意大利规范在防波堤稳定性设计中的应用

田茂金，李存兴

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

引言

意大利作为中国“一带一路”倡议的重要节点，使得中资企业与意大利当地企业的合作越来越多。理解和掌握意大利相关的海工设计技术文件和规范，对于进一步开拓意大利市场，参与相关项目的投资、建设和运营，提高中资企业的竞争力具有重要意义。

意大利《海洋大坝设计技术说明》（Istruzioni Tecniche per la Progettazione Delle Dighe Marittime）以及《港口和海岸工程手册》（Manuale di Lngegnerla Portuale e Costiera）是两本关于意大利海工建筑物设计的技术规范，该规范对海洋水文以及海工结构进行了详细的介绍；意大利《建筑技术规范》（NTC 2018）[1]（Norme Tecniche per le Costruzioni）为意大利国家建筑规范，对建筑物的设计具有重要的指导意义。

本文着重介绍了意大利《海洋大坝设计技术说明》以及《港口和海岸工程手册》在重力式防波堤设计中的应用及其典型设计要点和参数，并对比意大利《建筑技术规范》（NTC 2018），以意大利某离岸深水码头工程为例，对直立式防波堤进行了整体稳定设计研究，对涉外工程防波堤设计提供了有益参考。

1 波浪重现期的确定

意大利《海洋大坝设计技术说明》中，波浪重现期与容许失效概率以及结构设计使用年限相关。结构设计使用年限与结构安全等级以及工程类型相关，如表1所示。

表1 永久性结构最低设计使用年限

安全等级为1级的工程，指具有当地性质以及辅助性质的项目或设施，该项目倒塌后对人员生命以及环境造成的损失程度最小，如海岸防护工程、小型港口、海洋排水管道项目、沿海公路项目等；安全等级为2级的工程，指具有一般性质的项目或设施，该项目倒塌时对人员生命以及环境造成的损失程度适中，如大型港口项目、大城市排水管道项目等；安全等级为2级的工程，是指防洪工程或设施、具有超国家利益的工程，在倒塌时造成重大生命损失或环境破坏，如城市或工业中心的防护等。

根据结构损坏后是否易于修复及其对人类生命安全的风险大小，《海洋大坝设计技术说明》对防波堤的失效概率进行了划分，如表2所示。对于有韧性的结构或对于可以修复的项目来说（如斜坡式结构），初期损坏的概率与该类型结构预先假定的损坏水平相适应，超过该水平后，结构的损坏是可以预见的并可修复。对于刚性结构（如直立墙结构），结构一旦发生破坏难以修复，故将该类结构的损坏概率归为“完全损坏”；对于经济影响的高低，分别是指项目损坏产生的直接费用以及项目停止运行后所导致的间接费用与项目建造总费用的比值小于5，5～20以及高于20。

表2 设计使用年限内的最大容许失效概率

波浪的重现期需根据结构的使用年限以及容许失效概率，由式（1）确定：

式中：Trp为波浪的重现期；Tv为结构设计使用年限；Pf为结构的容许失效概率。

从表中2可以看出，由于斜坡堤发生损坏后较易修复，相同条件下，斜坡式防波堤的容许失效概率均大于直立式防波堤；对于设计使用年限分别为50年、100年的两种结构型式的防波堤采用的波浪重现期如表3、表4所示。从表中可以看出，斜坡式防波堤采用的重现期均小于直立式防波堤。此外，波浪荷载的重现期普遍较中国标准要高且有较大差别，在实际工程应用中需格外注意。

表3 设计使用年限50年波浪重现期

表4 设计使用年限100年波浪重现期

2 波浪荷载的计算

2.1 波浪参数的选取

意大利规范在波浪荷载计算中，对于波峰以及波谷波浪力计算需采用不同的设计波高。波峰作用下整体稳定验算，设计波高取H=H1/20（H1/20≈1.40Hs）；波谷作用下整体稳定验算，设计波高取H=H1/100（H1/100≈1.67Hs）[1,2]。

2.2 波浪荷载的计算

对于意大利规范，波峰作用下波浪荷载分布如图1所示。

图1 波峰作用下波压力分布

图中：

式中：p1为静水面处波压力强度；p2为堤顶波压力强度；η*为波峰在静水面以上的高度，；p为前墙底部波3压力强度；p4为墙底波压力强度；h为建筑物前水深；h'为基床上水深；d为护肩上水深。

