一種新防波堤結(jié)構(gòu)型式的探索

于曉巖，蔣國棟

（中交四航局港灣工程設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510000）

引言

常規(guī)的防波堤筑堤材料多采用塊石和混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式多為斜坡式、直立式或半直立、半斜坡式和浮箱（浮筒）式。實體斜坡式和重力式防波堤結(jié)構(gòu)安全可靠、耐久性好，在工程中廣泛應(yīng)用，但斜坡式結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、石料耗用多、費用高，重力式結(jié)構(gòu)對地基承載力要求較高、適用性較差[1]。浮式防波堤可適應(yīng)水深較大、地基軟弱、大潮差和引入水交換改善港內(nèi)水質(zhì)等情況，但掩護效果不如坐底式防波堤、波浪周期較長時消浪效果較差[2]。

近年隨著工程項目的多樣性和復(fù)雜性，鋼材因其強度高、防水能力強等優(yōu)點逐漸被廣泛應(yīng)用于防波堤建設(shè)中，目前出現(xiàn)的鋼結(jié)構(gòu)防波堤型式有單（雙）排鋼板樁結(jié)構(gòu)[3]、格型鋼板樁結(jié)構(gòu)、箱式結(jié)構(gòu)等，此類結(jié)構(gòu)上部大多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)梁增加結(jié)構(gòu)整體剛度，本文依托實際工程設(shè)計，提出一種全部鋼構(gòu)件組成的防波堤結(jié)構(gòu)型式。

1 工程概況

新建漁港碼頭與防波堤工程位于海南省，工程所在海岸線大致為南北走向，所在海域為淺水區(qū)。為滿足漁船的防臺避風(fēng)要求，通過防波堤和口門的合理布置減少常浪向和強浪向?qū)O港的影響。在充分考慮本工程水文特性、地理位置條件前提下，結(jié)合波浪條件數(shù)值模擬結(jié)果，本漁港布置北、西、南防波堤，同時結(jié)合進港航道走向，保障進出港漁船的操船便利性，將口門布置在西南向。建設(shè)總規(guī)模為卸港量12 萬t/a，采用雙環(huán)抱式形成約49.8 m2萬 的港池水域和1 434 m 碼頭岸線，防波堤總長約2 331 m。項目分期建設(shè)，近期卸港量8 萬t/a，形成約44.5 m2萬 的港池水域和788 m 碼頭岸線，通過北、西和南防波堤環(huán)抱形成近期防波堤長約1 616 m，其中南防波堤長約360 m，按臨時結(jié)構(gòu)考慮，遠期建設(shè)時需要拆除，總體布置示意如圖1。

圖1 總體布置示意

本工程水工建筑物包括碼頭、防波堤和護岸，碼頭泊位數(shù)量多、岸線長，水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)充分考慮碼頭與防波堤、護岸的銜接，并考慮施工便利性；近遠期分界處臨時南防波堤結(jié)構(gòu)型式的選擇對工程造價及遠期拆除或改建起重要作用。本文依托臨時南防波堤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出一種新型的結(jié)構(gòu)方案。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)地層巖性特征從上而下劃分為六個工程地質(zhì)層：

粉砂：黃褐色、灰黑色，松散～稍密狀，飽和，含貝殼碎屑。層厚0.70～10.80 m，平均值3.62 m。

淤泥質(zhì)粘土：軟塑～流塑，含貝殼碎屑，具微臭味。層厚1.70～8.10 m，平均值4.46 m。

粉質(zhì)粘土：黃褐色，可塑狀，干強度中等，韌性中等。主要為粘粒、粉粒，次為中細砂。層厚3.00～13.00 m，平均值7.11 m。

砂質(zhì)粘性土：黃褐色，可塑～硬塑，干強度中等，韌性中等。層厚1.70～21.90 m，平均值8.50 m。

強風(fēng)化花崗巖(γ)：黃褐色，巖石風(fēng)化強烈，巖體破碎，母巖礦物成分為石英、長石、云母等，巖芯呈碎塊、碎塊混土狀。層厚1.40～8.10 m，平均值3.26 m。

中風(fēng)化花崗巖(γ)：灰色，主要造巖礦物為石英、長石及暗色礦物，巖芯為短柱～長柱狀，RQD=75～87。揭露層厚3.00～3.50 m，未揭穿。

擬建場地內(nèi)及附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)泥石流、崩塌、滑坡、地面沉降等不良地質(zhì)作用[4]。

3 新防波堤結(jié)構(gòu)型式的探索

本工程防波堤所處區(qū)域水深較淺，下臥地層為粉砂、砂質(zhì)粘性土及花崗巖層，地基較好，防波堤采用斜坡式及直立式結(jié)構(gòu)均可。

西、北防波堤為永久性結(jié)構(gòu)，因北防波堤內(nèi)側(cè)作為排污待泊碼頭泊位使用，而斜坡式結(jié)構(gòu)不方便靠船，所以采用重力式直立結(jié)構(gòu)；南臨時防波堤所處區(qū)域未來要擴建成碼頭泊位，考慮鋼板樁直立堤具有便于拆除、施工工期短等優(yōu)勢。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)防波堤方案

