惡劣水文條件下施工期拋石斜坡堤穩(wěn)定性研究及改善措施探討

高 梅，戈龍仔，彭 程

(1.天津港石油化工碼頭有限公司，天津 300452；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

1 概述

隨著“一帶一路”倡議的深化和推進(jìn)，為中國(guó)水運(yùn)工程施工建設(shè)企業(yè)帶來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，“21世紀(jì)海上絲綢之路”的沿線國(guó)家大多是發(fā)展中國(guó)家，有著強(qiáng)烈的發(fā)展愿望和內(nèi)在的發(fā)展動(dòng)力，對(duì)于中國(guó)企業(yè)在水運(yùn)工程建設(shè)方面積累巨大的優(yōu)勢(shì)，有利于我國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)施工企業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。但另一方面，“21世紀(jì)海上絲綢之路”跨越了東盟、南亞、西亞、北非、歐洲等各大地區(qū)，國(guó)家分布范圍廣，大部分地區(qū)發(fā)展程度不高，海區(qū)的自然條件與國(guó)內(nèi)存在很多差異，尤其在印度洋北部和非洲東海岸等地區(qū)，常年受到長(zhǎng)周期涌浪等惡劣水文條件的影響，同時(shí)缺乏應(yīng)有的波浪實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)資料，且無(wú)浪天數(shù)很少，因此以往應(yīng)用于國(guó)內(nèi)成熟的傳統(tǒng)施工方法或工程措施不再適用，很多技術(shù)難題亟需研究和解決。

在“一帶一路”涉外已建成的項(xiàng)目過(guò)程中遇到大量的施工技術(shù)困難，如在滕愛(ài)國(guó)[1]等文中闡述在新擴(kuò)建的以色列阿什杜德港項(xiàng)目遇到直接面對(duì)地中海開(kāi)敞海域、水深大(最大為24 m)，受中長(zhǎng)周期波浪影響較為嚴(yán)重，施工難度大、窗口少，傳統(tǒng)工藝難以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求等問(wèn)題。鄧振洲[2]等提出在印尼某電廠碼頭工程南臨印度洋,波浪、潮流等自然條件十分惡劣，碼頭防波堤建設(shè)過(guò)程中在大浪作用下被破壞數(shù)次等問(wèn)題。馮海暴[3]結(jié)合智利圣文森特碼頭工程樁基施工,研究了長(zhǎng)周期波作用下施工存在的問(wèn)題,并結(jié)合實(shí)際情況提出一套新的施工技術(shù)。夏艷軍[4]結(jié)合印尼某火電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，提出針對(duì)長(zhǎng)周期波在防波堤波浪透射系數(shù)下新的港內(nèi)波浪預(yù)測(cè)方法，為工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。陳漢寶[5]針對(duì)印度尼西亞南岸水文泥沙惡劣復(fù)雜條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文測(cè)量結(jié)果和資料收集整理，推出工程位置設(shè)計(jì)、施工基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)。以及2008年中國(guó)公司承建的印度尼西亞PACITAN火電項(xiàng)目配套防波堤工程，面對(duì)印度洋長(zhǎng)周期涌浪，平均波高、周期分別在1 m以上和18 s以上等惡劣條件，且施工期間缺乏海區(qū)波浪的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防波堤施工中未能及時(shí)完成防護(hù)，最終致防波堤出現(xiàn)大面積損壞，見(jiàn)圖1-a，工程損失巨大。中國(guó)公司承建的非洲西北部毛里塔尼亞防波堤工程，海區(qū)水深較大，距離海岸 50 km 外海域水深即可達(dá)到 1 000 m 以上，近岸的最大波高、周期分別達(dá) 4 m 以上和 20 s 以上惡劣水文條件，施工過(guò)程中遭遇涌浪沖擊，防波堤整體發(fā)生破壞，見(jiàn)圖1-b。

根據(jù)上述不同工程研究成果和惡劣水文條件下防波堤施工期過(guò)程中所遭遇破壞的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，針對(duì)新建的海外印度尼西亞某工程火電項(xiàng)目斜坡式拋石防波堤，工程正面對(duì)印度洋，波浪為長(zhǎng)周期涌浪，平均周期在18 s以上和平均波高在2 m以上等惡劣水文條件，因此為了解防波堤在施工期受惡劣波浪條件影響穩(wěn)定情況，開(kāi)展了防波堤施工期斷面穩(wěn)定性的波浪物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工能力，提出了相應(yīng)改善措施，為施工期工程順利實(shí)施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為項(xiàng)目減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失提供技術(shù)參考。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水位為： 施工期水位1.18 m；試驗(yàn)波浪要素為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，波要素結(jié)果見(jiàn)表1。模型試驗(yàn)的施工期斷面見(jiàn)圖2。

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Test wave elements

圖2 防波堤斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Section-cross of breakwater

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用定床、正態(tài)，幾何比尺為37.6，時(shí)間比尺為6.13。試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68 m，寬1.0 m，高1.5 m，造波能力為：最大造波水深1.0 m、波高0～35 cm、周期0.5～5.0 s，見(jiàn)圖3。模型中各種塊石按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程[6]要求。試驗(yàn)采用不規(guī)則波，試驗(yàn)中根據(jù)本工程的波浪特征，經(jīng)《港口與航道水文規(guī)范》(JTS145-2015)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行論證后，確定最終頻譜采用改進(jìn)型JONSWAP譜[7](γ=3.3)，每種工況模擬的原型波作用時(shí)間不少于2 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 10～500 kg堤心石斷面

