廈門港古雷港區(qū)南3 號泊位填海造地工程圍堤波浪斷面的安全性試驗(yàn)

徐佳胤， 汪樂強(qiáng)， 陳德春

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京210098 2. 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200032)

廈門港古雷港區(qū)位于福建省漳浦縣古雷半島東山灣灣口東側(cè)，是建設(shè)海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)區(qū)域，又是承接國外及港澳臺地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的便捷區(qū)域，具有港闊水深的優(yōu)勢。目前，有十多個(gè)在建和已建成投入使用的泊位，包括建材碼頭、滾裝碼頭、液體化工碼頭、海事工作船碼頭和綜合碼頭等。古雷港口經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)依托古雷港區(qū)，將建成以重大工業(yè)項(xiàng)目為帶動的臨港工業(yè)區(qū)，重點(diǎn)發(fā)展石化、裝備制造和現(xiàn)代物流等產(chǎn)業(yè)，是海峽西岸先進(jìn)的制造業(yè)基地。

文中采用波浪斷面物理模型試驗(yàn)，研究古雷港區(qū)3 號泊位填海造地工程圍堤斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、尺度合理性;優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確定合理的圍堤斷面結(jié)構(gòu)和尺度。

1 圍堤斷面設(shè)計(jì)方案

南3 號泊位液化罐區(qū)填海造地工程位于古雷半島南端(見圖1)，西側(cè)臨海，東側(cè)為陸域。該填海造地工程陸域形成總面積46.11 萬m2，其西側(cè)圍堤長358 m、呈南北走向(見圖2)，圍堤建筑物結(jié)構(gòu)安全等級為II 級，施工圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計(jì)波浪與設(shè)計(jì)水位重現(xiàn)期均為50 年一遇。該圍堤是古雷港區(qū)陸域極為重要的安全防線，由于地處東山灣口，同時(shí)受外海潮流、波浪作用，加之常受臺風(fēng)襲擊，風(fēng)、浪、潮等因素使得確定合理的圍堤斷面尺度與結(jié)構(gòu)十分困難。技術(shù)難點(diǎn)主要有:波浪作用下護(hù)面扭王字塊體質(zhì)量與安放型式，護(hù)腳塊石質(zhì)量，越浪量小于0.05 m3/s·m 時(shí)的墻頂高程。需通過波浪斷面模型試驗(yàn)，研究與解決這些技術(shù)難點(diǎn)［1］。且根據(jù)規(guī)范要求［2］，當(dāng)斜向波設(shè)計(jì)波浪平均周期大于10 s 時(shí)，護(hù)面扭王字塊體質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證其穩(wěn)定性，確保圍堤結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

圖1 古雷作業(yè)區(qū)南3#泊位液化罐區(qū)填海造地工程位置示意Fig.1 Sketech map of the Gulei operation area south berth 3# liquefied tank farm land reclamation

圖2 擬建圍堤位置示意Fig.2 Sketch map of the proposed seawall

古雷港區(qū)圍堤斷面型式為斜坡堤(見圖3)，其結(jié)構(gòu)與尺度見表1。堤頂設(shè)反L 型砼防浪墻，墻頂高程▽7.0 m(當(dāng)?shù)乩碚摶妗⑾峦?、寬80 cm，墻身高度1.7 m。堤頂面高程▽5.3 m，頂寬4.0 m(不含防浪墻)。迎浪面▽1.0 m 位置設(shè)置寬13 m 平臺，平臺上下斜坡坡比均為1 ∶2，護(hù)面結(jié)構(gòu)為質(zhì)量2.5 t 扭王字塊(一層)，墊層塊石質(zhì)量150 ～250 kg。堤腳設(shè)寬10 m 拋石護(hù)底，護(hù)底塊石質(zhì)量300 ～500 kg。堤心回填質(zhì)量為10 ～300 kg 的開山石，其后設(shè)置二片石墊層、混合倒濾層及土工布層。防浪墻內(nèi)側(cè)陸域回填高程為▽4.8 m ;圍堤斷面地基為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，采用振沖密實(shí)+ 插打塑料排水板進(jìn)行地基處理，滿足設(shè)計(jì)斷面的整體穩(wěn)定要求［3］。

圖3 圍堤設(shè)計(jì)代表斷面Fig.3 Cross-section diagram of the seawall

表1 古雷港區(qū)圍堤斷面尺度與結(jié)構(gòu)Tab.1 Cross-section scale and structure of the Gulei port seawall

