恶劣水文条件下施工期抛石斜坡堤稳定性研究及改善措施探讨

高 梅，戈龙仔，彭 程

(1.天津港石油化工码头有限公司，天津 300452；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

1 概述

随着“一带一路”倡议的深化和推进，为中国水运工程施工建设企业带来了难得的发展机遇。一方面，“21世纪海上丝绸之路”的沿线国家大多是发展中国家，有着强烈的发展愿望和内在的发展动力，对于中国企业在水运工程建设方面积累巨大的优势，有利于我国水运工程建设施工企业在国际竞争中实现快速发展。但另一方面，“21世纪海上丝绸之路”跨越了东盟、南亚、西亚、北非、欧洲等各大地区，国家分布范围广，大部分地区发展程度不高，海区的自然条件与国内存在很多差异，尤其在印度洋北部和非洲东海岸等地区，常年受到长周期涌浪等恶劣水文条件的影响，同时缺乏应有的波浪实时预报资料，且无浪天数很少，因此以往应用于国内成熟的传统施工方法或工程措施不再适用，很多技术难题亟需研究和解决。

在“一带一路”涉外已建成的项目过程中遇到大量的施工技术困难，如在滕爱国[1]等文中阐述在新扩建的以色列阿什杜德港项目遇到直接面对地中海开敞海域、水深大(最大为24 m)，受中长周期波浪影响较为严重，施工难度大、窗口少，传统工艺难以满足现场实际需求等问题。邓振洲[2]等提出在印尼某电厂码头工程南临印度洋,波浪、潮流等自然条件十分恶劣，码头防波堤建设过程中在大浪作用下被破坏数次等问题。冯海暴[3]结合智利圣文森特码头工程桩基施工,研究了长周期波作用下施工存在的问题,并结合实际情况提出一套新的施工技术。夏艳军[4]结合印尼某火电项目现场实测水文数据，提出针对长周期波在防波堤波浪透射系数下新的港内波浪预测方法，为工程提供基础数据。陈汉宝[5]针对印度尼西亚南岸水文泥沙恶劣复杂条件，结合现场水文测量结果和资料收集整理，推出工程位置设计、施工基础水文数据。以及2008年中国公司承建的印度尼西亚PACITAN火电项目配套防波堤工程，面对印度洋长周期涌浪，平均波高、周期分别在1 m以上和18 s以上等恶劣条件，且施工期间缺乏海区波浪的实时监测，防波堤施工中未能及时完成防护，最终致防波堤出现大面积损坏，见图1-a，工程损失巨大。中国公司承建的非洲西北部毛里塔尼亚防波堤工程，海区水深较大，距离海岸 50 km 外海域水深即可达到 1 000 m 以上，近岸的最大波高、周期分别达 4 m 以上和 20 s 以上恶劣水文条件，施工过程中遭遇涌浪冲击，防波堤整体发生破坏，见图1-b。

根据上述不同工程研究成果和恶劣水文条件下防波堤施工期过程中所遭遇破坏的经验总结分析，针对新建的海外印度尼西亚某工程火电项目斜坡式抛石防波堤，工程正面对印度洋，波浪为长周期涌浪，平均周期在18 s以上和平均波高在2 m以上等恶劣水文条件，因此为了解防波堤在施工期受恶劣波浪条件影响稳定情况，开展了防波堤施工期断面稳定性的波浪物理模型试验验证，并根据试验结果和结合现场施工能力，提出了相应改善措施，为施工期工程顺利实施提供基础数据，也为项目减少不必要的经济损失提供技术参考。

2 模型试验

2.1 试验条件

试验水位为： 施工期水位1.18 m；试验波浪要素为：根据现场测量和数学模型计算结果，波要素结果见表1。模型试验的施工期断面见图2。

表1 试验波要素Tab.1 Test wave elements

图2 防波堤断面结构图Fig.2 Section-cross of breakwater

2.2 模型设计与制作

模型按重力相似准则设计，采用定床、正态，几何比尺为37.6，时间比尺为6.13。试验在交通运输部天津水运工程科学研究院风浪流水槽中进行，水槽长68 m，宽1.0 m，高1.5 m，造波能力为：最大造波水深1.0 m、波高0～35 cm、周期0.5～5.0 s，见图3。模型中各种块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程[6]要求。试验采用不规则波，试验中根据本工程的波浪特征，经《港口与航道水文规范》(JTS145-2015)相关规定进行论证后，确定最终频谱采用改进型JONSWAP谱[7](γ=3.3)，每种工况模拟的原型波作用时间不少于2 h。

