某海港码头直立式沉箱过渡段受力特性物理模型试验研究

曹 昌 志

(苏交科集团股份有限公司， 江苏 南京 210019)

随着水运工程的迅猛发展，我国沿海码头吞吐量逐年提升，船舶尺度发展呈大型化趋势，因此海港工程不断向深水海域延伸。由于深水海域风浪大，自然条件恶劣，需要在设计阶段对码头结构的波浪特性及受力特性进行系统分析，确保码头在极端工况下的稳定性[1]。

由于直立式沉箱结构还未广泛应用，对于直立式沉箱过渡段受力特性研究较少，目前只有若干学者、专家采用物理模型试验研究对其进行相关研究[2-6]。重庆交通大学的钟亮教授[7]采用正态物理模型试验的方法，分析了广西某直立式沉箱挡墙的结构稳定性和挡墙受力特性。天津大学的刘庆生教授[8]采用波浪试验，分析了渤海湾某直立式沉箱结构段的特征水文、波浪参数，并分析了各特征工况下的码头泊稳情况。

广东某海港码头位于广东省湛江市西南沿海部分，码头共设置一个重件泊位和一个煤炭泊位，两个泊位之间通过造价较为经济的直立式沉箱结构作为过渡段。根据2000年—2015年工程海域的波浪要素统计资料，工程处风浪大、建设条件恶劣。因此，借助物理模型试验，从结构所受波浪力、直立式沉箱堤顶越浪量、堤前护顶块石稳定性等方面对直立式沉箱过渡段受力特性进行验证，为断面结构设计提供依据。

1 工程概况

1.1 工程方案设计

工程采用“L”型单堤掩护布置形式，利用码头、引堤将本海域SSE—WNW主浪向予以掩护，工程平面布置图见图1。煤炭泊位与重件泊位采用直立式沉箱结构型式，重件码头与陆域连接段为斜坡堤结构型式，煤炭泊位与重件泊位之间采用直立式沉箱结构。

直立式沉箱结构采用抛石基床，基床底宽42.55 m，基床两侧采用抛填块石护坡，护坡开挖坡线为1∶1.5，块石重量在10 kg～100 kg范围内。边坡采用150 kg～200 kg的大型块石作为保护。基床上部为沉箱结构，沉箱底部高程为-17.80 m，顶部高程为1.20 m，沉箱尺寸为30.5 m×15.3 m×19 m(长×宽×高)。胸墙混凝土等级为C40，回填砂粒径为10 mm～100 mm。沉箱顶部为C40现浇挡浪墙。

1.2 工程波浪、水位特征

工程海域潮汐周期为12 h，且涨潮与落潮过程流速呈镜像分布。根据统计结果，工程海域特征水位及对应的波浪要素见表1。表1中，H1%、H13%分别为1%频率和13%频率的波高。

表1 工程海域水位、波浪特征值

1.3 风况特征

根据工程海域近二十年风况统计资料，工程海域最主要风向为SE(东南方向，频率为8.75%)，其他主要风向有ESE(东南偏东方向，8.22%)及NE(东北方向，7.91%)。工程海域最大风速可达22.5 m/s(2003年，风向为SE)，平均风速为7.76 m/s。

2 物理模型试验设计

2.1 试验目的

为验证实例工程的受力特征与泊稳情况，本次物理模型试验需研究以下内容：

(1) 在各特征工况下，沉箱、胸墙以及码头顶面的受力情况。

(2) 在各特征工况下，堤顶每延米在单位时间内的越浪量。

(3) 在各特征工况下，基床两侧边坡压护块石的位移量及稳定性。

2.2 试验设计与布置

采用风浪试验水槽完成本项目的物理试验工作。风浪试验水槽采用1∶40的正态模型。根据水工模型试验要求以及本次物理模型试验特征，经计算可知时间比尺为6.35，流量比尺为252.98，力比尺为64 000，糙率比尺为7.92[9-12]。

风浪试验水槽几何尺寸为68.0 m×1.0 m×1.5 m(长×宽×高)，水槽顶部采用半圆形结构封顶，为保证更好地观察各工况下风浪情况，顶部及两侧挡墙材质均选择有机玻璃。造波机布置在水槽右端，根据工程海域波浪特性，本次试验采用波浪特性为不规则波；在造波机处设置波高测量仪，在水槽左端设置风机，模拟工程实际风况。在水槽两段均设置消波装置，减小波浪对水槽内水位的影响，提高试验精度。风浪试验水槽布置图见图2。

2.3 波浪设计

根据文献[13-15]的研究结论，根据工程海域波浪特性，本次试验采用波谱为JONSWAP谱的不规则波，其表达式为：

(1)

其中：

式中：f为波浪频率；fp为峰值波浪频率；H1/3为平均波高等效值；TH1/3为等效平均波高对应的波浪周期；S(f)为JONSWAP谱函数；γ为JONSWAP谱波特征因子，根据文献[14]取2.75；σ为无维普参数。

