長江南京以下12.5m深水航道一期工程半圓形構件混合堤深化研究

佟德勝，劉志遠，王海龍，侯樹強

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；2.東營港建設投資有限責任公司，山東 東營 257091；3.中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 概述

半圓形構件已成功應用于天津港、長江口等工程，基于半圓形構件混合堤的特點，為適應不同水文、地質條件的要求，特別是軟土地基、砂石料短缺的情況，深入研究開發受力更為合理且施工更為方便的半圓形構件混合堤是非常必要的。

在滿足長江南京以下12.5m深水航道一期工程建設需要的前提下，基于其研究成果，進一步深化研究探索波浪對半圓形構件混合堤的影響及其波浪力的變化規律，以為一期工程和后續建設項目期間輔助性試驗驗證提供相應的技術支持和指導，具有推廣應用于其他類似工程建設的社會價值和較好的經濟效益。

根據需要可在半圓形構件拱圈的前、后半部或全部上開孔，在堤身內部形成消浪室，以增強消浪效果。本次主要針對半圓形構件不同方向、不同開孔部位、不同開孔率及不開孔等開展系列試驗研究。

2 試驗依據和條件

2.1 水位與波浪

不同開孔率半圓形混合堤結構斷面設計波浪要素見表1。

表1 設計波浪要素Table1 Designwave parameter

2.2 波浪模擬

不規則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規則波試驗中，則按照H1%波高和平均周期來進行模擬[1-3]。

3 半圓形構件混合堤結構形式

1）單側開孔率10.4%半圓形構件混合堤

半圓形空心構件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構件迎（背）浪側高度方設排氣孔7行，孔徑φ400 mm，縱向開5列；單塊構件縱長為6.40m，體積為73.13m3，重量為182.82 t，迎（背）浪側開孔率為10.4%，背（迎）浪側不開孔，結構斷面見圖1。

圖1 單側開孔率為10.4%的半圓形空心構件混合堤結構斷面Fig.1 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponentdykew ith 10.4%unilateralopening rate

2）單側開孔率20.1%半圓形構件混合堤

半圓形空心構件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構件迎（背）浪側高度方設排氣孔6行，孔徑φ600 mm，縱向開5列；單塊構件縱長為6.40m，體積為71.09m3，重量為177.71 t，迎（背）浪側開孔率為20.1%，背（迎）浪側不開孔，結構斷面詳見圖2。

圖2 單側開孔率為20.1%的半圓形空心構件混合堤結構斷面Fig.2 Structuralsection of thesem i-circular hollow componentdykew ith 20.1%unilateralopening rate

3）不開孔半圓形構件混合堤

不開孔半圓形空心構件亦采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00 m，內圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，無前后趾，底板及側壁均不開孔；單塊構件縱長為6.40 m，體積為71.232 m3，重量為178.08 t，結構斷面詳見圖3。

4 試驗研究內容

1） 在給定水位，重現期為50 a一遇的不規則波及H1%規則波作用下，驗證各混合堤結構斷面、墻身、護肩塊石、護坡塊石、拋石棱體的穩定性；

2）同步量測不開孔及單側不同開孔率半圓形構件內外側波壓力及底部浮托力的大小和分布，分別給出同步點壓力分布和總水平力及總垂直力；

不同開孔率及不開孔半圓形空心構件重度均為2.5 t/m3。

圖3 不開孔半圓形空心構件混合堤結構斷面Fig.3 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponent dykew ith no opening rate

5 研究結果與分析

5.1 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構件混合堤斷面穩定性

在不同水位及相應波浪條件下，對不同開孔率半圓形空心構件混合堤斷面的穩定性進行了試驗研究，并對其進行了比較與分析，見表2。

試驗結果表明：

1）不同開孔率半圓形空心構件混合堤結構斷面，在不同計算水位，重現期為50 a一遇的不規則波及H1%規則波作用下，堤前200～300 kg護肩塊石表層極少量發生滾落，但塊石護肩整體穩定，兩側100～200 kg護底塊石處于穩定狀態。

表2 不同開孔率半圓形空心構件混合堤結構斷面穩定性試驗結果Table 2 Structuralsection stability test resultsof the sem i-circular hollow com ponentdykew ith differentopening rates