波谷作用下，波浪荷载分布如图2所示。

图2 波谷作用下波压力分布

图中：

式中：p1为静水面以下η'处波压力强度，；p为前墙底部波3压力强度；p4为墙底波压力强度；h为建筑物前水深；h'为基床上水深；d为护肩上水深。

2.3 抗倾、抗滑稳定性验算

2.3.1 抗倾、抗滑稳定性验算-安全系数法

《海洋大坝设计技术说明》以及《港口海岸工程手册》中，沉箱的整体抗倾、抗滑稳定性验算基于静力极限平衡理论并采用安全系数法，抗滑稳定性验算如式（9）所示：

式中：μ为摩擦系数；Rv为竖向合力；Ro为水平力；Cs为安全系数，取值为1.40。

抗倾稳定性验算如式（10）所示：

式中：Ms为稳定力矩；Mr为倾覆力矩；Cr为安全系数，一般取值为1.50。

2.3.2 抗倾、抗滑稳定性验算-EQU组合

意大利《建筑技术规范》（NTC 2018）中，抗倾、抗滑稳定性验算同样基于静力极限平衡理论，采用概率极限方法，按EQU进行组合。EQU组合下，各荷载分项系数如表5所示。

式中：Ed,stb为稳定作用效应值；Ed,dst为倾覆作用效应值。

表5 EQU组合分项系数

3 工程算例

以意大利威尼斯某离岸深水码头项目北防波堤为例，采用意大利规范，计算了该直立式防波堤在波浪荷载作用下的作用，验算了直立式防波堤的整体抗倾、抗滑稳定性。结果表明，防波堤断面满足要求，防波堤结构安全可靠。

3.1 防波堤结构简介

该直立式防波堤采用重力式沉箱结构，防波堤轴线方位为西北-东南。设计低水位、设计高水位以及极端高水位分别为-0.38 m、0.79 m以及2.09 m。沉箱下设抛石基床，沉箱内采用中粗砂回填，沉箱顶面设胸墙，海测设挡浪墙，挡浪墙堤顶高取7.0 m。沉箱宽度为18.1 m，沉箱高度为18.5 m。防波堤典型断面如图3所示。

图3 防波堤典型断面

3.2 设计波浪参数

本工程防波堤结构设计使用年限为100年，防波堤一旦发生破坏难以修复，直立式防波堤的损坏概率归为“完全损坏”，防波堤损坏后对经济的影响按“中等”考虑，对人类生命安全的风险按“有限”考虑，故防波堤容许失效概率取值为0.15。防波堤设计波浪荷载重现期需采用615年。防波堤波浪参数如表6所示。

表6 防波堤设计波浪要素

3.3 波压力强度

根据《海洋大坝设计技术说明》以及《港口和海岸工程手册》，采用H1/20、H1/100分别对波峰以及波谷作用下，直立式防波堤受到的波压力强度进行计算。对于斜向作用波浪，按正向作用计算波压力强度分布，并采用经验系数法对总波浪荷载进行折减，折减系数按0.69考虑。波压力强度分布计算结果如表7所示。

表7 波浪正向作用波压力强度分布

3.4 抗倾、抗滑稳定性验算

沉箱与抛石基床摩擦系数μ按照0.60考虑，采用意大利《海洋大坝设计技术说明》以及《港口和海岸工程手册》并对比《建筑技术规范》（NTC 2018），对重力式沉箱的抗倾、抗滑稳定性进行验算。EQU组合中，永久作用分项系数取0.90，可变作用分项系数取1.5。

表8 沉箱抗倾、抗滑稳定性计算结果

从表8中可以看出，采用安全系数法，抗倾、抗滑稳定性计算最小值1.33>1；采用《建筑技术规范》（NTC 2018）中EQU组合计算最小值为1.06>1。《建筑技术规范》（NTC 2018）中EQU组合较安全系数法计算结果小。两种方法结构的整体抗倾、抗滑稳定性均可满足规范要求，结构是安全、可靠的。

4 结语

1）中国行业标准中，对于直立式防波堤，设计波浪重现期应采用 50年；对于特殊情况或者大水深、重要建筑物设计波浪重现期应采用100年或者以上重现期[1,2]。然而，中国行业标准对波浪重现期的说法较为笼统，也未给出波浪重新期的明确计算方法。意大利标准中，波浪的重现期需根据结构的使用年限以及容许失效概率计算确定，且重现期标准普遍较中国标准高。

2）需要注意的是，中国行业规范在确定波浪力分布、断面尺度以及抗倾、抗滑稳定性验算中，设计波高均采用H=H1%。直立式防波堤在波压力强度计算时，需区分波峰以及波谷两种情况，并采用不同的设计波浪参数。

3）防波堤抗倾、抗滑稳定性验算中，《海洋大坝设计技术说明》以及《港口和海岸工程手册》采用安全系数法，《建筑技术规范》（NTC 2018）采用概率极限方法，按 EQU进行组合。采用安全系数法计算结果偏危险，在实际工程设计中需注意。