艾薩拉姆港防波堤平面結構驗證優化試驗研究

熊洪峰，許振東，欒英妮，胡杰龍，姜寧林

(1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；3.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430060)

近年來，隨著經濟的發展和人們安全意識的提高，越來越多的港口工程通過三維整體物理模型試驗驗證港口工程整體穩定性，防波堤和護岸作為港口工程的重要防護措施，其造價和重要程度都相對較高，姜云鵬和周枝榮等[1-2]通過總結規范條款和具體工程案例說明了三維穩定試驗對港口工程設計和安全的重要性。一般先通過對工程海域的波浪、潮流、泥沙及地質條件等進行分析，再結合項目要求和工程目的進行港口平面結構驗證和優化研究，楊會利、許欣[3-6]等通過物理模型試驗和理論分析等手段對影響防波堤穩定性的水動力因素以及防波堤穩定性對水動力條件的敏感性進行了深入研究；戈龍仔、劉海源和高峰[7-12]等結合國內外實際工程案例，通過三維物理模型試驗探討了改善防波堤工程穩定性的一系列工程措施。這些研究都為明確港口工程平面結構優化需要關注的條件和需要解決的關鍵問題提供了基礎。

本文通過分析影響孟加拉國艾薩拉姆港港口平面布置的主要自然因素，結合電廠營運需求，通過三維物理模型試驗對設計方案進行驗證，并提出優化方案以保證港口工程的安全，同時降低其工程造價，為艾薩拉姆港港口工程的設計和建設提供依據。

1 工程概況

孟加拉國艾薩拉姆港 2×660 MW燃煤火力發電廠是孟加拉國最大的單容量火電機組和最大容量燃煤電廠，位于孟加拉灣東北海岸和孟加拉國東海岸。項目區毗鄰Kutubdia島東北部和Kutubdia水道，海底地形地貌復雜，從海岸線到深海水域，依次為緩坡淺灘、潮道、沙脊和深海，受河流沖擊影響，工程區水動力和泥沙條件復雜。電站配套工程包括煤炭碼頭、臨時碼頭、進港航道、排水管道等，為抵御復雜的水流泥沙條件保證港口工程安全，在港口區域布置南北兩條防波堤。

2 優化設計關鍵問題

本次研究目的是通過三維整體物理模型試驗對設計方案進行驗證和優化，保證港口水域工作環境的安全性，主要對以下關鍵問題進行試驗：(1)防波堤和護岸的穩定性；(2)防波堤越浪量測量。

3 主要影響因素

3.1 試驗水位

在本次研究中，采用了五個試驗水位(CD基面)：設計高水位+4.91 m、設計低水位+0.43 m、極端高水位+9.51 m、中高水位+6.7 m和與防波堤高程齊平的水位+8.3 m。

3.2 波浪

根據水文調查和波浪數值研究報告[13-15]，選擇南防波堤和北防波堤堤頭的波浪要素作為物理模型試驗的波浪條件，如表1所示。波浪最不利方向為SW、W和WNW向，選擇重現期為100 a和50 a的波浪進行試驗，驗證防波堤穩定性及越浪量測量。

表1 試驗波浪條件

3.3 試驗比尺

根據試驗范圍和場地，選擇試驗比尺為70。

4 布置方案對比

4.1 設計方案

4.1.1 設計方案平面布置

該項目布置在一個垂直于海岸的封閉港池中，南防波堤長2 521 m，堤頭底高程-5.6 m，由長1 775 m的斜坡防波堤和長746 m的板樁防波堤組成，堤頭護面塊體為35 t的扭王字塊，向岸延伸段斜坡式結構的護面塊體分別為30 t和20 t，垂直接近岸線段采用板樁結構長度為746 m，其中帶斜撐和獨立的板樁防波堤長分別為420 m和326 m。防波堤頂部高程從堤頭的+8.3 m，經+8.1 m、+7.7 m過渡至板樁防波堤+7.0 m。

北防波堤總長2 190 m，由長1 211 m的斜坡防波堤和長979 m的板樁防波堤組成，北堤堤頭的底高程為-3.5 m，堤頭護面為35 t 扭王字塊，向岸延伸段斜坡堤護面塊體分別為30 t和20 t，垂直接近岸線段采用板樁結構長度為979 m，其中帶斜撐的和獨立板樁防波堤長度分別為270 m和709 m。防波堤頂高程由堤頭處+8.3 m，經+8.1 m、+7.7 m過渡至板樁防波堤處+6.0 m。

航道開挖至-6.4 m，有2個6 000 DWT煤碼頭和1個1 200 DWT灰船碼頭，總長199 m，采用高樁結構，頂標高+12.60 m，碼頭前沿開挖至-6.4 m，引橋全長約490 m，頂標高+(14.00～15.20)m。工程平面圖如圖1所示。南防波堤有6種斷面結構，其中斜坡式4種、板樁式2種；北防波堤有6種斷面結構，其中斜坡式4種、板樁式2種，每個截面的長度和主要參數如表2所示。

