导桩式混凝土浮式防波堤在非洲某码头工程中的应用

2022-06-30路卫卫宋兰芳陈良志

水运工程 2022年5期

路卫卫，张军，宋兰芳，覃杰，陈良志

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510290)

浮式防波堤一般包括浮箱式浮式防波堤、浮筏式防波堤和其他类型防波堤[1]。浮式防波堤固定形式主要包括导桩式和锚链式两种。

关于浮式防波堤的研究，一般侧重于透射系数和结构形式的研究。透射系数可采用理论推导、经验公式、数值模拟3种方法。其中数值模拟主要采用Fluent[2]、Ansys AQWA[3]、Flow 3D[4]等软件；结构形式研究，目前有单箱式、双箱、浮箱加垂板、柔性结构等形式。

国内关于浮式防波堤的研究比较多，多数是从结构形式创新并进行模型试验研究，或者通过模型试验验证理论计算，基本停留在理论阶段，国内很少见到将浮式防波堤成功应用于实际工程的情况[5]。个别成功应用案例包括：港珠澳大桥工程通过锚链固定集装箱做临时浮式防波堤[6]和用于养殖的浮筏式防波堤等；三峡船闸浮式导航堤采用混凝土浮箱结构[7]，但不是作为防波堤使用。在国内更无成熟的、标准化的、规模生产的浮式防波堤成品。

本文通过非洲实际完工并成功应用的某浮式防波堤工程，介绍该浮式防波堤的平面布置、自然条件、方案比选、结构尺寸、消波性能、导桩及防波堤构造细节等，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

非洲某集装箱码头位于波浪掩护良好的天然港湾内、回填陆域的西侧，需要建设游艇码头配套防波堤。防波堤采用长150 m斜坡堤与长175 m浮式防波堤相结合的方案，斜坡堤阻拦北侧从外海传入湾内的涌浪，浮式防波堤阻拦湾内西南侧风成浪。最终在浮式防波堤内侧(东侧)形成掩护区域，远期布设游艇码头。防波堤总体布置如图1所示。

图1 防波堤总体布置(单位：m)

斜坡堤堤头涌浪(有效波)：1、10、100 a一遇波高分别为0.64、0.77、0.88 m，北向，周期15 s。采用波浪数学模型对工程区域1997—2013年后报波浪时间序列推算分析，堤头涌浪有效波96%的时间不大于0.4 m，堤头绕射至游艇停泊区域残余波高大都小于0.1 m。涌浪波高云图见图2a)。

浮式防波堤风浪(有效波)：1、10、100 a一遇波高分别为0.45、0.57、0.82 m，西南向，周期2～3 s。采用波浪数模对工程区域1997—2013年的风浪进行后报获得波浪时间序列，并进一步分析，得到风浪年最大波高一般不超过0.6 m，97%时间不大于0.3 m。风浪波高云图见图2b)。

2 防波堤方案比选

2.1 北侧防波堤结构形式

北侧防波堤需要掩护涌浪，所以需要采取斜坡式实体防波堤(浮式防波堤对涌浪几乎没有掩护作用)，长150 m实体防波堤基本掩护住了涌浪。北侧防波堤设置后，仍有西侧风浪，其风浪超出了游艇码头系泊条件(横浪有效波高Hs<0.3 m，顺浪Hs<0.7 m，H1%按1.5倍Hs考虑)[8]。因此，须建设应对西南向风浪的防波堤对游艇码头区域进行掩护。

2.2 西侧防波堤结构形式

斜坡式防波堤与浮式防波堤的特点比较：1)对于波高相对较小的风浪，浮式防波堤比实体堤造价低；2)浮式防波堤顶部可以兼作通道，且内侧可以兼靠游艇；3)游艇码头扩建时，浮式防波堤后期拆除和移位更加方便。

锚链式浮式防波堤与导桩式浮式防波堤的特点比较：1)工程位置水深较浅，潮位变化相对于与水深比值较大，不同水位时锚链对浮箱稳定性存在较大差异；2)考虑内侧兼靠游艇船舶，导桩式浮式防波堤稳定性更好，且游艇停靠泊区域不受锚链影响。

