港口透水與非透水構(gòu)筑物結(jié)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究

常 江

（山東港口集團(tuán)日照港，山東日照 276808）

引言

2018 年7 月24 日，國(guó)務(wù)院頒布了“關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知”國(guó)發(fā)〔2018〕24 號(hào)文件，文件明確要求：嚴(yán)控新增項(xiàng)目，完善圍填?？偭抗芸兀∠麌詈５胤侥甓扔?jì)劃指標(biāo)，除國(guó)家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目外，全面停止新增圍填海項(xiàng)目審批。根據(jù)該項(xiàng)文件的要求，我國(guó)沿海地區(qū)除國(guó)家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目外均無(wú)法取得圍填海的海域使用權(quán)。尤其是我國(guó)的北方地區(qū)由于基巖埋深比較淺，一直使用的連片式重力式結(jié)構(gòu)將無(wú)法滿足目前國(guó)家政策和港口的發(fā)展需求，為此結(jié)合目前國(guó)家政策和北部沿海的地質(zhì)情況，采用了沉箱墩式結(jié)構(gòu)。為便于港口企業(yè)與現(xiàn)有碼頭生產(chǎn)統(tǒng)籌，充分利用碼頭岸線，碼頭高程不能抬升，沉箱墩式上部梁板結(jié)構(gòu)將受到波浪力的影響。由于該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)碼頭上部梁板、沉箱、引橋等結(jié)構(gòu)波浪水平力、浮托力、泊位前波高、碼頭、引橋面上水等均無(wú)實(shí)際可用的數(shù)據(jù)進(jìn)行參照，因此為實(shí)現(xiàn)碼頭的穩(wěn)定，我們結(jié)合某海區(qū)的海洋水文對(duì)擬建設(shè)的碼頭參數(shù)進(jìn)行了整體模型試驗(yàn)。

1 整體模型試驗(yàn)要求

根據(jù)建設(shè)單位要求，整體模型試驗(yàn)維持了新結(jié)構(gòu)與舊結(jié)構(gòu)保持同一設(shè)計(jì)頂高程的設(shè)計(jì)參數(shù)。為保持碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及碼頭與后方堆場(chǎng)的銜接，試驗(yàn)采用了前后雙排沉箱結(jié)構(gòu)，前排為A 型、后排為B型。同時(shí)，由于透水構(gòu)筑物與非透水構(gòu)筑物的碼頭上部梁板、沉箱、引橋等結(jié)構(gòu)波浪水平力、浮托力[1]，泊位前波高、碼頭、引橋面上水存在較大的偏差，過(guò)去已經(jīng)成熟的非透水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足透水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)要求，為此我們將該項(xiàng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括指定水位下沉箱墩承受的總波浪水平力，總波浪水平力矩，基底浮托力，指定點(diǎn)的分布點(diǎn)壓力以及群墩產(chǎn)生的影響。

2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在波浪試驗(yàn)廳波浪港池進(jìn)行。港池長(zhǎng)50 m、寬24 m、高1.2m，港池配有相鄰兩邊布置的L 型不規(guī)則波造波機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。波高測(cè)量采用電容式波高儀，采用DS300 多功能自動(dòng)采集系統(tǒng)采集，最終由計(jì)算機(jī)形成數(shù)據(jù)文件?？偭Σ捎每偭Γɡ瓑毫Γ﹤鞲衅鳒y(cè)量，波壓力采用壓強(qiáng)傳感器測(cè)量，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果采用計(jì)算機(jī)程序分析處理。

模型設(shè)計(jì)遵照《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001)的規(guī)定，采用正態(tài)模型，按重力相似模型設(shè)計(jì)。根據(jù)場(chǎng)地條件和工程的平面尺寸，模型比尺取為1：45[3]。主要物理量的比尺為：幾何比尺：λh=λl=45，時(shí)間比尺：λt=λl 1/2，重量比尺：λw=λl 3，波浪力比尺：λF=λl3，壓強(qiáng)比尺：λp=λl，波浪按重力相似準(zhǔn)則模擬，不規(guī)則波的波譜采用Jonswap 譜，試驗(yàn)采用1:45 的正態(tài)模型對(duì)透水構(gòu)筑物進(jìn)行了觀測(cè)，測(cè)定了不同工況下碼頭上部梁板、沉箱、引橋等結(jié)構(gòu)波浪水平力、浮托力，泊位前波高、碼頭面上水等。在模型建筑物建造前，在碼頭前位置布置波高儀進(jìn)行入射波浪要素率定。將按模型比尺換算后的特征波要素輸入計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生造波訊號(hào)，控制造波機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的不規(guī)則波序列。對(duì)于各組波浪，首先將某一初始波高和周期輸入造波系統(tǒng)，采集相應(yīng)的波高和周期，將實(shí)測(cè)波高和周期與目標(biāo)值比較，根據(jù)實(shí)測(cè)波高和周期結(jié)果調(diào)整輸入造波系統(tǒng)的波高和周期，采集調(diào)整后的波高和周期，再次將實(shí)測(cè)波高和周期與目標(biāo)值比較，循環(huán)此步，直至實(shí)測(cè)波高和周期與目標(biāo)值的誤差滿足要求。模型試驗(yàn)中波高和周期與目標(biāo)值的誤差控制在±5 %以內(nèi)，使之在模型放置處滿足所要求的波要素。每組試驗(yàn)不規(guī)則波波數(shù)大于120 個(gè)，每組試驗(yàn)重復(fù)三次。

