東營(yíng)港東營(yíng)港區(qū)防波擋沙堤結(jié)構(gòu)型式研究

楊文斌，李 穎

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

我國(guó)已成功在多處粉砂質(zhì)海岸上進(jìn)行了較大規(guī)模港口建設(shè)，但隨著港區(qū)建設(shè)擴(kuò)容、碼頭等級(jí)的提升，配套進(jìn)出港航道等級(jí)也需要相應(yīng)提升，航道深度和長(zhǎng)度均需大幅度增加；而粉砂質(zhì)海岸泥沙起動(dòng)條件較低，航道兩側(cè)底質(zhì)泥沙易受風(fēng)浪流的影響對(duì)航道乃至港池形成淤積，隨著航道向外海延伸和航道深度的增加，泥沙淤積對(duì)航道的影響也愈加嚴(yán)重，為此需要在航道兩側(cè)建設(shè)防波擋沙堤以對(duì)航道形成掩護(hù)，有效減少平常浪作用下的泥沙淤積和風(fēng)暴潮作用下的泥沙驟淤，減輕航道維護(hù)疏浚的壓力，提高航道通航保證率，確保船舶通航安全。

1 工程概況

為滿足東營(yíng)港區(qū)在建及規(guī)劃10 萬(wàn)t 級(jí)及以上泊位通航要求，擬建設(shè)10 萬(wàn)t 級(jí)進(jìn)港航道，為掩護(hù)航道，在航道兩側(cè)新建南、北兩段防波擋沙堤。防波擋沙堤工程按二級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期按50 年一遇考慮，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.165 g。

南、北段防波擋沙堤所在海域的天然泥面標(biāo)高約為-9.5～-14.6 m，所處位置軟土層厚度較大，其中北防波擋沙堤軟土層厚度約9～12 m，南防波擋沙堤軟土層厚度約8～14 m。

本工程設(shè)計(jì)高水位1.54 m(以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?，下?，設(shè)計(jì)低水位-0.10 m，極端高水位2.99 m，極端低水位-1.62 m。

2 防波擋沙堤設(shè)計(jì)方案

防波擋沙堤的設(shè)計(jì)需綜合考慮工程地質(zhì)，水文和水深等工程條件，在保證工程使用功能的基礎(chǔ)上，最大程度地保證工程經(jīng)濟(jì)性。

在平面布置[1]上，南、北防波擋沙堤均平行于航道設(shè)置，其中北防波擋沙堤長(zhǎng)度為6 300 m；南防波擋沙堤長(zhǎng)度為6 709 m，兩堤間距1.4 km，堤頂高程均采用從5.0～-9.0 m 漸變過(guò)渡，其中起始 200 m 的過(guò)渡段高程為5.0～1.0 m，其余部分均從1.0～-9.0 m 漸變。平面布置圖見圖1。

圖1 平面布置示意圖

在結(jié)構(gòu)型式的選取上，防波擋沙堤主要有斜坡式、直立式和混合式三種結(jié)構(gòu)型式。通過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)于堤頂高程較高的區(qū)段，直立式結(jié)構(gòu)所受波浪力較大，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，需增大結(jié)構(gòu)斷面尺寸，引起工程造價(jià)大幅提高，方案經(jīng)濟(jì)性較差。而對(duì)于堤頂高程較低的潛堤段，直立式結(jié)構(gòu)所受波浪力相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性在可接受范圍內(nèi)。因此考慮在堤頂高程較高的區(qū)段（5.0～-4.0 m），參照本港已建防波堤工程，采用對(duì)波浪、地質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)的斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)，在堤頂高程較低、受波浪作用相對(duì)較小的的區(qū)段(-4.0～-9.0 m)，進(jìn)行斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)、重力式方塊直立堤結(jié)構(gòu)、樁式直立堤結(jié)構(gòu)、箱筒結(jié)構(gòu)和半圓型沉箱結(jié)構(gòu)五種結(jié)構(gòu)方案的比選。