2）無論半圓形空心構件迎浪側開孔、背浪側不開孔，還是背浪側開孔、迎浪側不開孔，以及底板和側壁均不開孔半圓形空心構件，在設計給定的波浪要素作用下，不同開孔率半圓形空心構件均有在相應水位下發生位移，構件失穩[4]。

5.2 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構件的波浪力

在不同水位及相應波浪條件下，同步量測了不同開孔率半圓形空心構件內外側波壓力及底部浮托力的大小和分布，并對其進行了比較與分析，見表3。

試驗結果表明：

1）由穩定性試驗和波浪力試驗結果來看，二者吻合較好；

2）在相同水位、相同波浪作用下，單側開孔半圓形空心構件底板開孔率大于10%時，隨著迎浪側開孔率的增大，作用在半圓形拱圈里側方向向外的波壓力逐漸增大，不利于構件穩定，平頂及以上水位時較明顯；

3）在堤頂以下一倍波高處水位、相同波浪作用下，單側開孔半圓形空心構件底板開孔率大于10%時，隨著迎浪側（或背浪側）開孔率的增大，構件逐漸失穩；不開孔半圓形構件更不穩定；

4）在平頂及以上水位、相同波浪作用下，單側開孔半圓形空心構件（底板開孔率大于10%）、背浪側開孔（迎浪側不開孔）時，波吸力對構件作用較為明顯，即構件向堤前方向位移；而不開孔半圓形構件反之，即控制工況為波峰[4]。

5.3 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構件抗滑穩定性對比分析

不同開孔率半圓形構件在設計給定的波浪要素作用下，實測了各半圓形構件抗滑系數最小時刻的波浪總水平力、總垂直力及最小滑動穩定安全系數，并對其進行了比較與分析，見表4。

表3 不同開孔率半圓形空心構件點壓力合成總力測試結果對比Table3 Results contrastof the total force composeof point pressure from the sem i-circular hollow component w ith differentopening rates

表4 不同開孔率半圓形空心構件抗滑穩定性對比Table 4 Contrastof the stability againstsliding of the sem i-circular hollow com ponentw ith differentopening rates

對比分析結果表明：

1）大浪波峰作用時，迎浪側開孔和底板、側壁均不開孔半圓形構件抗滑系數最小，此時同步總垂直力方向向上，尤其平頂水位總垂直力達到最大，更不利于構件穩定。

2）在平頂及以上水位條件下，背浪側開孔半圓形構件抗滑系數最小時刻為負向水平力最大時刻，此時波谷為控制工況，同步總垂直力方向也是向上，不利于構件穩定；在堤頂以下一倍波高處水位條件下，大浪波峰作用時，背浪側開孔半圓形構件抗滑系數最小。

3）背浪側開孔半圓形構件抗滑能力強于迎浪側開孔及底板和側壁均不開孔情況。在平頂及以上水位時，背浪側開孔10.4%半圓形構件抗滑穩定性好于背浪側開20.1%、底板和側壁均不開孔、迎浪側開孔10.4%、迎浪側開孔20.1%情況；在堤頂以下一倍波高處水位時，迎浪側開孔半圓形構件抗滑穩定性好于背浪側開孔及不開孔情況，開孔率小時較穩定[4]。

6 結語

1）無論半圓形空心構件迎浪側開孔，還是背浪側開孔，開孔率越大，構件易失穩；當側壁和底板均不開孔時，也不利于半圓形空心構件穩定。

2）在相同水位、相同波浪作用時，半圓形構件底板開孔、迎浪側開泄壓小孔及背浪側開排氣孔時抗滑穩定性及受力狀況較好。該成果已應用于長江南京以下12.5 m深水航道建設一期整治工程半圓形構件混合堤的設計和施工。

[1] JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS145-2—2013，海港水文規范[S].JTS145-2—2013,Codeofhydrology for seaharbor[S].

[3]JTS154-1—2011，防波堤設計與施工規范[S].JTS 154-1—2011,Code ofdesign and construction of breakwaters[S].

[4]佟德勝.長江南京以下12.5m深水航道建設工程一期工程整治建筑物堤身結構新型構件斷面波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014.TONG De-sheng.Wave physical model test study on new type componentofdikebody of regulating structure in phase Iprojectof 12.5m deep-water navigation channel from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin：CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2014.