略論透空式防波堤樁基設計

吳學昊 廣東省航運規劃設計院有限公司

1.樁基透空式防波堤的應用背景

防波堤是人工掩護的沿海港口工程中的重要組合部分，主要防御波浪對港口的侵襲，減小其對港內泊位的影響，從而保證船舶安全停泊和作業。

防波堤結構型式主要有斜坡式、直立式和其他結構型式，其中斜坡式、直立式均為實體結構，主要依托于自身的結構自重抵御外海波浪對其的沖擊影響，保證港區內水域平穩和基礎設施安全。近年來，隨著工程建設中的環保要求越來越嚴格，由于實體堤對海洋生態環境影響較大，此類防波堤在項目報批報建過程中較困難。相比實體堤，樁基透空式防波堤由于一般采用樁基礎，透水性較好，對生態環境的影響較小，港池內外水體可以進行交換，具有較好的環保效果，其應用前景越來越廣泛。

2.樁基透空式防波堤的消浪機理

樁基透空式防波堤上部一般為墩臺或框架結構，下部為樁基礎。波浪透過樁基透空式防波堤時波能將發生變化，形成三個部分，即堤前反射波波能、堤后透射波波能以及損耗的能量（此部分主要與波浪水質點的碰撞有關）。波浪從深水區向淺水區傳播時，在現場地形條件的作用下會形成淺水變形現象并出現折射，從而存在能量損失。入射波會向透空堤產生沖擊作用，此時生成多條路徑：一部分能量在結構間的相互作用下發生轉化，形成反射波波能；一部分透過堤身，形成堤身透射波；還有一部分波浪經由擋浪結構后轉至堤身后，波浪與樁基接觸產生摩擦作用，由此形成漩渦，期間伴有能量損失。

前后擋浪板的波浪力存在差異（兩者存在相位差），在波浪的轉移過程中，當其穿過擋浪板后則有較為明顯的能量損失。根據此特點，部分工程中采用到多層擋板式透空堤，此類結構充分利用到波浪與擋板的相位差，依托于多層擋板的共同作用起到聯合擋浪的效果。在結構布置中，構件前后交錯遮掩，此結構布置方式下水質點的運動方向出現變化，存在較強烈的碰撞作用，同時也將形成渦流，經過多個層級后有效消耗波能。

3.實際工程應用

3.1 工程概況

為滿足第三屆亞青會帆板比賽船舶的停泊要求，在港池外側布置了南、北兩座防波堤，防波堤呈環抱式。設計過程中對防波堤的結構型式選取做了以下比較：斜坡式防波堤占用水域面積較大，直立式防波堤對下方地基的要求較高（工程區域地質存在軟弱土層），且兩者均需進行填海（相關海洋功能區劃要求工程項目范圍不能進行圍填海），經綜合考慮，防波堤結構型式采用占用水域面積較小、對地質適應性較好的樁基透空式防波堤。

3.2 設計水位

高程系統采用當地理論最低潮面。極端高水位4.13m，設計高水位2.54m，設計低水位0.48m，極端低水位-0.65m。

3.3 設計波浪

根據該項目波浪數學模型試驗研究報告，選取重現期50年S向浪極端高水位和設計高水位下防波堤設計波要素作為計算依據，代表點位于南防波堤堤頭位置，該位置極端高水位下H1%波高為5.83m，設計高水位下H1%波高為5.58m，波周期Ts均為11.93s。

3.4 設計方案

防波堤結構采用相比單排擋浪板消浪效果更好的雙排擋浪板結構形式，其中南防波堤斷面寬度為10m，樁基礎采用φ800mm鋼管樁，斜樁斜率采用3∶1或7∶1，排架間距2.25m，樁基上部現澆墩臺；防波堤前后設置預制鋼筋混凝土擋浪板，擋浪板底標高-1.70m；防波堤堤面高程為5.90m，堤面以上設鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻頂高程為7.10m。防波堤下方拋放500～1000kg塊石棱體和二片石墊層，塊石棱體頂面高程為-2.50m。

3.5 受力分析

3.5.1 波浪力計算

本文通過理論計算得到波浪力的具體數值，并與斷面物理模型試驗結果進行對比分析。根據波浪數學模型試驗結果提供的波浪要素，按照《港口與航道水文規范》(JTS 145-2015)10.1、10.3、10.5章節相關公式進行計算，分別得出作用在墩臺和擋浪板的波壓力、作用在樁基的波浪力以及作用在墩臺底部的浮托力。通過物理模型試驗確定了作用在防波堤墩臺和擋浪板上的波浪力、作用在墩臺底部的豎向力以及作用在樁上的波浪力。理論計算結果與物理模型試驗結果對比如表1所示。

表1 理論計算結果與斷面物模試驗結果對比

通過對比可看出，理論計算得出的波浪力比斷面物模得出的波浪力較小，這是由于理論計算主要基于波浪數學模型試驗提供的波浪要素，對比物理模型試驗在局部的一些邊界處理上不夠完善（如堤根位置的波能集中現象及越浪和雍水現象的模擬），造成數模中的部分防波堤設計波浪要素比物模的小，進而影響理論計算結果。此外，由于現行規范對作用在樁基透空式防波堤結構的波浪力只能參考波浪對直墻式建筑物的作用，對于透空式防波堤計算理論尚不成熟，現行規范要求透空式防波堤各部位的波浪力應通過模型試驗確定。因此，在透空式防波堤的設計過程中應同步進行波浪模型試驗，以確定波浪要素和驗證結構的穩定性。

3.5.2 計算模型

建模計算采用有限元軟件Midas Civil進行，上部墩臺采用實體單元模型，樁采用桿件模型，樁長按受彎嵌固點距泥面深度確定，按斷面物理模型試驗結果的結果添加波浪荷載(波浪荷載按物理模型試驗結果進行輸入，其中樁基波浪力按規范計算結果輸入）。

3.5.3 計算結果

經分析后，明確在波壓力、浮托力和樁基波浪力作用下防波堤的具體表現，即位移、上拔力、壓樁力、彎矩、樁身應力。計算結果如表2所示。

表2 計算結果

項目設計過程中不斷調整樁間距、樁布置、樁斜度，使樁受到的上拔力、壓樁力滿足承載力要求，應力滿足材料的容許應力要求，該項目主要是樁身應力控制，在計算過程中應保證除預留腐蝕厚度外鋼管樁壁厚滿足受力要求。此外，在布置樁位時應設置不同的扭角使樁基有不同的朝向以抵抗不同方向的來浪，并考慮樁間距和扭角是否滿足打樁船打樁作業的要求，確保打樁的可行性。

4.結語

樁基透空式防波堤具有透水性好、對海洋生態環境影響較小、對地質適應性較好的優點，具有廣闊的應用推廣前景。本文對樁基透空式防波堤受到的波浪荷載進行計算，并與物模試驗結果對比分析，由于樁基式透空式防波堤的計算理論尚不成熟，設計過程中應結合模型試驗輔以驗證。