3 總力測(cè)量

根據(jù)相關(guān)要求，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)A 型沉箱墩、B 型沉箱墩、沉箱墩上部疊合板結(jié)構(gòu)、引橋上部結(jié)構(gòu)等測(cè)量波浪水平力及浮托力?？偭鞲衅饔描F架和金屬螺桿固定住，測(cè)量各結(jié)構(gòu)波浪力。總力采用總力（拉壓力）傳感器測(cè)量，總力傳感器采樣頻率為125 Hz，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果采用計(jì)算機(jī)程序分析處理。為保證試驗(yàn)成果質(zhì)量，對(duì)每組試驗(yàn)至少重復(fù)3 次[3]。其他各結(jié)構(gòu)波浪力測(cè)量按設(shè)計(jì)要求布置傳感器。

4 壓強(qiáng)測(cè)量

對(duì)沉箱墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行波壓力分布測(cè)量，每個(gè)墩上布置4 列垂線，每列5 個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，并在沉箱底部布置壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)；對(duì)于引橋結(jié)構(gòu)（原方案），在引橋底面和側(cè)面布置壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)測(cè)量波壓力，并且在引橋兩側(cè)三角形平臺(tái)下部布置波壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量面板上托力；對(duì)于碼頭上部結(jié)構(gòu)在軌道梁、橫梁和碼頭面板結(jié)構(gòu)布置壓力測(cè)點(diǎn)分別測(cè)量水平和上托壓強(qiáng)。波壓力采用壓力傳感器測(cè)量，采樣頻率為125 Hz，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集量測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果采用計(jì)算機(jī)程序分析處理。為保證試驗(yàn)成果質(zhì)量，對(duì)每組試驗(yàn)至少重復(fù)3 次[3]。

表1 50 年一遇波浪作用下A 型沉箱波浪力

表2 50 年一遇波浪作用下B 型沉箱波浪力

表3 50 年一遇波浪作用下引橋波浪力

5 實(shí)驗(yàn)分析

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：

1）由于不規(guī)則波列中最大波高大于H1%值，因此，不規(guī)則波作用下的各結(jié)構(gòu)最大波浪力通常大于規(guī)則波作用下的值。

2）對(duì)于各結(jié)構(gòu)，ESE 向浪與碼頭前沿線交角較大，對(duì)結(jié)構(gòu)作用力也大。

3）對(duì)于A 型沉箱，由于其位于前排，波浪力較大。設(shè)計(jì)高水位5.34 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，水平波浪力最大，為6 658 kN；極端高水位6.48 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，浮托力最大，為8 293 kN。

4）對(duì)于B 型沉箱，由于其位于后排，受前排沉箱掩護(hù)，并且長(zhǎng)度較短，波浪力較小。設(shè)計(jì)高水位5.34 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，水平波浪力最大，為5 615kN；極端高水位6.48 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，浮托力最大，為7 716 kN。

5）對(duì)于引橋結(jié)構(gòu)，受前方碼頭掩護(hù)，波浪力較小。極端高水位6.48 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，最大水平力和上托力分別為721 kN 和3 127 kN。

6）對(duì)于碼頭面板，面板1 和面板2 尺寸相同，面板4 面積最大，面板3 面積最小。極端高水位6.48 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，面板1～面板4 最大上托力分別為395 kN、413 kN、380 kN 和546 kN；設(shè)計(jì)高水位5.34 m 及相應(yīng)的ESE向50 年一遇不規(guī)則波作用下，面板1～面板4 最大上托力分別為421 kN、417 kN、354 kN 和554 kN。其中面板4 上托力最大，但單位面積上托力最大的是面板3。

7）對(duì)于引橋邊板，受前方碼頭掩護(hù)，波浪力較小。極端高水位6.48 m 及相應(yīng)的ESE 向50 年一遇不規(guī)則波作用下，最大上托力為340 kN。

8）由于碼頭端部沉箱直接面對(duì)波浪作用，側(cè)向水平力有所增大，特別是SE 向波浪作用下的后側(cè)的B 型沉箱，A 型、B 型沉箱最大縱向水平力分別為5 126 kN 和3 927 kN。

9）由于碼頭端部沉箱上部面板面積較中間沉箱小，總浮托力有所減小，A 型、B 型沉箱最大浮托力分別為6 645 kN 和6 379 kN。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，經(jīng)過(guò)物理模型試驗(yàn)認(rèn)為在潮差較大的海區(qū)，透水結(jié)構(gòu)與非透水結(jié)構(gòu)保持一個(gè)設(shè)計(jì)頂高程時(shí)，往往非透水構(gòu)筑物的胸墻更接近于高潮位的波浪中心線，此時(shí)為便于岸壁機(jī)械的移動(dòng)和生產(chǎn)，透水構(gòu)筑物依然要保持一個(gè)設(shè)計(jì)頂高程，為此面臨的波浪水平力、浮托力將更加復(fù)雜。該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得完全肯定了透水構(gòu)筑物可以與非透水構(gòu)筑物的全面對(duì)接，在當(dāng)前的用海政策下，實(shí)現(xiàn)港口建設(shè)的快速發(fā)展。