基于越浪量確定開敞式實(shí)體結(jié)構(gòu)頂高程的設(shè)計(jì)方法

周驚慧，柯維林，宋偉華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

碼頭高程的取值對(duì)工程投資、碼頭作業(yè)的便捷性等有著很大的影響，是碼頭工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。目前各國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高程取值方法不一，但是基本原理一致。國標(biāo)中針對(duì)碼頭高程的計(jì)算提供了上水標(biāo)準(zhǔn)和受力標(biāo)準(zhǔn)兩種計(jì)算方法，其中針對(duì)上水控制標(biāo)準(zhǔn)的解釋是指根據(jù)碼頭的重要性、作業(yè)特點(diǎn)等要求，在一定的潮位和波浪組合下，按照碼頭面上水可接受的程度設(shè)定的碼頭前沿頂高程控制標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)針對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)碼頭，一般可只按上水標(biāo)準(zhǔn)確定碼頭前沿頂高程。相關(guān)的條文規(guī)范中，未對(duì)上水可接受程度予以說明，本文結(jié)合項(xiàng)目方案特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討。

1 工程概述

1.1 建設(shè)條件[1-2]

工程地處地中海南岸，受地中海氣候影響。所在海區(qū)極端高水位 0.7 m（以當(dāng)?shù)刈畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，下同），極端低水位-0.6 m，設(shè)計(jì)高水位0.34 m，設(shè)計(jì)低水位-0.26 m。

波浪特征為：冬季，波浪主要來自西南向（25.43 %）、西向（19.74 %）和東北向（18.04 %）；夏季，波浪主要來自東北向（30.42 %）、東向（15.63 %）、西南向（14.72 %）和西向（11.05 %）。波玫瑰圖見圖1。

圖1 波玫瑰圖

根據(jù)本項(xiàng)目波浪數(shù)值模擬研究結(jié)果，設(shè)計(jì)波浪參數(shù)如表1。

表1 碼頭設(shè)計(jì)波浪條件

1.2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目建設(shè)一個(gè)15萬t級(jí)礦石卸船泊位，碼頭與陸域由引堤連接，防波堤及碼頭軸線采用“一”字形布置，軸線方向?yàn)楸逼珫| 30°，防波堤布置在西側(cè)，碼頭泊位布置在東側(cè)，碼頭結(jié)構(gòu)采用雙圓筒沉箱結(jié)構(gòu)型式，碼頭斷面見圖2，平面布置見圖3。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

圖3 平面布置及波浪特征點(diǎn)位置

2 越浪量標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取[3-8]

本項(xiàng)目越浪標(biāo)準(zhǔn)控制主要考慮在碼頭工作狀態(tài)下，行人和汽車可安全作業(yè)，在極端工況下結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

為此對(duì)日本港口建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)福田等調(diào)查）、Fuknda Efal的研究成果、DHI的研究成果、BS 6349-Part7等各文獻(xiàn)中對(duì)允許越浪量給出的建議進(jìn)行對(duì)比分析。從各種規(guī)范、研究和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，確保通車的運(yùn)行越浪量要求控制在<2×10-5m3/s/m，標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高。

因此，本項(xiàng)目參照日本Sigurdarson等的研究成果，該成果顯示在堤后其應(yīng)用為卸船或裝卸作業(yè)時(shí)，允許越浪量建議為≤0.00042 m3/s/m。綜合考慮本項(xiàng)目作業(yè)情況及參考各規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：船舶裝卸作業(yè)期間基本不越浪，平均越浪量≤0.1l/m/s=0.0001 m3/s/m。

按照日本港口建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的越浪狀況是水體飛濺，消浪良好，可排水；另外，參照Coastal Engineering Manual，在這種越浪標(biāo)準(zhǔn)下，在作業(yè)狀態(tài)下行人和車均不會(huì)出現(xiàn)安全問題。

考慮在極端工況條件下，碼頭上無作業(yè)人群及車輛，船舶已離港，只需保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞即可，因此校核工況設(shè)定為極端波浪情況下結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。