對(duì)于斜坡式拋石潛堤，現(xiàn)行規(guī)范[2]中缺少護(hù)面塊體、墊層塊石及護(hù)底塊石穩(wěn)定重量的計(jì)算方法。為解決上述問題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)波浪潮流泥沙物理模型試驗(yàn)和斷面物理模型試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，以下為模型試驗(yàn)結(jié)果。

在本工程波浪潮流泥沙物理模型試驗(yàn)[4]過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)南、北防波擋沙堤的堤頭段存在局部沖刷，因此將堤頭段200 m 范圍內(nèi)的護(hù)底塊石結(jié)構(gòu)均加寬。在斜坡式拋石潛堤的斷面模型試驗(yàn)[5]中，分別進(jìn)行了不同堤頂高程（+5.0 m、-6.0 m、-6.8 m、-8.0 m）的斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)。表1 為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 斜坡式拋石堤結(jié)構(gòu)斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表

對(duì)于直立式潛堤結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行規(guī)范[2-3]中缺少護(hù)底塊石穩(wěn)定重量和結(jié)構(gòu)波浪力的計(jì)算方法。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)直立堤斷面波浪物理模型試驗(yàn)[4]對(duì)護(hù)底塊石穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所受波浪力進(jìn)行了測(cè)量。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了斜坡式拋石潛堤和各種直立式潛堤的斷面設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)斷面見第3 節(jié)水工結(jié)構(gòu)方案比選。

3.水工結(jié)構(gòu)方案比選

3.1 斜坡式拋石潛堤方案

拋石堤具有施工方便，且損壞后易修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，是砂石料充足區(qū)域常用的防波擋沙結(jié)構(gòu)。本工程區(qū)域砂石料充足，因此首先考慮該結(jié)構(gòu)型式，鑒于工程區(qū)域的天然地基不能滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要求，需在斜坡堤上部結(jié)構(gòu)施工前，對(duì)軟土層進(jìn)行地基處理。對(duì)頂高程5.0～-6.8 m 區(qū)段，采用排水固結(jié)與土工織物加筋層相結(jié)合的方法進(jìn)行地基處理，具體地基處理方法如下：在天然泥面上分層鋪設(shè)共 1.0 m 厚的砂被作為水平排水層，同時(shí)在地基中打設(shè)塑料排水板作為豎向排水層；在地基上鋪設(shè)一層300 kN 的高強(qiáng)土工格柵，其上鋪設(shè)一層二片石墊層。對(duì)于頂高程-6.8～-9.0 m 區(qū)段，根據(jù)相關(guān)計(jì)算，無(wú)需進(jìn)行地基處理。

地基處理之后進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，堤心采用10～100 kg 塊石，兩側(cè)邊坡采用1:1.5，(5.0～-6.0 m)護(hù)面層采用12t 扭王字塊體，護(hù)面塊體與堤心石之間設(shè)有600～800 kg 塊石墊層。(-6.0～-9.0 m)護(hù)面層采用8 t 扭王字塊體，護(hù)面塊體與堤心石之間設(shè)有400～600 kg 塊石墊層。堤身兩側(cè)設(shè)有600～800 kg塊石壓腳棱體。為防止沖刷，坡腳設(shè)置150～200 kg護(hù)底塊石、二片石墊層及復(fù)合土工軟體排，護(hù)底結(jié)構(gòu)寬度在堤頭段200 m 范圍內(nèi)兩側(cè)均為50 m，其余部分兩側(cè)均為15 m。斜坡式潛堤結(jié)構(gòu)方案斷面圖見圖2。