2.4 试验方法

为满足试验要求，试验方法须满足以下条件：

(1) 在沉箱、胸墙以及码头顶面布置SG2008型压力传感器，试验中对每个特征工况均连续布置100次波浪作用过程，对每次过程进行压力采集，并取各次测点的均值。

(2) 在港池侧胸墙上方设置接水装置，进行模型越浪量测量，除以接水宽度及时间及得到模型单宽越浪量，然后再换算成原型堤顶每延米在单位时间内越浪量。

(3) 观察各工况下基床两侧边坡压护块石是否稳定、护面表面是否变形[16]，并选择几个典型块石进行特征点标记，记录位移量，从而综合判断压护块石的位移量及稳定性。

3 试验成果与分析

3.1 受力试验成果与分析

对表1各工况下胸墙迎浪面、顶面进行受力测量。受力试验结果见表2。分析表2可知：

(1) 码头顶面所受水平冲击力与水位高低成正比；最大冲击力为384.7 kN/m，最小冲击力为128.9 kN/m。

(2) 沉箱和胸墙所受最大水平力、浮托力均在工况2(设计高水位)下，其中，沉箱最大水平力为1 522.9 kN/m，浮托力为577.3 kN/m，胸墙所受最大水平力为945.6 kN/m。

沉箱和胸墙所受最大水平力、浮托力没有出现在极端高水位下的原因是因为该工况下越浪量较大，减少了对沉箱和胸墙的冲击作用。

(3) 根据《码头结构设计规范》(JTS 167—2018)中式(7.3.2-4)等号左边部分定义为综合滑移荷载，等号右边部分定义为综合抗滑荷载。

分析可知，各工况下综合抗滑荷载均远大于综合滑移荷载，满足规范要求。

表2 各工况下受力试验结果

将工况1和工况2下沉箱和胸墙所受压力分布绘于图3。分析图3可知：

(1) 在各工况下，最大波浪压强出现在迎水面沉箱顶面附近。

(2) 工况1下最大波浪压强为104.32 kPa，工况2下最大波浪压强为103.84 kPa。各工况下波浪压强分布差异较小。最大/最小波浪压强比在2.0左右。

3.2 断面越浪量统计

采用直立堤各小范围断面模型、大范围整体模型两类模型，对各工况下直立堤堤顶的越浪量进行统计。各工况下断面模型试验效果见图4，并选择工况1为代表，工况1下大范围整体模型试验效果见图5。各工况下越浪量统计结果见表3。

表3 工况1下整体模型堤顶越浪试验效果

分析图4、图5可知，

(1) 在工况1和工况2，码头前沿波浪冲击能量较大，可以越过堤顶跌落至堤后。

(2) 在工况3和工况4下，码头前沿波浪基本不能越过直接越过码头堤顶，仅有少量上扬浪尖水体越过，大部分上升水体都以反射形式回到海域。

(3) 通过上述两组物理模型试验测量得到的越浪量对比结果可知，波浪断面试验所测的越浪结果明显大于整体物理模型试验。分析两者存在差别的主要原因为：

① 断面试验时，波浪仅能正向作用，考虑不了波浪方向性，而波浪整体物理模型试验可真是模拟波浪传播方向。

② 波浪越浪时，在断面试验中，波浪整体越上沉箱堤顶；而在波浪整体试验中，考虑到传播波浪之间的相位差，在整个过渡段长度上直立式结构上可能仅某局部存在越浪，但最后两者均取平均越浪量的结果，从而使两者存在显著差别。

③ 通过两组物理模型试验对比，认为整体模型试验结果更接近于实际情况，并采用该工况下越浪结果作为分析值。

(4) 各工况下，堤顶越浪量最大的为工况1，达到0.291 m3/(m·s)，远小于设计要求值0.75 m3/(m·s)。可见本工程采用直立式沉箱结构在各工况下堤顶越浪量均较小，满足泊稳要求。

3.3 护底稳定性分析

选择5个典型块石，在各工况下，5个典型块石位移情况见表4。分析可知，由于实例工程选择护底块石质量较大(150 kg～200 kg)，且在各工况下，块石上方淹没水深较深，最小值达到16.2 m，因此连续波浪作用对块石稳定性影响较小，在各工况下，5个典型块石整体稳定，没有出现翻越、旋转、倾覆等情况，护面未发生变形，最大位移仅为2.2 mm，平均位移为分别为1.8 mm、1.4 mm、1.4 mm、0.3 mm、0.2 mm，护底块石保持稳定。

表4 各工况下5个典型块石位移情况

4 结 论

以广东某海港码头过渡段为研究实例工程，通过建立物理模型试验，从受力特性、堤顶越浪量、护底稳定性3个方面对过渡段稳定性进行了验证，研究结果显示：

(1) 在各工况下，沉箱最大水平力为1 522.9 kN/m，浮托力为577.3 kN/m，胸墙所受最大水平力为945.6 kN/m，各工况下综合抗滑荷载均远大于综合滑移荷载，满足规范要求。

(2) 在各工况下，最大堤顶越浪量为0.291 m3/(m·s)，远小于设计要求值0.75 m3/(m·s)。本工程采用直立式沉箱结构在各工况下堤顶越浪量均较小，满足泊稳要求。

(3) 实例工程护底块石质量较大(150 kg～200 kg)，且在各工况下，块石上方淹没水深较深，在各工况下，护底块石保持稳定，位移量趋近于0。

(4) 根据物理模型试验研究，实例工程码头过渡段采用直立式沉箱结构满足结构受力和泊稳要求，结构方案合理可行。