港口透水与非透水构筑物结合结构的稳定性研究

常 江

（山东港口集团日照港，山东日照 276808）

引言

2018 年7 月24 日，国务院颁布了“关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知”国发〔2018〕24 号文件，文件明确要求：严控新增项目，完善围填海总量管控，取消围填海地方年度计划指标，除国家重大战略项目外，全面停止新增围填海项目审批。根据该项文件的要求，我国沿海地区除国家重大战略项目外均无法取得围填海的海域使用权。尤其是我国的北方地区由于基岩埋深比较浅，一直使用的连片式重力式结构将无法满足目前国家政策和港口的发展需求，为此结合目前国家政策和北部沿海的地质情况，采用了沉箱墩式结构。为便于港口企业与现有码头生产统筹，充分利用码头岸线，码头高程不能抬升，沉箱墩式上部梁板结构将受到波浪力的影响。由于该项目结构码头上部梁板、沉箱、引桥等结构波浪水平力、浮托力、泊位前波高、码头、引桥面上水等均无实际可用的数据进行参照，因此为实现码头的稳定，我们结合某海区的海洋水文对拟建设的码头参数进行了整体模型试验。

1 整体模型试验要求

根据建设单位要求，整体模型试验维持了新结构与旧结构保持同一设计顶高程的设计参数。为保持码头结构的稳定及码头与后方堆场的衔接，试验采用了前后双排沉箱结构，前排为A 型、后排为B型。同时，由于透水构筑物与非透水构筑物的码头上部梁板、沉箱、引桥等结构波浪水平力、浮托力[1]，泊位前波高、码头、引桥面上水存在较大的偏差，过去已经成熟的非透水构筑物设计参数已经无法满足透水构筑物的结构要求，为此我们将该项结构进行了物理模型试验。试验内容主要包括指定水位下沉箱墩承受的总波浪水平力，总波浪水平力矩，基底浮托力，指定点的分布点压力以及群墩产生的影响。

2 模型设计

试验在波浪试验厅波浪港池进行。港池长50 m、宽24 m、高1.2m，港池配有相邻两边布置的L 型不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。波高测量采用电容式波高仪，采用DS300 多功能自动采集系统采集，最终由计算机形成数据文件。总力采用总力（拉压力）传感器测量，波压力采用压强传感器测量，由计算机自动采集量测数据，测量结果采用计算机程序分析处理。

模型设计遵照《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)的规定，采用正态模型，按重力相似模型设计。根据场地条件和工程的平面尺寸，模型比尺取为1：45[3]。主要物理量的比尺为：几何比尺：λh=λl=45，时间比尺：λt=λl 1/2，重量比尺：λw=λl 3，波浪力比尺：λF=λl3，压强比尺：λp=λl，波浪按重力相似准则模拟，不规则波的波谱采用Jonswap 谱，试验采用1:45 的正态模型对透水构筑物进行了观测，测定了不同工况下码头上部梁板、沉箱、引桥等结构波浪水平力、浮托力，泊位前波高、码头面上水等。在模型建筑物建造前，在码头前位置布置波高仪进行入射波浪要素率定。将按模型比尺换算后的特征波要素输入计算机，产生造波讯号，控制造波机产生相应的不规则波序列。对于各组波浪，首先将某一初始波高和周期输入造波系统，采集相应的波高和周期，将实测波高和周期与目标值比较，根据实测波高和周期结果调整输入造波系统的波高和周期，采集调整后的波高和周期，再次将实测波高和周期与目标值比较，循环此步，直至实测波高和周期与目标值的误差满足要求。模型试验中波高和周期与目标值的误差控制在±5 %以内，使之在模型放置处满足所要求的波要素。每组试验不规则波波数大于120 个，每组试验重复三次。

3 总力测量

根据相关要求，对码头结构A 型沉箱墩、B 型沉箱墩、沉箱墩上部叠合板结构、引桥上部结构等测量波浪水平力及浮托力。总力传感器用铁架和金属螺杆固定住，测量各结构波浪力。总力采用总力（拉压力）传感器测量，总力传感器采样频率为125 Hz，由计算机自动采集量测数据，测量结果采用计算机程序分析处理。为保证试验成果质量，对每组试验至少重复3 次[3]。其他各结构波浪力测量按设计要求布置传感器。

4 压强测量

对沉箱墩结构进行波压力分布测量，每个墩上布置4 列垂线，每列5 个压力测点，并在沉箱底部布置压强测点；对于引桥结构（原方案），在引桥底面和侧面布置压强测点测量波压力，并且在引桥两侧三角形平台下部布置波压力测点测量面板上托力；对于码头上部结构在轨道梁、横梁和码头面板结构布置压力测点分别测量水平和上托压强。波压力采用压力传感器测量，采样频率为125 Hz，由计算机自动采集量测数据，测量结果采用计算机程序分析处理。为保证试验成果质量，对每组试验至少重复3 次[3]。

表1 50 年一遇波浪作用下A 型沉箱波浪力

表2 50 年一遇波浪作用下B 型沉箱波浪力

表3 50 年一遇波浪作用下引桥波浪力

5 实验分析

由试验结果可见：

1）由于不规则波列中最大波高大于H1%值，因此，不规则波作用下的各结构最大波浪力通常大于规则波作用下的值。

2）对于各结构，ESE 向浪与码头前沿线交角较大，对结构作用力也大。

3）对于A 型沉箱，由于其位于前排，波浪力较大。设计高水位5.34 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，水平波浪力最大，为6 658 kN；极端高水位6.48 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，浮托力最大，为8 293 kN。

4）对于B 型沉箱，由于其位于后排，受前排沉箱掩护，并且长度较短，波浪力较小。设计高水位5.34 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，水平波浪力最大，为5 615kN；极端高水位6.48 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，浮托力最大，为7 716 kN。

5）对于引桥结构，受前方码头掩护，波浪力较小。极端高水位6.48 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，最大水平力和上托力分别为721 kN 和3 127 kN。

6）对于码头面板，面板1 和面板2 尺寸相同，面板4 面积最大，面板3 面积最小。极端高水位6.48 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，面板1～面板4 最大上托力分别为395 kN、413 kN、380 kN 和546 kN；设计高水位5.34 m 及相应的ESE向50 年一遇不规则波作用下，面板1～面板4 最大上托力分别为421 kN、417 kN、354 kN 和554 kN。其中面板4 上托力最大，但单位面积上托力最大的是面板3。

7）对于引桥边板，受前方码头掩护，波浪力较小。极端高水位6.48 m 及相应的ESE 向50 年一遇不规则波作用下，最大上托力为340 kN。

8）由于码头端部沉箱直接面对波浪作用，侧向水平力有所增大，特别是SE 向波浪作用下的后侧的B 型沉箱，A 型、B 型沉箱最大纵向水平力分别为5 126 kN 和3 927 kN。

9）由于码头端部沉箱上部面板面积较中间沉箱小，总浮托力有所减小，A 型、B 型沉箱最大浮托力分别为6 645 kN 和6 379 kN。

6 结语

综上，经过物理模型试验认为在潮差较大的海区，透水结构与非透水结构保持一个设计顶高程时，往往非透水构筑物的胸墙更接近于高潮位的波浪中心线，此时为便于岸壁机械的移动和生产，透水构筑物依然要保持一个设计顶高程，为此面临的波浪水平力、浮托力将更加复杂。该项试验数据的取得完全肯定了透水构筑物可以与非透水构筑物的全面对接，在当前的用海政策下，实现港口建设的快速发展。