圖2 拋石斜坡式結(jié)構(gòu)方案斷面圖（潛堤）

該結(jié)構(gòu)方案具有堅(jiān)固耐久，對(duì)地基沉降適應(yīng)性強(qiáng)，損壞后易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)混凝土用量小，工程造價(jià)較低（后文以該結(jié)構(gòu)方案單延米造價(jià)為基數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選）。對(duì)地基土采取打設(shè)塑料排水板進(jìn)行排水固結(jié)的地基處理方案，該方案地基土中的淤泥只在原地進(jìn)行加固處理，對(duì)周邊環(huán)境基本無(wú)影響；但水下插塑料排水板的施工作業(yè)受水深和天氣的影響較大，且打設(shè)排水板后地基土排水固結(jié)需要一定周期，故該方案施工工期相對(duì)較長(zhǎng)，是一種犧牲一定的施工時(shí)間來(lái)?yè)Q取較為經(jīng)濟(jì)且對(duì)環(huán)境污染較小的軟弱地基土加固效果的地基處理方案。

3.2 重力式方塊直立堤方案

方塊直立堤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，施工速度較快等優(yōu)點(diǎn)，也是海岸工程中常用的碼頭及防波堤結(jié)構(gòu)型式。針對(duì)本工程，首先采用淤泥固化的方式對(duì)地基軟土層進(jìn)行處理，要求固化后土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.5 MPa。地基處理完成后，鋪設(shè)1.5 m厚的10～100 kg 拋石基床。在基床上安裝預(yù)制好的混凝土方塊，方塊底寬8.0 m，最大單塊重約180 t，每層方塊之間通過(guò)型鋼豎向貫通連接以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)整體性。為防止直立堤前沖刷，在基床兩側(cè)坡肩安放柵欄板護(hù)面，并在堤身兩側(cè)拋填60～100 kg 塊石及600～800 kg 護(hù)底塊石，護(hù)底寬度堤身段采用30 m，堤頭段采用50 m。重力式方塊直立堤結(jié)構(gòu)方案斷面見圖3。

圖3 重力式方塊直立堤結(jié)構(gòu)方案斷面圖

相較于拋石斜坡堤，重力式方塊直立堤斷面尺寸更小，結(jié)構(gòu)整體性更好；但需要使用大量的混凝土及專門的混凝土塊體預(yù)制和堆存場(chǎng)地，對(duì)于本工程的軟土地基還需采用淤泥固化的方式進(jìn)行地基處理，因此該結(jié)構(gòu)方案工程造價(jià)較高，與斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)方案的單延米造價(jià)之比約為1.87:1。

3.3 樁式直立堤方案

傳統(tǒng)的樁式堤多為樁基透空式防波堤[5-6],通過(guò)帶擋浪板的樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)形成防波堤，擋浪板下部為透空結(jié)構(gòu)，多用于出水堤。而對(duì)于潛堤，一方面，擋浪板下部不允許透水；另一方面，很難在水下澆筑鋼筋混凝土承臺(tái)形成潛堤結(jié)構(gòu)，因此本工程提出了采用大直徑鋼管樁+鋼板樁的組合樁結(jié)構(gòu)。每組組合樁由1 根大直徑鋼管樁（主樁）和一對(duì)“Z”型鋼板樁（輔樁）組成，鋼管樁及鋼板樁之間均通過(guò)專用連接件連接形成連續(xù)的直立式防浪擋沙堤身結(jié)構(gòu)，樁身截面示意見圖4。

圖4 樁身截面示意圖

鋼管樁直徑采用1.6 m，壁厚根據(jù)堤頂高程不同，分區(qū)段分別采用24 mm、22 mm 和20 mm；鋼板樁采用AZ20-800 型。根據(jù)“踢腳”穩(wěn)定性要求，堤身鋼管樁打設(shè)底高程為-34.0～-36.0 m“Z”型鋼板樁打設(shè)底高程采用-26.0m。在組合樁結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別拋填60～100 kg 塊石及600～800 kg 護(hù)底塊石，護(hù)底寬度堤身段采用30 m，堤頭段采用50 m。樁式直立堤結(jié)構(gòu)方案斷面見圖5。

