建模計(jì)算采用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行，上部墩臺(tái)采用實(shí)體單元模型，樁采用桿件模型，樁長按受彎嵌固點(diǎn)距泥面深度確定，按斷面物理模型試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)果添加波浪荷載(波浪荷載按物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輸入，其中樁基波浪力按規(guī)范計(jì)算結(jié)果輸入）。

3.5.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析后，明確在波壓力、浮托力和樁基波浪力作用下防波堤的具體表現(xiàn)，即位移、上拔力、壓樁力、彎矩、樁身應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中不斷調(diào)整樁間距、樁布置、樁斜度，使樁受到的上拔力、壓樁力滿足承載力要求，應(yīng)力滿足材料的容許應(yīng)力要求，該項(xiàng)目主要是樁身應(yīng)力控制，在計(jì)算過程中應(yīng)保證除預(yù)留腐蝕厚度外鋼管樁壁厚滿足受力要求。此外，在布置樁位時(shí)應(yīng)設(shè)置不同的扭角使樁基有不同的朝向以抵抗不同方向的來浪，并考慮樁間距和扭角是否滿足打樁船打樁作業(yè)的要求，確保打樁的可行性。

4.結(jié)語

樁基透空式防波堤具有透水性好、對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響較小、對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性較好的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。本文對(duì)樁基透空式防波堤受到的波浪荷載進(jìn)行計(jì)算，并與物模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，由于樁基式透空式防波堤的計(jì)算理論尚不成熟，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn)輔以驗(yàn)證。