長周期波浪作用下斜坡式引堤結構設計分析

孫 麗，孫運佳

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

引 言

海外工程建設過程中經常遇到波浪周期長、波能大的惡劣建港條件。長周期波浪的特性及作用效果尚未得到全面認識和研究。因此，本文結合具體工程實例，分析了長周期波浪對斜坡式引堤的影響，對引堤斷面設計進行了優化，為類似的工程設計提供指導和參考。

1 工程背景

本工程位于幾內亞西海岸中部，面向大西洋，北距卡姆薩港52 km，東南距首都科納克里112 km。本工程一期水工建筑物包括引堤、護岸、防波堤和1 個1.2 萬t 級泊位。根據平面布置要求，引堤長 1 270 m；西側護岸長181 m；防波堤由西防波堤和南防波堤組成，總長500 m。

引堤和護岸將為施工期和未來使用期提供通道，且堤頂設有皮帶機，越浪要求較防波堤更為嚴格。根據設計要求，引堤的堤頂的越浪量不大于 0.02 m3/(m·s)，為保證皮帶機的使用安全，還需結合試驗情況進行判斷。本文以引堤為研究對象，防浪標準采用重現期為50 年一遇，即采用最不利水位與50 年一遇波浪組合進行承載能力極限狀態下的結構分析和正常使用狀態下的使用要求分析。根據勘察資料，引堤從堤根0+0 m 至0+400 m 處，水深變化較為劇烈，泥面高程從6 m 變化至-2.5 m，其余900 m 堤身至防波堤堤頭段水深變化較小，泥面高程約為-2.5～-4.0 m。本文以泥面高程-4.0 m 處的堤身斷面進行分析。工程總平面布置見圖1。

圖1 平面布置示意

1.1 設計水位

極端高水位4.9 m；設計高水位4.1 m；設計低水位0.5 m；極端低水位-0.1 m。

1.2 設計波浪

幾內亞附近海域波浪主要集中在SSW到WSW向，三個方向頻率占到91.56 %，強浪向在S～SW之間。波浪常年以涌浪為主，平均周期較大，盡管有少量風暴發生，但都為向西及西偏北方向移動，故極端天氣引起的大浪相對較少。

選取的分析斷面處的設計波浪要素[1]見表1。

表1 引堤外側各水位對應設計波浪要素

2 引堤初始方案

2.1 斷面結構

由于當地石料豐富，且混凝土造價遠高于石料造價，考慮到工程的經濟性，經分析論證后引堤采用斜坡式拋石堤，護面防護結構采用塊石代替人工塊體。

斷面的堤頂高程、護面塊石及護底塊石重量根據設計規范[2]進行計算。但考慮到長周期波浪的特性，在設計斷面時外側堤頂高程比計算值增加了 1 m。

引堤初始斷面結構設計如下：

斷面外側采用6～8 t 塊石護面，堤頂高程為 9.0 m，在-1.0 m 高程位置設有5 m 寬肩臺；墊層塊石重量為300～600 kg，墊層下設10～100 kg 塊石；外側護底重量為100～200 kg；堤心采用開山石；斷面包含兩個胸墻，外側為現澆混凝土胸墻，頂高程為8.5 m，內側為漿砌塊石擋墻，頂高程為6.6 m；兩塊擋墻之間為石渣臨時路面，石渣路面下設10～50 kg 塊石，路面寬度根據皮帶機寬度及通行要求確定為12 m；堤后護面采用600～800 kg 塊石，下設10～100 kg 塊石；內側護底重量為100～200 kg。斷面結構型式見圖2。

圖2 引堤初始斷面

2.2 實驗結論及分析

對引堤初設設計斷面進行試驗[3]，試驗水位按照設計低水位、設計高水位、極端高水位的順序進行，每組工況單獨作用時間為1 000 個波。

在設計低水位及其波浪要素作用下無越浪發生，但由于堤前水深較淺，波浪在堤前形成卷破，由于波浪的破碎，對外側100～200 kg 護底塊石形成明顯的沖刷，多塊塊石隨波浪作用出現向岸滾動。該工況結束后，部分100～200 kg 護底塊石堆積于6～8 t 棱體縫隙中，護底最大沖刷寬度約1.7 m。胸墻保持穩定，堤后各部位均處于穩定狀態。

在設計高水位波浪及其要素作用下，堤頂越浪明顯。越浪水體部分作用于堤后石渣臨時路面，部分大浪可直接作用于漿砌石擋浪墻及后坡600～ 800 kg 護面塊石坡面，堤后護面塊石少量被沖刷滾落。該工況結束后，形成一個寬度4.45 m，深度約1.12 m 的沖刷溝。大浪下堤頂一塊護面塊石隨長波作用被沖刷至堤后，落于路面位置。部分碎石被沖刷至漿砌石擋浪墻頂部或堆積于堤后。外側混凝土胸墻保持穩定，外坡護面未發生明顯變形。