混凝土浮式防波堤与浮式浮箱比较，混凝土防波堤更宽、更长、吃水更深，特点为：1)稳定。混凝土浮箱采用整体式结构，单个浮箱宽2～10 m、长15～20 m、高1.0～1.8 m，稳定性能好，能承受6 kN/m2均载以及船舶荷载。2)消波。由于具有较大的宽度、吃水、体积，所以消浪性能较好。3)坚固。采用钢筋混凝土结构。

经综合考虑，导桩式混凝土浮式防波堤更适用于本工程。对于西侧浮式防波堤的布置，为减少北堤堤头局部绕射波浪影响，浮式防波堤位置比北堤堤头向东缩进40 m左右。

3 浮式防波堤结构

混凝土浮式防波堤的浮箱顶部、侧壁、仓隔采用C50混凝土，仓隔内填充聚苯乙烯泡沫。

单个浮箱宽4 m、长20 m、高1.4 m，浮箱吃水0.8 m。单个浮箱采用2根导桩在侧面固定，浮箱结构见图3。

图3 单个浮箱结构

4 透射系数计算

采用Macagno、Wiegel、Ruol公式[9]对导桩式箱式混凝土浮箱透射系数Ct进行计算。

Macagno公式：

(1)

Wiegel公式：

(2)

Ruol公式：

(3)

式中：Ct为波浪透射系数；B为结构宽度；D为结构吃水；d为水深；L为波长；Tp为波浪谱峰周期；ki为入射波波数；β(χ)为修正系数；χ、χ0为无量纲系数；σ为无量纲系数，取0.192 2；Ct，Macagno为Macagno公式计算的透射系数。

波浪透射系数计算结果见表1。

表1 各公式计算得到的浮式防波堤透射系数

可以看出，Macagno公式计算的波浪透射系数与Ruol公式接近，为0.2～0.5，Wiegel公式计算透射系数为0.45～0.66。

国内有多位专家学者进行了导桩式浮式防波堤透射系数物理模型试验，试验结果都证明实际透射系数小于Macagno公式的计算结果。例如，根据刘韬等[10]的试验数据可知，在B/L为0.36、有效波高为0.5 m时，波浪透射系数为0.35，见图4a)；根据董华洋等[11]试验数据可知，在B/L为0.3、有效波高为2 m时，波浪透射系数为0.4，见图4b)。

图4 其他研究者的试验数据

另外，根据Inter Boat Marinas厂家提供的产品数据，宽3.8 m的混凝土浮箱，在有效波高为0.8 m、B/L为0.36时，消浪系数为0.62，即透射系数0.38，见图5，小于前述公式的计算结果。

图5 厂家提供的浮箱产品消浪系数

根据公式的计算结果、其他研究者的试验数据、部分厂家提供的产品性能数据综合可知，采用Macagno公式计算垂直导桩式浮式防波堤的透射系数基本合理，但相对较保守。在B/L为0.36时，Macagno公式计算的透射系数为0.5，实际可取0.4。

综上所述，本工程采用宽4 m的浮式防波堤，堤后100 a一遇极端风浪的有效波高在0.3 m以下，平时堤后大部分时间风浪有效波高不大于0.1 m。

最终采用Lindley公司的QMF4000型浮式防波堤，单个浮箱尺寸为宽4 m、长20 m、高1.2 m，浮箱吃水0.8 m。

5 导桩选取及浮箱细部构造

5.1 导桩选取

结合当地地质条件，导桩采用灌注桩。导桩的计算主要考虑浮箱在波浪作用下的挤靠力、船舶的系缆力、水流力的共同作用。经计算，单个浮箱需要2根直径0.8 m的灌注桩，使用2根桩比单桩更稳定，并能减少浮箱之间连接构件的受力。

5.2 浮箱细部构造

导桩施工完成后，带凹槽的浮箱漂浮下推靠近桩基，使桩基进入固定结构内，最后完成最外侧钢结构固定构件对凹槽的封闭。抱桩导向装置由橡胶块和聚乙烯塑料块构成，塑料块与桩接触。抱箍结构见图6a)。为保证浮箱不出现上下错动和构成整体受力，浮箱之间通过螺栓进行连接。浮箱接口位置预埋钢构件，2个浮箱预埋钢构件之间用螺栓连接，螺栓之间采用橡胶块。浮箱连接构件见图6b)、c)。