圖5 樁式直立堤結(jié)構(gòu)方案斷面示意圖

該方案通過(guò)鋼管樁和板樁將作用力傳給地基，無(wú)需進(jìn)行地基處理，可節(jié)省地基處理時(shí)間，但需要專業(yè)打樁船，打樁數(shù)量較多，施工條件要求較高，同時(shí)該結(jié)構(gòu)耐久性較混凝土結(jié)構(gòu)略差，該結(jié)構(gòu)方案與斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)方案的單延米造價(jià)之比約為1.49:1。

3.4 箱筒直立堤方案

箱型吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定宜于滿足，施工速度快，且適用于軟土地基的結(jié)構(gòu)型式[7][8]。本方案采用多組箱筒結(jié)構(gòu)組成防波擋沙堤，每組箱筒結(jié)構(gòu)由上下兩部分構(gòu)成，下部為基礎(chǔ)筒，筒結(jié)構(gòu)長(zhǎng)和寬均為27.0 m，由四個(gè)基礎(chǔ)圓筒組成，插入到地基土中。單個(gè)圓筒外徑為11.8 m，內(nèi)徑為11.2 m，壁厚為0.30 m，高約為10 m，相鄰兩組結(jié)構(gòu)間的凈距為1.0 m。相鄰圓筒間采用連接墻、蓋板和圈梁等其他構(gòu)件相連形成整體結(jié)構(gòu)，連接墻寬為3.4 m，厚為0.5 m，高約為10 m，上部通過(guò)在基礎(chǔ)圓筒型構(gòu)件的筒體間的蓋板上沿縱軸線并列2 個(gè)帶耳墻的上部圓筒型構(gòu)件作為防浪擋沙結(jié)構(gòu)，單個(gè)圓筒的外徑為12.1 m，內(nèi)徑為11.3 m，壁厚為0.40 m，高為3.2～8.0 m。堤頂高程為-4.0～-9.0 m。每組箱筒結(jié)構(gòu)重量控制在3 000 t 左右。為防止堤底沖刷，在箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩側(cè)拋1.0 m 厚砂墊層，打設(shè)塑料排水板至-24.0～-26.0 m，其上拋200～300 kg 護(hù)底塊石。每組箱筒間拋100～200 kg 護(hù)底塊石。結(jié)構(gòu)方案斷面見圖6。

圖6 箱筒結(jié)構(gòu)方案斷面示意圖

該方案相較斜坡式拋石潛堤方案和方塊直立堤方案，地基處理工程量相對(duì)較少，但需要專門的箱筒預(yù)制和堆存場(chǎng)地及出運(yùn)碼頭，且圓筒預(yù)制，拖運(yùn)和下沉工藝稍復(fù)雜，施工難度較大。同時(shí)該結(jié)構(gòu)方案工程費(fèi)用較高，與斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)方案的單延米造價(jià)之比約為1.66:1。

3.5 半圓型沉箱堤

半圓型防波堤[9-10]得益于堤面圓弧型設(shè)計(jì)，具有波浪水平力小，且波浪力方向通過(guò)圓心，整體傾覆力矩小的特點(diǎn)，因此在相同波浪條件下，較輕的質(zhì)量便可滿足抗滑抗傾覆要求，是一種適用于軟基的防波堤結(jié)構(gòu)型式。本方案參考半圓型防波堤提出了一種半圓型沉箱與拋石斜坡堤復(fù)合結(jié)構(gòu)，堤身下部為斜坡式拋石結(jié)構(gòu)并兼作基床，堤身上部為半圓型沉箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)地基承載力要求，堤身下部拋石斜坡式結(jié)構(gòu)采用和斜坡式拋石潛堤方案類似的排水固結(jié)和加筋墊層結(jié)合的地基處理方法，同時(shí)開挖換填10～100 kg 塊石作為堤身，該結(jié)構(gòu)同時(shí)作為上部半圓型沉箱的基床，基床兩側(cè)拋填10～100 kg 塊石和600～800 kg 護(hù)底塊石。堤身上部采用半圓型沉箱作為防浪擋沙結(jié)構(gòu)，在堤頂高程-4.0～-7.0 m 區(qū)段半圓型沉箱半徑采用6.0 m，在堤頂高程-7.0～-9.0 m 區(qū)段半徑采用4.6 m。根據(jù)堤身抗滑穩(wěn)定性要求，在半圓型沉箱內(nèi)回填砂以增加堤身穩(wěn)定性。方案斷面見圖7。