2 圍堤斷面試驗(yàn)技術(shù)要求與研究方法

2.1 試驗(yàn)技術(shù)要求

在不規(guī)則波浪與水位組合作用下，對圍堤設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，具體包括［4］:

1)護(hù)面2.5 t 扭王字塊體和護(hù)底300 ～500 kg塊石的穩(wěn)定性;

2)反L 型砼防浪墻的穩(wěn)定性;①先采用折減的斜向波要素，當(dāng)防浪墻失穩(wěn)，則調(diào)整防浪墻設(shè)計(jì)尺度重新試驗(yàn);②當(dāng)防浪墻在①試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)，采用不折減波要素繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn);③若②試驗(yàn)下防浪墻失穩(wěn)，則降低波要素得出防浪墻的穩(wěn)定臨界波要素。

3)測量反L 型砼防浪墻墻頂越浪量，分析其對堤頂結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

基于圍堤波浪斷面試驗(yàn)技術(shù)要求［4］，在遵守試驗(yàn)規(guī)程［5］前提下，綜合試驗(yàn)設(shè)備(76 × 1.5 × 1.0 m波浪水槽、生波機(jī))性能、圍堤斷面、水深和波浪要素等，模型依重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，正態(tài)模型比尺取1 ∶25。不規(guī)則波波譜、越浪量采集、防浪墻、人工塊體(石)的護(hù)面失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為:

1)不規(guī)則波波譜采用Jonswap 譜，其表達(dá)式為

式中:

式中:HS為有效波高(m);Tp為譜峰值周期(s)，取Tp= 1.2 ～1.3ˉT;fp為譜峰值頻率(Hz);γ 為譜峰升高因子。

2)越浪量采用集水器和量筒測墻頂總越浪量V，并計(jì)算出單位時(shí)間單位墻寬的平均越浪量q，即q =V/bt;

3)防浪墻失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn):波浪作用下，觀測到防浪墻發(fā)生明顯滑動或傾斜時(shí)即失穩(wěn);

4)人工塊體(石)的護(hù)面失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn):波浪作用下，隨機(jī)安(拋)放的護(hù)面塊體(石)累積位移超過單個(gè)塊體的最大幾何尺度時(shí)或塊石護(hù)底的表面有明顯變形即失穩(wěn)。

2.3 試驗(yàn)水位與波要素

根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求［4］，設(shè)計(jì)水位有4 組，即極端高低水位、設(shè)計(jì)高低水位。考慮到設(shè)計(jì)高低水位相差較大，且兩者之間的水位與波浪的組合在該地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)，作用于圍堤外坡。對此，在安全性試驗(yàn)中需增加一級平均海平面水位，即共研究5 組設(shè)計(jì)水位與波要素的組合作用下(見表2、表3)，圍堤斷面結(jié)構(gòu)的安全性(泥面高程▽－4.9 m，波向?yàn)镾SW)。

表2 E 點(diǎn)、斜向波不折減時(shí)圍堤代表斷面設(shè)計(jì)波要素Tab.2 Wave elements of the representative section with oblique wave without reducing

表3 E 點(diǎn)、斜向波折減時(shí)圍堤代表斷面設(shè)計(jì)波要素Tab.3 Wave elements of the representative section with reduced oblique wave

3 影響圍堤斷面安全性試驗(yàn)的參量確定

由2.1 試驗(yàn)技術(shù)要求分析可知，開展圍堤斷面安全性試驗(yàn)還存在兩個(gè)不確定因素，即沒有明確不規(guī)則波譜峰升高因子值和扭王字塊體安放型式。對此，首先需研究這2 個(gè)因素，才能按照試驗(yàn)技術(shù)要求和規(guī)程［5］進(jìn)行圍堤斷面安全性試驗(yàn)。

3.1 不規(guī)則波譜峰升高因子的確定

波浪斷面試驗(yàn)中不規(guī)則波波譜一般采用Jonswap 譜，其峰升高因子在1.5 ～6［5］，γ = 3.3 是其平均值［6-7］。據(jù)福建沿海水域崇武、祥芝、廈門與深滬現(xiàn)場測波點(diǎn)資料［8］，采用“956”測波浮標(biāo)系統(tǒng)所測的海浪譜，經(jīng)擬合，該海域期望(平均)海浪方向頻率譜模式，符合Jonswap 譜的無維量海浪頻譜模式。模式中峰升高因子適用在開敞水域取2.3，灣內(nèi)水域取3.5。又因古雷港區(qū)圍堤工程位于東山灣口，水域開闊，故綜合考慮本試驗(yàn)分別采用r = 2.5，3.3 研究圍堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2 扭王字塊體安放型式的確定

