一種新防波堤結構型式的探索

于曉巖，蔣國棟

（中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東廣州 510000）

引言

常規(guī)的防波堤筑堤材料多采用塊石和混凝土結構，結構型式多為斜坡式、直立式或半直立、半斜坡式和浮箱（浮筒）式。實體斜坡式和重力式防波堤結構安全可靠、耐久性好，在工程中廣泛應用，但斜坡式結構斷面尺寸大、石料耗用多、費用高，重力式結構對地基承載力要求較高、適用性較差[1]。浮式防波堤可適應水深較大、地基軟弱、大潮差和引入水交換改善港內水質等情況，但掩護效果不如坐底式防波堤、波浪周期較長時消浪效果較差[2]。

近年隨著工程項目的多樣性和復雜性，鋼材因其強度高、防水能力強等優(yōu)點逐漸被廣泛應用于防波堤建設中，目前出現(xiàn)的鋼結構防波堤型式有單（雙）排鋼板樁結構[3]、格型鋼板樁結構、箱式結構等，此類結構上部大多采用鋼筋混凝土結構作為導梁增加結構整體剛度，本文依托實際工程設計，提出一種全部鋼構件組成的防波堤結構型式。

1 工程概況

新建漁港碼頭與防波堤工程位于海南省，工程所在海岸線大致為南北走向，所在海域為淺水區(qū)。為滿足漁船的防臺避風要求，通過防波堤和口門的合理布置減少常浪向和強浪向對漁港的影響。在充分考慮本工程水文特性、地理位置條件前提下，結合波浪條件數值模擬結果，本漁港布置北、西、南防波堤，同時結合進港航道走向，保障進出港漁船的操船便利性，將口門布置在西南向。建設總規(guī)模為卸港量12 萬t/a，采用雙環(huán)抱式形成約49.8 m2萬 的港池水域和1 434 m 碼頭岸線，防波堤總長約2 331 m。項目分期建設，近期卸港量8 萬t/a，形成約44.5 m2萬 的港池水域和788 m 碼頭岸線，通過北、西和南防波堤環(huán)抱形成近期防波堤長約1 616 m，其中南防波堤長約360 m，按臨時結構考慮，遠期建設時需要拆除，總體布置示意如圖1。

圖1 總體布置示意

本工程水工建筑物包括碼頭、防波堤和護岸，碼頭泊位數量多、岸線長，水工結構的設計應充分考慮碼頭與防波堤、護岸的銜接，并考慮施工便利性；近遠期分界處臨時南防波堤結構型式的選擇對工程造價及遠期拆除或改建起重要作用。本文依托臨時南防波堤的結構設計，提出一種新型的結構方案。

2 地質條件

根據地層巖性特征從上而下劃分為六個工程地質層：

粉砂：黃褐色、灰黑色，松散～稍密狀，飽和，含貝殼碎屑。層厚0.70～10.80 m，平均值3.62 m。

淤泥質粘土：軟塑～流塑，含貝殼碎屑，具微臭味。層厚1.70～8.10 m，平均值4.46 m。

粉質粘土：黃褐色，可塑狀，干強度中等，韌性中等。主要為粘粒、粉粒，次為中細砂。層厚3.00～13.00 m，平均值7.11 m。

砂質粘性土：黃褐色，可塑～硬塑，干強度中等，韌性中等。層厚1.70～21.90 m，平均值8.50 m。

強風化花崗巖(γ)：黃褐色，巖石風化強烈，巖體破碎，母巖礦物成分為石英、長石、云母等，巖芯呈碎塊、碎塊混土狀。層厚1.40～8.10 m，平均值3.26 m。

中風化花崗巖(γ)：灰色，主要造巖礦物為石英、長石及暗色礦物，巖芯為短柱～長柱狀，RQD=75～87。揭露層厚3.00～3.50 m，未揭穿。

擬建場地內及附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)泥石流、崩塌、滑坡、地面沉降等不良地質作用[4]。

3 新防波堤結構型式的探索

本工程防波堤所處區(qū)域水深較淺，下臥地層為粉砂、砂質粘性土及花崗巖層，地基較好，防波堤采用斜坡式及直立式結構均可。

西、北防波堤為永久性結構，因北防波堤內側作為排污待泊碼頭泊位使用，而斜坡式結構不方便靠船，所以采用重力式直立結構；南臨時防波堤所處區(qū)域未來要擴建成碼頭泊位，考慮鋼板樁直立堤具有便于拆除、施工工期短等優(yōu)勢。