3 试验结果与分析

3.1 10～500 kg堤心石断面

施工水位对应波浪作用下，波浪连续作用1 h(原体值，下同)后，大量堤顶块石推向港池内，见图4，此时堤顶块石发生破坏，高程由设计的+3.5 m冲刷至+0.8 m左右，为了观测破坏程度进一步发展情况，持续作用至24 h(即1 d时间)后，并且每隔1～2 h测量一下块石断面的变形结果，得到最终断面变形结果见图5，由图可知断面破坏特点为：前2 h内断面块石破坏最严重，9 h以后断面破坏变形逐渐减弱，最终形成基本稳定的断面形态，此时堤顶高程约为-2.5 m左右，完全表现为潜堤。该断面形式下波浪作用基本对其稳定性不产生作用，从而达到动态平衡的稳定断面。

图5 不同时间段(波浪作用24 h)堤心石断面变形结果(原型值)Fig.5 Deformation results of core rock section under wave action for 24 hours in different time periods

3.2 堤心石断面+800～1 600 kg垫层块石

施工水位对应波浪作用下，波浪连续作用0.5 h后，断面迎浪侧坡面和堤顶拐角位置800～1 600 kg块石被波峰部分冲至堤顶，少量被波吸力带到海侧，此时堤心暴露发生破坏。持续3 h后，水面以上800～1 600 kg块石全部被冲坏，堤心石完全被暴露，断面破坏形式类似10～500 kg堤心石断面。

3.3 改善措施提出

针对本次施工期断面的破坏形式和最终位于水下一定高程破坏断面达到稳定形态的试验结果，以及参考类似恶劣水文影响下涉外工程所总结的施工技术和经验，如陶然[8]等在建的以色列阿什杜德港主防波堤延伸工程在施工中面临的抛石工程量大、波浪条件差等困难，提出通过物理模型试验确定施工期块石稳定极限波高，合理安排施工工序组合方法。王美茹[9]在某印尼项目中波浪条件复杂而恶劣，缺乏长期波浪观测和大范围的风、浪预报资料，提出根据现场观察和对短期观测资料的相关分析，得到波浪特征，并采用粗壮人工护面块体及时掩护的方法。周加杰[10]等通过对印尼某项目结合施工期防波堤出现的不同破坏特性，分析长周期波浪波高、波向与不同平面位置防波堤断面间的相互作用,提出寻求有效施工模式。戈龙仔[11]在施工过程中出现了多次破坏，利用缩尺模型试验得到的深水涌浪作用下大型扭工字块护面斜坡堤稳定断面的研究方法。曹斌[12]结合分析开敞式印度洋海域环境下的水文特性，提出施工期防波堤堤头的不同防护技术。并结合现场施工机械能力和波浪条件，提出改善措施见表2。

表2 改善措施及效果分析Tab.2 Improvement measures and effect analysis

综上所述，针对波高大、周期长恶劣水文条件，为保证施工期防波堤顺利开展，应建立一套直观的波浪预报系统，及时做好防护，同时提高防波堤施工速度等，有利于降低防波堤的破坏风险和施工期的防护成本。

4 结语

在恶劣水文条件下，针对新建的海外印度尼西亚某工程火电项目施工期抛石斜坡堤稳定性试验研究和改善措施探讨，得出以下结论：

(1)10～500 kg堤心石断面，施工期波浪作用下，堤顶块石很快产生破坏，且均堆积于港内，断面前2 h内破坏最严重，9 h以后破坏逐渐减弱，最终破坏断面形态为堤顶高程约为-2.5 m，且完全表现为潜堤；(2)堤心石断面+800～1 600 kg垫层块石，施工期波浪作用下，坡肩800～1 600 kg块石破坏后堤心石暴露，在3 h后堤心石完全暴露，最终破坏断面形态类似堤心石断面；(3)提出4种改善措施，经试验和现场验证，断面形式均能保持稳定。为保证施工期防波堤顺利开展，应建立一套直观的波浪预报系统，及时做好防护，同时提高防波堤施工速度等，有利于降低防波堤的破坏风险和施工期的防护成本；(4)面临恶劣水文条件工程项目，并缺少波浪预报的情况下，开展实验室防波堤施工期稳定性模型试验研究非常有必要，也再次验证物理模型试验在设计、施工和优化方面的必要性。