扭王字塊體安放型式有定點(diǎn)隨機(jī)安放或規(guī)則安放。在東南沿海防波堤工程實(shí)踐中，扭王字塊體采用規(guī)則安放具有較明顯的抗浪效果，因此本試驗(yàn)以規(guī)則安放扭王字塊體為準(zhǔn)，采用條形規(guī)則安放或交錯(cuò)規(guī)則安放研究其穩(wěn)定性。

4 安全性試驗(yàn)

安全性試驗(yàn)是在不規(guī)則波浪與5 級水位組合作用下研究圍堤設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、尺度合理性。考慮到波浪要素取折減或不折減、扭王字塊體安放形式(試驗(yàn)采用條型規(guī)則或交錯(cuò)規(guī)則)，Jonswap 譜峰升高因子取2.5 或3.3 等因素，都會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，先研究扭王字塊體條型規(guī)則安放，波浪要素取折減與不折減時(shí)，圍堤設(shè)計(jì)斷面的安全性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改斷面尺度;進(jìn)而研究扭王字塊體交錯(cuò)規(guī)則安放，波浪要素取折減與不折減時(shí)，該修改斷面的安全性，以確定扭王安放型式和最終的斷面尺度。

4.1 圍堤設(shè)計(jì)斷面安全性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中Jonswap 譜峰升高因子取3.3 及2.5 進(jìn)行對比以確定其取值。試驗(yàn)表明:波浪要素取折減時(shí)(見表4)，反L 型浪防墻和條形規(guī)則安放的2.5 t護(hù)面扭王字塊體均滿足穩(wěn)定性要求、300 ～500 kg護(hù)底塊石需調(diào)整到350 ～500 kg 后達(dá)到穩(wěn)定。問題是防浪墻頂高程▽7.0 m 偏低，越浪量不能滿足小于0.05 m3/s·m。對此，在各級水位和不規(guī)則波浪作用下，將墻頂高程調(diào)整為▽7.4 m、▽7.6 m、▽7.8 m 測量越浪量，具體結(jié)果見表5。

由表5 可以看出，越浪量的大小與Jonswap 譜峰升高因子取值有關(guān)。調(diào)整墻頂高程后峰升高因子取2.5 時(shí)，越浪量≤0.05 m3/s·m;取3.3 時(shí)，越浪量均≥0.05 m3/s·m。由于本次擬建圍堤接近蘇尖灣口已建的某防波堤工程，該工程防波堤斷面波浪模型試驗(yàn)中［9］，Jonswap 譜峰升高因子選用了2.5，實(shí)際工程效果良好，則東山灣口亦可取γ = 2.5 的試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，出于工程量考慮，將墻頂高程調(diào)整為▽7.4 m。

在譜峰系數(shù)為2.5、墻頂高程取▽7.4 m 條件下，進(jìn)而采用不折減的波要素研究反L 型防浪墻穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明，波浪沖擊上坡面后沿坡面上爬沖擊防浪墻，或直接波擊防浪墻，堤頂反L 型砼防浪墻穩(wěn)定。故將堤頂高程確定為▽7.4 m 進(jìn)行扭王字塊體交錯(cuò)規(guī)則安放試驗(yàn)。

表4 防浪墻頂高程▽7.0 m、扭王條形規(guī)則安放、折減波要素下圍堤斷面波浪穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7 m，wrest block is placed by bar-type regularly，and wave elements are reduced

表5 波浪作用下不同堤頂高程越浪量比較Tab.5 Comparison of the overtopping at different elevation of the top of the breast wall under wave action

