挡浪板入水深度对桩基透空式防波堤的关键作用

2020-07-25符家英潘桓本刘宪博

水运工程 2020年7期

符家英，潘桓本，刘宪博

(中交水运规划设计院有限公司海南分公司，海南海口 570105)

近年来，随着国家海洋局严控围填海[1]，工程建设用海方式的需求不同，港口工程的结构形式也日新月异，桩基透空式防波堤受到越来越多的关注。随着设计研究的不断深入，透空式桩基结构形式也在不断发展、变化。带挡浪板透空式防波堤是介于直立堤和无挡浪板透空式防波堤之间的一种新结构形式，其防浪结构安装在桩基、梁板及持力层上，主要利用挡浪板抵挡外侧波浪耗能的传播以达到减小港内波浪的目的。该结构既能实现防波堤对港内的掩护，又能实现水体交换，与传统的实体防波堤结构相比，它具有结构单一、对环境影响小、景观性较强等优点。目前,国内对透空式桩基挡浪板功效的研究较多[2]，但对挡浪板不同入水深度在透空式防波堤结构中的关键作用研究很少，限制了该结构形式在港口工程领域的应用。

如何采取有效技术措施确定合理的挡浪板入水深度是设计及科研单位关注的重要课题。本文依据行业相关设计规范，计算挡浪板不同入水深度的透浪系数及结构受力情况,同时结合三亚市天涯海角海上巴士码头工程模型试验的相关研究成果进行对比分析，得出挡浪板不同入水深度对结构受力、港内掩护效果、越浪量及波浪分布的影响，为类似工程的设计及施工提供参考。

1 工程概况

本工程位于三亚市天涯海角景区西侧，与已建天岭码头栈桥相邻。防波堤兼码头呈L形布置，码头前沿线布置在自然水深-5～-4 m等深线附近，结构采用带挡浪板透空式桩基方案，外侧为桩式结构，内侧为直立式码头结构，码头面高程3.70 m，码头面宽16 m。总平面布置见图1，桩式防波堤结构断面见图2。

图1 总平面布置(单位：m)

图2 防波堤兼码头断面(尺寸：mm；高程：m)

研究内容包括：1)码头外侧挡浪板底高程分别按照-1.0、-2.0、-2.5、-3.0 m 计算分析港池内的泊稳情况；2)挡浪板底高程为-2.0和-3.0 m 条件下，测量挡浪板及墩台受力；3)测量码头处的越浪量；4)本项目采用码头前沿波高H4%=0.5 m作为标准，根据不同挡浪板入水深度，研究其对码头作业时间的影响。

2 物理模型试验

2.1 试验波浪条件

采用三维局部整体试验及二维水槽断面试验分别验证不同挡浪板入水深度下，港内波稳条件及挡浪板结构受力情况。试验波浪条件根据前期数模相关研究成果，选取SSE、S、SSW向波浪，试验水深及波要素见表1。

表1 试验水深及波浪要素

2.2 试验设备及方法

本试验在交通运输部天津水运工程科学研究所试验室进行，三维波浪试验在宽12 m、长53 m的水槽中进行，按不规则波进行。模型波高采用TK2008 型动态波高测试系统进行波高测量，采用摄像机记录波面过程和上水、越浪等试验现象；二维水槽断面采用波浪水槽主尺度长为68 m、宽1 m、高1.5 m进行不规则测试，模型波浪力采用2008型微型点压力采集系统，该系统可以自动采集波浪压强并有相关处理功能，对采集到的点压力进行处理。

以上试验程序严格遵循《波浪模型试验规程》[3]。

2.3 试验模型布置

局部整体试验模型平面布置见图3，二维水槽断面受力传感器布置见图4，模型越浪量接触测量布置见图5，波高传感器测点布置见图6。

图3 试验模型平面布置

图4 二维水槽断面受力传感器布置(高程：m)

图5 模型越浪量接触测量布置(单位：m)

图6 模型波高传感器测点布置(单位：m)

2.4 试验结果对比

根据试验数据及结果，挡浪板不同入水深度(底高程)对越浪量、波高分布及结构受力的影响见表2～5。

通过试验结果可知,入水深度增加，码头后方泊位处波高有所减小;随着码头外侧挡浪板入水深度的增加，码头反射波浪面积增大，导致越浪量增加；不同挡浪板入水深度的作业损失时间随深度的增加而减少；随着码头外侧挡浪板入水深度增加，码头结构受力增大。

表2 挡浪板不同底高程的波高情况

续表2

表3 挡浪板不同底高程的越浪量情况

表4 挡浪板不同底高程的作业损失时间

表5 挡浪板不同入水深度的结构断面受力情况

3 理论计算及试验结果对比

3.1 理论计算结果

3.1.1透浪系数

根据试验研究方案及内容，采用JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》[4]中计算公式，即式(1)、(2)，得出挡浪板不同入水深度对透浪系数的影响，见表6。可知，随着码头外侧挡浪板入水深度的增加，透浪系数逐渐减小。

(1)

(2)

式中：Kt为透浪系数；Ht为透射波高(m)；H为入射波高，取H1%；ξ为系数；L为波长(m)；d为堤前水深；t0为挡浪板的入水深度。

表6 挡浪板不同入水深度的透浪系数变化情况

3.1.2结构受力

根据挡浪板不同入水深度，高桩墩台结构所受波浪力依据《港口与航道水文规范》计算离岸式高桩码头面板底部波浪浮托力，见式(3)～(9)，其结果见表7。

(3)

(4)

η1%/H1%≤0.7

(5)

(6)

(7)

pf=Kfp1%

(8)

(9)

表7 挡浪板不同底高程的理论计算受力情况

3.2 结果对比分析

通过模型试验结果，同时结合上述理论计算结果可知：透浪系数理论计算与试验结果相近，码头结构受力理论计算结果与模型试验相差较大。

4 码头外侧挡浪板入水深度对各因素的影响

4.1 波高分布

三亚市天涯海角海上巴士码头工程的数模结果[5]表明，物模试验[6]结果与数模计算结果整体上较为接近，当来浪方向与码头走向夹角较大时，物模试验结果比数模计算结果略小，这是由于此时波浪透过高桩码头下方的挡浪结构和桩群结构历程变长，挡浪效果更好，这一现象在物模试验中可以得到更真实反映。此外，设计高水位时，部分波浪经由防波堤前挡板返回海侧，部分波浪越过挡浪墙发生越浪；设计低水位时，大部分波浪从防波堤下方桩群间穿过，向堤后传播。因此，防波堤后方泊位处的透射系数表现为设计低水位波浪作用时大于设计高水位波浪作用时。

4.2 码头后方泊位处波高

随着码头外侧挡浪板入水深度增加，码头后方泊位处波高有所减小。

4.3 越浪量影响

随着码头外侧挡浪板入水深度的增加，越浪量有所增大。

4.4 对作业损失时间

作业损失时间随着挡浪板入水深度的增加而减少。在物理模型试验结果中，码头作业损失时间比数学模型结果大。

4.5 结构受力结果分析

极端高水位工况下，当挡浪板底高程为-2.0 m且在重现期为100 a的波浪作用下，码头断面最大水平力466.77 kN/m，最大浮托力365.49 kN/m；挡浪板底高程为-3.0 m 且在重现期为100 a的波浪作用下，码头断面最大水平力为490.84 kN/m，最大浮托力328.14 kN/m。