同時(shí)參照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，本項(xiàng)目船舶卸船的允許作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定見表2。

表2 船舶卸船的允許波高取值

3 碼頭面高程計(jì)算[8]

本碼頭面高程計(jì)算采用中標(biāo)中的上水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)碼頭東西兩側(cè)不同波浪要素，計(jì)算碼頭面高程及擋浪墻高程。

計(jì)算公式采用《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-2013）5.4.8中規(guī)定的上水標(biāo)準(zhǔn)。碼頭面高程及擋浪墻高程計(jì)算取值見表3。

表3 高程計(jì)算

綜合考慮海平面上升等因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取值，碼頭東側(cè)取值為4.0 m，碼頭西側(cè)擋浪墻高程取值為10 m。

4 越浪量計(jì)算[9]

越浪量采用《Eurotop-Wave Overtopping of Sea Defenses and Related Structures:Assessment Manual》（2008）中的公式進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)水位為極端高水位時(shí)碼頭兩側(cè)的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 碼頭區(qū)越浪量計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，碼頭東側(cè)前沿作業(yè)波高達(dá)到1.9 m前，碼頭越浪量均未超過要求設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但采用常規(guī)作業(yè)控制的2年一遇波浪時(shí)，越浪量超過控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 2D及3D物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證[10-11]

針對(duì)碼頭進(jìn)行2D斷面試驗(yàn)，各工況對(duì)西北向浪越浪試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算公示理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表5 2D斷面試驗(yàn)結(jié)果

3D整體物理模型試驗(yàn)比例為 1/68，港池選用的浪向?yàn)?N359°和 N339°。為了測量直立式防波堤擋浪墻后的越浪量，首先，對(duì)這些越浪進(jìn)行定位，然后采用3個(gè)分別布置在碼頭連接處、碼頭中部、碼頭堤首的水槽（B1、B2和 B3）測量越浪量，3個(gè)水槽（V1、V2和V3）所得體積將作為越浪流量計(jì)算的基礎(chǔ)，即Q1、Q2和Q3。每個(gè)水槽長0.6 m、寬0.35 m。考慮了基本方案和優(yōu)化方案兩組試驗(yàn)，基本方案：碼頭東側(cè)取值為 4.0 m，碼頭西側(cè)擋浪墻高程取值為 10 m。優(yōu)化方案：擋浪墻增高到10.50 m，連接處的頭 4個(gè)沉箱擋浪墻增高到11.50 m；試驗(yàn)測量結(jié)果如表6。

表6 3D整體物理模型試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化方案測得的越浪量在安全范圍內(nèi)。優(yōu)化方案連接處碼頭前4個(gè)沉箱擋浪墻高程由10.50 m增高到11.50 m，目的是減小該位置集中的越浪。

6 結(jié)語

1）根據(jù)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果及物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，兩者獲取值基本一致，說明本項(xiàng)目采用的計(jì)算方法和試驗(yàn)方法是合適的。

2）根據(jù)對(duì)碼頭頂越浪量分析可知，本項(xiàng)目碼頭頂高程的取值是合理的。類似碼頭高程的設(shè)定需通過數(shù)值理論計(jì)算結(jié)合物理模型驗(yàn)證共同確定。

3）針對(duì)碼頭上水標(biāo)準(zhǔn)中的上水程度，目前規(guī)范中尚無相關(guān)說明，本項(xiàng)目上水程度取值及原則可為類似項(xiàng)目提供參考。

4）上水碼頭高程的設(shè)定，需滿足船舶在作業(yè)狀態(tài)及靠泊狀態(tài)下基本不越浪。針對(duì)大波浪區(qū)域，可通過作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及逃跑波高的設(shè)定來控制碼頭面高程，減少項(xiàng)目投資。

5）因碼頭高程取值僅可滿足船舶作業(yè)工況，對(duì)碼頭面上的裝卸設(shè)備、電氣設(shè)備、通信設(shè)備等提出了較高的防護(hù)要求，因此需提高相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)。