4.2 圍堤修改斷面安全性分析

扭王字塊體采用交錯(cuò)規(guī)則安放、波浪要素取折減或不折減，譜峰升高因子為2.5 時(shí)研究圍堤修改斷面［8］(墻頂高程取▽7.4 m、護(hù)底塊石質(zhì)量350 ～500 kg)安全性。在各級水位與折減波浪組合作用下，反L 型防浪墻穩(wěn)定;交錯(cuò)安放的2.5 t 扭王字塊體相互嵌固，提高了整體穩(wěn)定性與抗浪性;越浪量較條形規(guī)則安放稍許增大;外海側(cè)350 ～500 kg 護(hù)底塊石穩(wěn)定(見表6);各級水位與不折減波浪組合下，反L 型防浪墻亦穩(wěn)定;2.5 t 護(hù)面扭王字塊體在設(shè)計(jì)高水位與極端高水位時(shí)上坡面塊體有搖動;在平均水位時(shí)鎮(zhèn)壓層前端有搖動;外海側(cè)350 ～400 kg 護(hù)底塊石表面滾動;400 ～500 kg 護(hù)底塊石穩(wěn)定(見表7)。

表6 防浪墻頂高程▽7.4 m、扭王交錯(cuò)規(guī)則安放、折減波要素下圍堤斷面波浪穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and wave elements are reduced

表7 防浪墻頂高程▽7.4 m、扭王交錯(cuò)規(guī)則安放、不折減波要素下的圍堤斷面波浪穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and the wave elements are without reduction

5 結(jié) 語

1)防浪墻穩(wěn)定性與墻頂高程:以不規(guī)則波譜峰升高因子取2.5，墻頂高程取▽7.4 m 為準(zhǔn)，在波浪要素取折減或不折減時(shí)，反L 型防浪墻穩(wěn)定。由于墻頂高程較原設(shè)計(jì)提高0.4 m，為減小波擊防浪墻，反L 型砼防浪墻前頂面高程由▽5.3 m 調(diào)整到▽6.0 m、加厚70 cm，由此發(fā)揮墻前扭王字塊體抵御波浪力，提高防浪墻穩(wěn)定作用。

2)護(hù)面扭王字塊體安放型式與塊體穩(wěn)定性:以斜向波折減波浪要素為準(zhǔn)，條形規(guī)則安放和交錯(cuò)規(guī)則安放的2.5 t 扭王字塊體均穩(wěn)定。考慮到交錯(cuò)安放的扭王字塊體間嵌固較緊，能提高塊體整體抗浪性，并考慮工程區(qū)域波浪動力條件復(fù)雜性，應(yīng)選擇交錯(cuò)規(guī)則安放。

3)護(hù)底鎮(zhèn)壓層塊石穩(wěn)定性:護(hù)底塊石質(zhì)量需調(diào)整，前坡采用400 ～500 kg 塊石、鎮(zhèn)壓層平臺表層塊石采用350 ～500 kg 達(dá)到穩(wěn)定。

4)堤頂水泥碎石穩(wěn)定層和內(nèi)坡倒濾面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性:由于其結(jié)構(gòu)不是堤頂面竣工結(jié)構(gòu)，在臺汛期需重視對堤頂水泥碎石穩(wěn)定層和內(nèi)坡倒濾面結(jié)構(gòu)保護(hù)，有利于防浪墻穩(wěn)定。

5)經(jīng)試驗(yàn)研究確定的施工圖圍堤斷面已完工，防災(zāi)能力達(dá)到50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)臺風(fēng)“鳳凰”考驗(yàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防浪效果良好。

［1］嚴(yán)愷.海岸工程［M］.北京:海洋出版社，2000.

［2］交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.JTS 154-1—2011 防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］黃從增，薛國強(qiáng).廈門港古雷港區(qū)古雷作業(yè)區(qū)南3#泊位液化罐區(qū)填海造地工程施工圖設(shè)計(jì)［R］.廈門:廈門中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2013.

［4］黃從增，薛國強(qiáng).廈門港古雷港區(qū)古雷作業(yè)區(qū)南3#泊位液化罐區(qū)填海造地工程圍堤斷面試驗(yàn)技術(shù)要求施工圖設(shè)計(jì)［R］.廈門:廈門中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2013.

［5］南京水利科學(xué)研究院.JTJ/T234—2001 波浪模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］徐德倫，于定勇.隨機(jī)海浪理論［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［7］俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2011.

［8］河海大學(xué)交通與海洋工程學(xué)院，福建省港航管理局，國家海洋局第三海洋研究所.福建沿海海浪譜分析研究［R］.南京:河海大學(xué)，1997.

［9］河海大學(xué)交通與海洋學(xué)院.5401 工程防波堤斷面波浪模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.南京:河海大學(xué)，2004.