长周期波浪作用下斜坡式引堤结构设计分析

2021-03-12孙运佳

港工技术 2021年1期

关键词：胸墙护面块石

孙丽，孙运佳

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

引言

海外工程建设过程中经常遇到波浪周期长、波能大的恶劣建港条件。长周期波浪的特性及作用效果尚未得到全面认识和研究。因此，本文结合具体工程实例，分析了长周期波浪对斜坡式引堤的影响，对引堤断面设计进行了优化，为类似的工程设计提供指导和参考。

1 工程背景

本工程位于几内亚西海岸中部，面向大西洋，北距卡姆萨港52 km，东南距首都科纳克里112 km。本工程一期水工建筑物包括引堤、护岸、防波堤和1 个1.2 万t 级泊位。根据平面布置要求，引堤长 1 270 m；西侧护岸长181 m；防波堤由西防波堤和南防波堤组成，总长500 m。

引堤和护岸将为施工期和未来使用期提供通道，且堤顶设有皮带机，越浪要求较防波堤更为严格。根据设计要求，引堤的堤顶的越浪量不大于 0.02 m3/(m·s)，为保证皮带机的使用安全，还需结合试验情况进行判断。本文以引堤为研究对象，防浪标准采用重现期为50 年一遇，即采用最不利水位与50 年一遇波浪组合进行承载能力极限状态下的结构分析和正常使用状态下的使用要求分析。根据勘察资料，引堤从堤根0+0 m 至0+400 m 处，水深变化较为剧烈，泥面高程从6 m 变化至-2.5 m，其余900 m 堤身至防波堤堤头段水深变化较小，泥面高程约为-2.5～-4.0 m。本文以泥面高程-4.0 m 处的堤身断面进行分析。工程总平面布置见图1。

图1 平面布置示意

1.1 设计水位

极端高水位4.9 m；设计高水位4.1 m；设计低水位0.5 m；极端低水位-0.1 m。

1.2 设计波浪

几内亚附近海域波浪主要集中在SSW到WSW向，三个方向频率占到91.56 %，强浪向在S～SW之间。波浪常年以涌浪为主，平均周期较大，尽管有少量风暴发生，但都为向西及西偏北方向移动，故极端天气引起的大浪相对较少。

选取的分析断面处的设计波浪要素[1]见表1。

表1 引堤外侧各水位对应设计波浪要素

2 引堤初始方案

2.1 断面结构

由于当地石料丰富，且混凝土造价远高于石料造价，考虑到工程的经济性，经分析论证后引堤采用斜坡式抛石堤，护面防护结构采用块石代替人工块体。

断面的堤顶高程、护面块石及护底块石重量根据设计规范[2]进行计算。但考虑到长周期波浪的特性，在设计断面时外侧堤顶高程比计算值增加了 1 m。

引堤初始断面结构设计如下：

断面外侧采用6～8 t 块石护面，堤顶高程为 9.0 m，在-1.0 m 高程位置设有5 m 宽肩台；垫层块石重量为300～600 kg，垫层下设10～100 kg 块石；外侧护底重量为100～200 kg；堤心采用开山石；断面包含两个胸墙，外侧为现浇混凝土胸墙，顶高程为8.5 m，内侧为浆砌块石挡墙，顶高程为6.6 m；两块挡墙之间为石渣临时路面，石渣路面下设10～50 kg 块石，路面宽度根据皮带机宽度及通行要求确定为12 m；堤后护面采用600～800 kg 块石，下设10～100 kg 块石；内侧护底重量为100～200 kg。断面结构型式见图2。

图2 引堤初始断面

2.2 实验结论及分析

对引堤初设设计断面进行试验[3]，试验水位按照设计低水位、设计高水位、极端高水位的顺序进行，每组工况单独作用时间为1 000 个波。

在设计低水位及其波浪要素作用下无越浪发生，但由于堤前水深较浅，波浪在堤前形成卷破，由于波浪的破碎，对外侧100～200 kg 护底块石形成明显的冲刷，多块块石随波浪作用出现向岸滚动。该工况结束后，部分100～200 kg 护底块石堆积于6～8 t 棱体缝隙中，护底最大冲刷宽度约1.7 m。胸墙保持稳定，堤后各部位均处于稳定状态。

在设计高水位波浪及其要素作用下，堤顶越浪明显。越浪水体部分作用于堤后石渣临时路面，部分大浪可直接作用于浆砌石挡浪墙及后坡600～ 800 kg 护面块石坡面，堤后护面块石少量被冲刷滚落。该工况结束后，形成一个宽度4.45 m，深度约1.12 m 的冲刷沟。大浪下堤顶一块护面块石随长波作用被冲刷至堤后，落于路面位置。部分碎石被冲刷至浆砌石挡浪墙顶部或堆积于堤后。外侧混凝土胸墙保持稳定，外坡护面未发生明显变形。

在极端高水位及其波浪要素作用下，越浪强度较上一水位继续增强，越浪水体大浪可直接作用于浆砌石挡浪墙及后坡600～800 kg 护面块石肩角位置，肩角位置部分块石被冲刷滚落。在波浪的作用下，冲刷沟宽度继续扩大，该工况结束后，冲刷沟宽度约6.85 m，冲刷的部分碎石将浆砌块石掩埋。堤顶累积两块6～8 t 护面块石随长波作用被冲刷至堤后，落于路面位置。当作用500 个波时堤后路面位置堤心石已经露出，因此判定该断面整体失稳。不同设计水位及波浪要素作用下的试验结果如图3～图7 所示。

图3 设计低水位作用下护底块石冲刷状态

图4 设计高水位大浪作用于堤后状态

图5 设计高水位作用下堤后碎石路面冲刷状态

图6 极端高水位大浪作用于堤后状态

图7 极端高水位作用下堤后碎石路面冲刷状态

3 优化方案一

3.1 断面结构

针对初始断面模型试验发现的主要问题进行调整，优化方案一主要调整如下：

1）增加肩台宽度，断面外侧6～8 t 块石护面肩台宽度增加至10m；

2）增加胸墙高度，将外侧现浇混凝土胸墙顶高调整为10.5 m；

3）护面2.0 m 高程处设置宽度5 m，坡度1:1.5，重量6～8 t 的堆石压脚；

4）增大外侧护底块石重量，外侧护底块石重量调整为200～300 kg。

优化断面一的结构型式如图8 所示。

图8 引堤优化断面一

3.2 实验结论及分析

在不同水位及波要素组合作用下，引堤优化断面一未出现失稳或变形。极端高水位大浪作用下越浪明显，最大越浪水舌伴有明显掺气，越浪水体多为不连片水花，最远泼落点可至堤后护面斜坡与静水位交界位置，但大多数越浪水体均落于堤后5 m范围内。极端高水位下的波浪越浪状态如图9 所示。外侧护面层各部位保持稳定，护底块石整体形状均未发生明显改变，混凝土胸墙及浆砌块石胸墙均保持稳定，堤后各部位也保持稳定，仅靠近胸墙根部位置的石渣路面略有冲刷，冲刷厚度约一层，冲刷宽度约3 m，堤后冲刷状态如图10 所示。

极端高水位及波要素组合下，优化断面一的实测单宽平均越浪量Q=0.002 m3/(m·s)。