在極端高水位及其波浪要素作用下，越浪強度較上一水位繼續增強，越浪水體大浪可直接作用于漿砌石擋浪墻及后坡600～800 kg 護面塊石肩角位置，肩角位置部分塊石被沖刷滾落。在波浪的作用下，沖刷溝寬度繼續擴大，該工況結束后，沖刷溝寬度約6.85 m，沖刷的部分碎石將漿砌塊石掩埋。堤頂累積兩塊6～8 t 護面塊石隨長波作用被沖刷至堤后，落于路面位置。當作用500 個波時堤后路面位置堤心石已經露出，因此判定該斷面整體失穩。不同設計水位及波浪要素作用下的試驗結果如圖3～圖7 所示。

圖3 設計低水位作用下護底塊石沖刷狀態

圖4 設計高水位大浪作用于堤后狀態

圖5 設計高水位作用下堤后碎石路面沖刷狀態

圖6 極端高水位大浪作用于堤后狀態

圖7 極端高水位作用下堤后碎石路面沖刷狀態

3 優化方案一

3.1 斷面結構

針對初始斷面模型試驗發現的主要問題進行調整，優化方案一主要調整如下：

1）增加肩臺寬度，斷面外側6～8 t 塊石護面肩臺寬度增加至10m；

2）增加胸墻高度，將外側現澆混凝土胸墻頂高調整為10.5 m；

3）護面2.0 m 高程處設置寬度5 m，坡度1:1.5，重量6～8 t 的堆石壓腳；

4）增大外側護底塊石重量，外側護底塊石重量調整為200～300 kg。

優化斷面一的結構型式如圖8 所示。

圖8 引堤優化斷面一

3.2 實驗結論及分析

在不同水位及波要素組合作用下，引堤優化斷面一未出現失穩或變形。極端高水位大浪作用下越浪明顯，最大越浪水舌伴有明顯摻氣，越浪水體多為不連片水花，最遠潑落點可至堤后護面斜坡與靜水位交界位置，但大多數越浪水體均落于堤后5 m范圍內。極端高水位下的波浪越浪狀態如圖9 所示。外側護面層各部位保持穩定，護底塊石整體形狀均未發生明顯改變，混凝土胸墻及漿砌塊石胸墻均保持穩定，堤后各部位也保持穩定，僅靠近胸墻根部位置的石渣路面略有沖刷，沖刷厚度約一層，沖刷寬度約3 m，堤后沖刷狀態如圖10 所示。

極端高水位及波要素組合下，優化斷面一的實測單寬平均越浪量Q=0.002 m3/(m·s)。

圖9 極端高水位波浪越浪狀態

圖10 堤后碎石路面沖刷狀態

4 優化方案二

4.1 斷面結構

考慮到優化方案一的擋浪墻斷面增大導致混凝土用量增加，而該地區的混凝土與石料的造價比又相差較大，盡管優化斷面一滿足安全穩定要求，但在工程經濟性角度仍需優化。

為降低施工成本，提高工程經濟性，優化方案二主要調整如下：

1）抬高外側6～8 t 護面塊石肩臺的頂高程至10.5 m；

2）降低外側現澆混凝土胸墻頂高程至9 m；

3）將寬度為5 m、坡度1:1.5，重量6～8 t 的堆石壓腳頂高程降低至護面-1.2 m 高程處。 優化斷面二結構型式如圖11 所示。

圖11 引堤優化斷面二

4.2 實驗結論及分析

在不同水位及波要素組合作用下，引堤優化斷面二未出現失穩或變形，外側護面層各部位保持穩定，護底塊石整體形狀未發生明顯改變，混凝土胸墻及漿砌塊石胸墻均保持穩定，堤后各部位也保持穩定，堤后石渣路面略有沖刷，沖刷厚度約一層。極端高水位下的波浪越浪狀態如圖12 所示。

極端高水位及波要素組合下，優化斷面二的實測單寬平均越浪量Q=0.0038 m3/(m·s)。

圖12 極端高水位波浪越浪狀態

5 優化方案對比

極端高水位工況下，波浪采用50 年一遇波要素（波高H13%=3 m，周期T=13.5 s）時，大多數越浪水體的落點位置均位于胸墻后沿5 m 范圍內，不同斷面的試驗結果對比見表2。

優化方案一、二均能滿足安全穩定的使用要求。方案二擋浪墻斷面較小，每延米混凝土用量為6.1 m3，方案一每延米混凝土用量為13.5 m3，混凝土用量比為1:2.2；方案二塊石量用量較大，每延米塊石用量為548.0 m3，方案一每延米塊石用量為527.6 m3，塊石用量比為1:1.04。

綜合考慮施工條件、材料成本，優化方案二整體造價更低。

表2 斷面試驗結果對比

6 結 語

1）長周期波浪能量大，爬高水體在堤岸前易發生急劇破碎，對結構沖擊力較大。進行物理模型試驗驗證時，滿足越浪要求的堤頂高程比按照規范計算的堤頂高程大。如果按照規范計算結果設計斷面，容易出現斷面失穩。

2）為節約工程造價，工程路面采用石渣臨時路面，在使用過程中有損壞或被掏刷的風險，需在使用中及時監測和修復。

3）在混凝土造價高，石料造價低時，為降低施工成本，可采用抬高護面塊體肩臺頂高程，降低混凝土擋浪墻的頂高程的斷面設計。