施工水位對(duì)應(yīng)波浪作用下，波浪連續(xù)作用1 h(原體值，下同)后，大量堤頂塊石推向港池內(nèi)，見(jiàn)圖4，此時(shí)堤頂塊石發(fā)生破壞，高程由設(shè)計(jì)的+3.5 m沖刷至+0.8 m左右，為了觀測(cè)破壞程度進(jìn)一步發(fā)展情況，持續(xù)作用至24 h(即1 d時(shí)間)后，并且每隔1～2 h測(cè)量一下塊石斷面的變形結(jié)果，得到最終斷面變形結(jié)果見(jiàn)圖5，由圖可知斷面破壞特點(diǎn)為：前2 h內(nèi)斷面塊石破壞最嚴(yán)重，9 h以后斷面破壞變形逐漸減弱，最終形成基本穩(wěn)定的斷面形態(tài)，此時(shí)堤頂高程約為-2.5 m左右，完全表現(xiàn)為潛堤。該斷面形式下波浪作用基本對(duì)其穩(wěn)定性不產(chǎn)生作用，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定斷面。

圖5 不同時(shí)間段(波浪作用24 h)堤心石斷面變形結(jié)果(原型值)Fig.5 Deformation results of core rock section under wave action for 24 hours in different time periods

3.2 堤心石斷面+800～1 600 kg墊層塊石

施工水位對(duì)應(yīng)波浪作用下，波浪連續(xù)作用0.5 h后，斷面迎浪側(cè)坡面和堤頂拐角位置800～1 600 kg塊石被波峰部分沖至堤頂，少量被波吸力帶到海側(cè)，此時(shí)堤心暴露發(fā)生破壞。持續(xù)3 h后，水面以上800～1 600 kg塊石全部被沖壞，堤心石完全被暴露，斷面破壞形式類(lèi)似10～500 kg堤心石斷面。

3.3 改善措施提出

針對(duì)本次施工期斷面的破壞形式和最終位于水下一定高程破壞斷面達(dá)到穩(wěn)定形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果，以及參考類(lèi)似惡劣水文影響下涉外工程所總結(jié)的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，如陶然[8]等在建的以色列阿什杜德港主防波堤延伸工程在施工中面臨的拋石工程量大、波浪條件差等困難，提出通過(guò)物理模型試驗(yàn)確定施工期塊石穩(wěn)定極限波高，合理安排施工工序組合方法。王美茹[9]在某印尼項(xiàng)目中波浪條件復(fù)雜而惡劣，缺乏長(zhǎng)期波浪觀測(cè)和大范圍的風(fēng)、浪預(yù)報(bào)資料，提出根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察和對(duì)短期觀測(cè)資料的相關(guān)分析，得到波浪特征，并采用粗壯人工護(hù)面塊體及時(shí)掩護(hù)的方法。周加杰[10]等通過(guò)對(duì)印尼某項(xiàng)目結(jié)合施工期防波堤出現(xiàn)的不同破壞特性，分析長(zhǎng)周期波浪波高、波向與不同平面位置防波堤斷面間的相互作用,提出尋求有效施工模式。戈龍仔[11]在施工過(guò)程中出現(xiàn)了多次破壞，利用縮尺模型試驗(yàn)得到的深水涌浪作用下大型扭工字塊護(hù)面斜坡堤穩(wěn)定斷面的研究方法。曹斌[12]結(jié)合分析開(kāi)敞式印度洋海域環(huán)境下的水文特性，提出施工期防波堤堤頭的不同防護(hù)技術(shù)。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械能力和波浪條件，提出改善措施見(jiàn)表2。

表2 改善措施及效果分析Tab.2 Improvement measures and effect analysis

綜上所述，針對(duì)波高大、周期長(zhǎng)惡劣水文條件，為保證施工期防波堤順利開(kāi)展，應(yīng)建立一套直觀的波浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)，及時(shí)做好防護(hù)，同時(shí)提高防波堤施工速度等，有利于降低防波堤的破壞風(fēng)險(xiǎn)和施工期的防護(hù)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

在惡劣水文條件下，針對(duì)新建的海外印度尼西亞某工程火電項(xiàng)目施工期拋石斜坡堤穩(wěn)定性試驗(yàn)研究和改善措施探討，得出以下結(jié)論：

(1)10～500 kg堤心石斷面，施工期波浪作用下，堤頂塊石很快產(chǎn)生破壞，且均堆積于港內(nèi)，斷面前2 h內(nèi)破壞最嚴(yán)重，9 h以后破壞逐漸減弱，最終破壞斷面形態(tài)為堤頂高程約為-2.5 m，且完全表現(xiàn)為潛堤；(2)堤心石斷面+800～1 600 kg墊層塊石，施工期波浪作用下，坡肩800～1 600 kg塊石破壞后堤心石暴露，在3 h后堤心石完全暴露，最終破壞斷面形態(tài)類(lèi)似堤心石斷面；(3)提出4種改善措施，經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，斷面形式均能保持穩(wěn)定。為保證施工期防波堤順利開(kāi)展，應(yīng)建立一套直觀的波浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)，及時(shí)做好防護(hù)，同時(shí)提高防波堤施工速度等，有利于降低防波堤的破壞風(fēng)險(xiǎn)和施工期的防護(hù)成本；(4)面臨惡劣水文條件工程項(xiàng)目，并缺少波浪預(yù)報(bào)的情況下，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室防波堤施工期穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究非常有必要，也再次驗(yàn)證物理模型試驗(yàn)在設(shè)計(jì)、施工和優(yōu)化方面的必要性。