南防波堤為臨時性結(jié)構(gòu)，安全等級為III 級，設(shè)計年限10 年。

南防波堤頂高程為5.5 m，因所處區(qū)域未來改擴建成碼頭泊位，考慮鋼結(jié)構(gòu)具有便于拆除和回收利用、施工工期短等優(yōu)勢，采用鋼板+鋼管組合式防波堤結(jié)構(gòu)。利用ANSYS 有限元軟件對工程進行三維實體建模，經(jīng)計算迎浪側(cè)鋼板樁采用U26 型（壁厚12.5 mm），后排支撐樁采用φ1 000 mm 鋼管樁（壁厚13 mm），斜率1:4，樁端持力層為強風(fēng)化花崗巖。鋼板樁與鋼管樁之間焊接φ250 mm 鋼管（壁厚8 mm）、后排鋼管樁之間焊接φ400 mm鋼管（壁厚10 mm）增強整體剛度。鋼構(gòu)件表面進行涂層防腐處理。防波堤平、立、斷面如圖2 所示。

圖2 南防波堤結(jié)構(gòu)示意

重力式碼頭結(jié)構(gòu)與南防波堤鋼板樁結(jié)構(gòu)方案的過渡，因碼頭基槽開挖深度及平面開挖范圍的影響，會引起相接處南防波堤鋼板樁與鋼管樁入土深度較淺，設(shè)計與施工過程中均應(yīng)采取合理且經(jīng)濟的穩(wěn)樁措施[5-7]，基槽開挖影響范圍內(nèi)可局部采用灌注樁或鋼管樁嵌巖結(jié)構(gòu)來維持樁基的穩(wěn)定。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

1）設(shè)計波要素

結(jié)合工程整體分近、遠期建設(shè)要求，北、西防波堤按遠期永久結(jié)構(gòu)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計波要素按50年一遇考慮，近期南防波堤為臨時結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計波要素按10 年一遇考慮，且遠期建設(shè)時需要拆除。臨時防波堤設(shè)計波要素如表1 所示。

表1 臨時南防波堤設(shè)計波要素（10 年一遇）

2）結(jié)構(gòu)計算

鋼管-鋼板組合樁、后排支撐樁、連接鋼管均為鋼結(jié)構(gòu)，本文基于彈性地基梁法采用三維有限元法進行結(jié)構(gòu)計算，對防波堤結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，鋼板樁、后排支撐樁、連接鋼管采用beam188 模擬，連接鋼管與支撐樁設(shè)為固結(jié)，土體對鋼板樁、后排支撐樁的約束采用combin39 單元模擬。combin39 單元適用于P-Y 曲線法，能更好地結(jié)合實際位移對樁基進行約束。根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）[8]判別波態(tài)為立波，根據(jù)波壓力分布強度，采用ANSYS 有限元軟件進行三維建模計算，各構(gòu)件內(nèi)力如表2 所示。

表2 承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力計算

圖3 各構(gòu)件彎矩（kN·m）

由以上計算結(jié)果可以看出，采用全部鋼構(gòu)件的防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 方案對比

4.1 與同樣樁基鋼筋混凝土胸墻結(jié)構(gòu)對比

本文鋼結(jié)構(gòu)防波堤采用槽鋼和鋼管作為連接結(jié)構(gòu)，以往防波堤結(jié)構(gòu)中上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文采用ANSYS 三維建模計算，樁基彎矩見圖4 所示。

圖4 樁基彎矩（kN·m）

兩種結(jié)構(gòu)彎矩對比值如表3 所示。

表3 兩種結(jié)構(gòu)方案彎矩對比

由內(nèi)力計算結(jié)果對比可知，上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)相對于混凝土結(jié)構(gòu)來說，樁基內(nèi)力值偏小，可見新型鋼結(jié)構(gòu)防波堤具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

4.2 與常規(guī)的斜坡式防波堤結(jié)構(gòu)對比

本文采用堤心充填砂袋加護面塊體結(jié)構(gòu)進行對比，鋼結(jié)構(gòu)防波堤較拋石斜坡式防波堤節(jié)約工程造價約1 400 萬元，歸納兩方案相對的優(yōu)缺點如下：

1）新型鋼結(jié)構(gòu)防波堤，優(yōu)點是：①砂、石料用量少、便于拆除或改建，適用于近遠期臨界面采用；②海域占用面積小；③鋼結(jié)構(gòu)抗彎性能較好；④節(jié)省工程費用；⑤施工方便、施工速度快。缺點是：耐久性相差，鋼結(jié)構(gòu)需采用防腐措施。

2）常規(guī)斜坡式防波堤，優(yōu)點是：防波堤常規(guī)結(jié)構(gòu)耐久性好，多為永久性結(jié)構(gòu)。缺點是：①砂、石料用量大；不便于拆除和改建；②海域占用面積大；③工程費用相對較高；④施工工序較多。

5 結(jié)語

1）水深較淺，下臥地層地基較好，采用常規(guī)斜坡式或直立式防波堤投資相對較高，新型鋼結(jié)構(gòu)防波堤與常規(guī)防波堤相比，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，本文為防波堤結(jié)構(gòu)型式的研究提供了新思路。

2）重力式碼頭結(jié)構(gòu)與防波堤鋼結(jié)構(gòu)方案的銜接處，因碼頭基槽開挖深度及平面開挖范圍的影響，會引起相接處防波堤鋼板樁與鋼管樁入土深度較淺，設(shè)計與施工過程中均應(yīng)采取合理且經(jīng)濟的穩(wěn)樁措施。