長周期波作用下防波堤結構優化及施工分析

徐 陽 ，聶家雯

1.中國港灣西部非洲區域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000

1 工程概況

漁港防波堤工程位于西非沿海，瀕臨幾內亞灣北側。新建防波堤為斜坡式拋石結構，典型防波堤護面規格隨著水深變化，包含1～3t、2～5t及3～6t等不同規格護面塊石。堤頂寬度3～4m，斜坡坡比1∶2。防波堤設計采用英標BS6349，設計堤頂較窄，給機械交叉施工帶來一定困難。

2 波浪水文

風浪有季節性，分旱季和雨季，11月中旬到次年4月中旬左右為旱季，其余為雨季。波向以S～SW為主，涌浪來自西南的大西洋，波高往往低于1m，但周期都較長，在10～16s。深水區涌浪波長為100～350m，平均波長為225m。防波堤典型斷面設計波浪要素如表1所示。

表1 典型斷面設計波浪要素

3 潮位及設計水位

潮位特征值分布如表2所示，設計水位取+1.92m（LAT基面）。

表2 潮位特征值分布單位：m

4 設計優化

4.1 初始斷面

考慮到工程合同中防波堤石料要求來自工程所在國當地石場的限制及工程造價，在石料來源可行的情況下，拋石斜堤結構作為防波堤設計首選，護面則采用相較于混凝土塊體更為經濟的規格石。同時，為盡可能多地利用石場爆破所產生的石料級配，以防止過度爆破和材料浪費，在已知采石曲線的基礎上對防波堤結構進行優化。防波堤的頂標高，要求在正常情況下，人員、車輛和港口設備能夠安全使用碼頭；在極端風暴條件下，碼頭和防波堤禁止人員和車輛進入，但建筑物必須在設計年限50年下保存而沒有損壞。堤頂標高由允許越浪量結合波浪破碎和不破碎的極端條件下的最保守的有效波高HS和平均波能周期Tm-1,0組合共同決定。堤身寬度取3～5倍護面塊石的中值粒徑，墊層及護面層厚度取2倍規格的石中值粒徑。防波堤越浪量要求小于70L/s·m[1]。

針對不同水深，防波堤護面塊石規格不同，從1～3t，2～5t到3～6t由小到大變化。以3～6t規格石作為護面的典型斷面為例，初始設計斷面如圖1所示。3～6t塊石中值粒徑為1.2m，堤頂寬度取4m。為減少塊石重量和增加抗滑穩定性，坡度取1∶2，堤心石采用0～40kg。為避免沖刷，護面及堤心石之間采用兩層墊層石，規格分別為10～60kg及300～1000kg。

圖1 初始設計斷面

4.2 優化斷面

工程海域長期受長周期波作用，初始設計采用的0～40kg堤心料在推填后極易被涌浪沖刷帶走，無法高效穩定形成堤心斷面。為保護堤心，需盡快完成墊層石拋填。頻繁的工序銜接和轉換不利于石料有序供應，增加了施工組織和現場管理的難度。除了堤心和墊層，原設計斷面中還包含2層墊層，設計層數過多，施工難度大且驗收煩瑣，導致長周期波影響下小規格石料暴露時間加長，一定程度上增加了施工風險，造成施工效率低，使施工效益大打折扣。

初始設計雖然能有效利用石場爆破的石料，避免石料浪費，但工程所在國當地石場爆破能力不足，且石料挑選效率低及挑選意愿不強，不利于石料的高效持續供應。當地石場主要經營業務為生產級配碎石，未利用的石料可用于碎石生產。因此，對工程防波堤初始設計進行優化，具有重要的現實和經濟意義[2]。

斷面優化需滿足兩個前提條件：（1）滿足合同及技術規格書中關于防波堤的倒濾、穩定性等各項要求；（2）優化后的斷面輪廓線需與原設計斷面保持一致，護面塊石規格保持不變，即防波堤堤頂高程、堤頂寬度和坡度等不變，以保證防波堤的使用功能。

根據設計經驗，堤心石采用更易于生產和挑選的1～1000kg石料代替0～40kg石料，1～1000kg相較于0～40kg石料在長周期波作用下更穩定，可為施工工序的銜接帶來更多時間上的富余，同時1～1000kg堤心石均勻系數需不小于3。級配包絡線如圖2所示，Coarser bound對應粗顆粒邊界，Finer bound對應細顆粒邊界。采用300～500kg石料代替2層墊層石（10～60kg石料、300～1000kg石料），可減少施工工序，300～500kg石料相較于300～1000kg石料更易拋理。

圖2 1～1000kg堤心料級配包絡線

5 施工管理

長周期波在防波堤施工過程中對結構的穩定性造成諸多不利影響，尤其是堤頭位置，易受長周期波作用而失穩淘刷。因此，防波堤施工過程中匯總合理的施工組織及計劃尤為必要。

5.1 工序銜接

工程施工海域水深較淺，無法使用船舶進行海上拋填，防波堤施工通過長臂與短臂挖機配合作業進行。堤頂寬度不足以保證石料自卸車及挖機交叉通行作業，推填過程中，需在港池側推填錯車平臺，保障作業正常進行?？紤]到長周期波的不利影響，堤心石推填及海側墊層石拋填需在同一天完成，以保證堤心料不被波浪淘刷。在石料供應充足的情況下，每20m作為一個施工段，堤心推填理坡后即報驗驗收，將海側墊層石拋理完成，并拋填護面塊體，保證已施工防波堤部分海側及堤頭的穩定性[3]。

5.2 因時制宜

在該工程施工中常遇10～16s長周期波浪作用，不同于短周期的風浪，具有較大能量的長周期波對施工過程中的防波堤的破壞力大，給防波堤施工帶來較大困擾。對此可根據如全球潮汐等軟件或相關網站預報的波浪和潮汐數據，合理安排作業時間，及時調整當日施工段長度，保證當日完成防波堤防護工作，同時應盡量避免在大潮高潮時間段進行防波堤堤心及墊層理坡作業。

6 結束語

對于受長周期波影響的防波堤工程，尤其是石料開采能力有限的非洲區域的工程，在不影響防波堤使用功能和結構安全穩定的基礎上，進行適當的設計斷面優化，合理地組織施工，可有效提高施工效率，縮短工期，減少施工費用，提升經濟效益。文章結合工程實例，對長周期波作用下的防波堤結構優化及施工管理經驗進行了分析，對類似波況及區域的工程設計及施工具有一定的參考作用。