圖7 半圓型沉箱結(jié)構(gòu)方案斷面示意圖

該方案相較于方塊直立堤可節(jié)省混凝土用量，但同樣需要專門的預(yù)制和堆放場(chǎng)地，且沉箱預(yù)制，拖運(yùn)和下沉工藝稍復(fù)雜，施工難度較大，且工程費(fèi)用較高，與斜坡式拋石潛堤方案每延米造價(jià)之比約為1.86:1。

3.6 方案比較

根據(jù)自然條件、材料來(lái)源、使用要求、施工條件和結(jié)構(gòu)方案的特點(diǎn)等對(duì)五種形式的防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，比較結(jié)果詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)方案比選表

上述五種結(jié)構(gòu)方案，技術(shù)上均可行，施工工藝成熟。經(jīng)綜合比較，推薦結(jié)構(gòu)方案采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在物理模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)東營(yíng)港東營(yíng)港區(qū)方波擋沙堤的潛堤段進(jìn)行了斜坡式拋石潛堤結(jié)構(gòu)、重力式方塊直立堤結(jié)構(gòu)、樁式直立堤結(jié)構(gòu)、箱筒結(jié)構(gòu)和半圓型沉箱結(jié)構(gòu)五種結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)所提方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。通過(guò)比選得出以下結(jié)論：

1）本次研究在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)必要的模型試驗(yàn)，提出了既能滿足使用性和耐久性，又滿足經(jīng)濟(jì)性和適用性的科學(xué)、合理的防波擋沙堤結(jié)構(gòu)型式。在本文研究的5 種結(jié)構(gòu)型式的潛堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，斜坡式拋石潛堤的工程造價(jià)最低，且耐久性好，損壞后易修復(fù)，是保證結(jié)構(gòu)安全并能夠有效降低工程投資的首選結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2）隨著我國(guó)港口建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，目前部分港區(qū)防波堤的建設(shè)條件相比以往愈加惡劣，且當(dāng)前社會(huì)各界對(duì)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，港口建設(shè)過(guò)程中也要深入貫徹綠色發(fā)展理念，減少對(duì)不可再生資源的大規(guī)模使用，比如減少大規(guī)模開山取石等，故相關(guān)建設(shè)中預(yù)制結(jié)構(gòu)的使用越來(lái)越多，以后同類項(xiàng)目中可能會(huì)偏重于直立式結(jié)構(gòu)的開發(fā)和利用。本文的研究成果表明，在本文研究的拋石斜坡堤之外的其它4 種防波堤結(jié)構(gòu)方案中，樁式直立堤造價(jià)最低，且不需要進(jìn)行額外的地基處理，為直立堤中的推薦方案。

3）目前國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于潛堤的研究尚不成熟，相關(guān)的計(jì)算理論和計(jì)算公式均尚不完善，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)囿于理論和公式的缺乏，在項(xiàng)目的前期研究工作中尤其是沒有相關(guān)試驗(yàn)資料支撐的情況下，無(wú)法確定合理的潛堤結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)斷面尺度，更無(wú)從選取推薦結(jié)構(gòu)方案；根據(jù)這種情況，本文的研究成果對(duì)于類似條件下潛堤結(jié)構(gòu)形式的選取提供了有益借鑒，可以供廣大工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中予以參考。