3.1 鋼結構防波堤方案

南防波堤為臨時性結構，安全等級為III 級，設計年限10 年。

南防波堤頂高程為5.5 m，因所處區(qū)域未來改擴建成碼頭泊位，考慮鋼結構具有便于拆除和回收利用、施工工期短等優(yōu)勢，采用鋼板+鋼管組合式防波堤結構。利用ANSYS 有限元軟件對工程進行三維實體建模，經計算迎浪側鋼板樁采用U26 型（壁厚12.5 mm），后排支撐樁采用φ1 000 mm 鋼管樁（壁厚13 mm），斜率1:4，樁端持力層為強風化花崗巖。鋼板樁與鋼管樁之間焊接φ250 mm 鋼管（壁厚8 mm）、后排鋼管樁之間焊接φ400 mm鋼管（壁厚10 mm）增強整體剛度。鋼構件表面進行涂層防腐處理。防波堤平、立、斷面如圖2 所示。

圖2 南防波堤結構示意

重力式碼頭結構與南防波堤鋼板樁結構方案的過渡，因碼頭基槽開挖深度及平面開挖范圍的影響，會引起相接處南防波堤鋼板樁與鋼管樁入土深度較淺，設計與施工過程中均應采取合理且經濟的穩(wěn)樁措施[5-7]，基槽開挖影響范圍內可局部采用灌注樁或鋼管樁嵌巖結構來維持樁基的穩(wěn)定。

3.2 結構計算

1）設計波要素

結合工程整體分近、遠期建設要求，北、西防波堤按遠期永久結構要求，結構設計波要素按50年一遇考慮，近期南防波堤為臨時結構，其結構設計波要素按10 年一遇考慮，且遠期建設時需要拆除。臨時防波堤設計波要素如表1 所示。

表1 臨時南防波堤設計波要素（10 年一遇）

2）結構計算

鋼管-鋼板組合樁、后排支撐樁、連接鋼管均為鋼結構，本文基于彈性地基梁法采用三維有限元法進行結構計算，對防波堤結構進行數值模擬，鋼板樁、后排支撐樁、連接鋼管采用beam188 模擬，連接鋼管與支撐樁設為固結，土體對鋼板樁、后排支撐樁的約束采用combin39 單元模擬。combin39 單元適用于P-Y 曲線法，能更好地結合實際位移對樁基進行約束。根據《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）[8]判別波態(tài)為立波，根據波壓力分布強度，采用ANSYS 有限元軟件進行三維建模計算，各構件內力如表2 所示。

表2 承載能力極限狀態(tài)內力計算

圖3 各構件彎矩（kN·m）

由以上計算結果可以看出，采用全部鋼構件的防波堤結構穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 方案對比

4.1 與同樣樁基鋼筋混凝土胸墻結構對比

本文鋼結構防波堤采用槽鋼和鋼管作為連接結構，以往防波堤結構中上部結構采用鋼筋混凝土結構，本文采用ANSYS 三維建模計算，樁基彎矩見圖4 所示。

圖4 樁基彎矩（kN·m）

兩種結構彎矩對比值如表3 所示。

表3 兩種結構方案彎矩對比

由內力計算結果對比可知，上部結構采用鋼結構相對于混凝土結構來說，樁基內力值偏小，可見新型鋼結構防波堤具有較明顯的技術優(yōu)勢。

4.2 與常規(guī)的斜坡式防波堤結構對比

本文采用堤心充填砂袋加護面塊體結構進行對比，鋼結構防波堤較拋石斜坡式防波堤節(jié)約工程造價約1 400 萬元，歸納兩方案相對的優(yōu)缺點如下：

1）新型鋼結構防波堤，優(yōu)點是：①砂、石料用量少、便于拆除或改建，適用于近遠期臨界面采用；②海域占用面積??；③鋼結構抗彎性能較好；④節(jié)省工程費用；⑤施工方便、施工速度快。缺點是：耐久性相差，鋼結構需采用防腐措施。

2）常規(guī)斜坡式防波堤，優(yōu)點是：防波堤常規(guī)結構耐久性好，多為永久性結構。缺點是：①砂、石料用量大；不便于拆除和改建；②海域占用面積大；③工程費用相對較高；④施工工序較多。

5 結語

1）水深較淺，下臥地層地基較好，采用常規(guī)斜坡式或直立式防波堤投資相對較高，新型鋼結構防波堤與常規(guī)防波堤相比，具有明顯的技術經濟優(yōu)勢，本文為防波堤結構型式的研究提供了新思路。

2）重力式碼頭結構與防波堤鋼結構方案的銜接處，因碼頭基槽開挖深度及平面開挖范圍的影響，會引起相接處防波堤鋼板樁與鋼管樁入土深度較淺，設計與施工過程中均應采取合理且經濟的穩(wěn)樁措施。