表2 防波堤分段參數

圖1 平面布置

4.1.2 設計方案試驗結果

在SW向、W向和WNW向波浪條件下，完成了對設計方案防波堤穩定性和越浪量等關鍵參數的測量。

(1)防波堤穩定性試驗。

①SW波向：在設計低水位，波浪重現期為100 a和50 a作用下，南堤堤頭K0+A段和北堤堤頭K1+A段，波浪在堤頭處破碎并形成強烈的破碎水流，護底塊石發生滾動并被破碎水流帶到堤頭兩側，失去護底功能，堤頭處壓腳塊石和35 t的扭王字塊隨之發生滾動，斷面失穩；南防波堤K0+B段，護底塊石被破波水流帶走，堤腳塊石和扭王字塊在原位發生晃動；南堤K0+C剖面中段為弧形段，在波浪作用下，護底塊石沿堤身滾動失去護底功能，壓腳塊石和扭王字塊發生大片的滾落，斷面失穩；防波堤其他位置結構可以保持穩定。

在設計高水位和極端高水位時，波浪重現期為100 a和50 a作用下，除已發生失穩的部位外，其他位置均可以保持穩定。

3-a 北堤堤頭K1+A段 3-b 南堤堤身K0+B段 3-c 南堤堤身K0+C段

②W和WNW波向：在所有工況條件下，南、北防波堤均保持穩定。

(2)防波堤越浪量。

在SW波向設計低水位，波浪重現期50 a一遇和100 a一遇條件下，南北防波堤均無越浪現象出現。設計高水位，波浪重現期50 a一遇和100 a一遇條件下，南防波堤的漫頂范圍為S+000～S+488。

在W和WNW波向設計低水位和設計高水位，波浪重現期為50 a和100 a情況下，南防波堤和北防波堤段均無越浪。

4.2 優化方案

4.2.1 堤頭優化

根據設計方案的試驗結果，在設計低水位和設計高水位50 a和100 a重現期的作用下，設計方案的南、北防波堤堤頭和南防波堤K0+B段不穩定。因此，對不穩定部分進行了局部加固，共提出了四種優化方案：

(1)優化方案1：在設計方案的基礎上，將堤頭處護底塊石的重量從400～800 kg增加到800～1 200 kg，護底塊石下鋪設土工布和土工格柵，在三維物理模型試驗中僅對土工布進行了模擬。

在設計低水位重現期50 a波浪作用下，護底塊石被波浪沖刷帶走后土工布露出并破壞，扭王字塊滾動到堤頭兩側，導致北堤堤頭的失穩。試驗前后北堤堤頭如圖4所示。

4-a 試驗前 4-b 試驗后

(2)優化方案2：在南、北防波堤堤頭處用35 t的扭王字塊替代設計方案中3～6 t的壓腳塊石，并將護底塊石的重量加大至800～1 200 kg，護底塊石的頂高程與海底持平。

在設計低水位和設計高水位、重現期為50 a和100 a的波浪作用下進行穩定性試驗，試驗結果表明，北堤堤頭堤腳處的3塊35 t的扭王字塊發生滾動，脫離堤身，但未造成北堤堤頭的破壞，判斷為臨界穩定。南堤堤頭處塊體保持穩定，南堤堤身K0+B段彎段部分堤腳處的塊體在波浪作用下發生晃動，但未滾動失穩，判斷為臨界穩定。北堤堤頭和南堤堤頭處試驗前后對比如圖5和圖6所示。

5-a 試驗前 5-b 試驗后

(3)優化方案3：在設計方案基礎上，增加壓腳塊石的重量，將3～6 t塊石加大為6～10 t塊石，同時將壓腳塊石的防護范圍從3 m擴大到5 m，護底塊石防護范圍從15 m擴大到20 m。試驗結果表明，在各個工況條件下，優化方案3防波堤斷面均保持穩定，增大的防護范圍有效地抵抗了波浪破碎后水流的沖刷作用。

(4)優化方案4：在設計方案的基礎上將壓腳塊石替換為2塊4 t的扭王字塊，護底塊石范圍由15 m加寬至20 m。進行設計高水位重現期50 a波浪作用下穩定性試驗，在波浪作用40 min后(原體值)，南堤堤頭處4 t的扭王字塊全部滾落，堤身35 t的扭王字塊失去底部支撐后也發生滾動。北堤堤頭處現象相似，如圖7和圖8所示。試驗結果表明，優化方案4穩定性較差。

7-a 試驗前 7-b 試驗后

4.2.2 堤身優化

根據設計方案的試驗結果，從經濟優化降低工程造價角度出發，對北防波堤K1+D段和南防波堤K0+D段的護面塊體重量進行了優化。優化方案如圖9所示。在北防波堤的N1、N2、N3和N4段，將設計中的20 t護面塊體優化為8 t 塊體；南防波堤在S1、S2、S3和S4段，將設計中的20 t護面塊體優化為8 t塊體。每段的起始位置和長度如表3所示。在設計低水位至極端高水位重現期50 a和100 a波浪作用后，南防波堤和北防波堤均保持穩定。

圖9 防波堤堤身優化方案

表3 優化截面起始位置和長度信息

4.2.3 護底優化

根據優化方案的試驗結果，在南防波堤K0+D段、北防波堤K1+D和K1+C段減小護底塊石的防護寬度，具體的優化參數如表4所示。試驗結果表明，優化后的護底塊石可以保持穩定。

表4 護底塊石優化參數

5 結論

通過三維整體穩定性物理模型試驗，在SW、W、WNW向入射波浪作用下，研究優化孟加拉國艾薩拉姆港的平面布置及結構穩定性，試驗中針對防波堤各部位的穩定性和越浪量等進行了測量，并對設計方案的防波堤結構進行了優化，得出以下結論：(1)設計方案防波堤堤頭穩定性較差，主要表現為在波浪破碎水流作用下，護底塊石失去護底功能后的破壞現象。針對不穩定部分的結構進行了加固，將堤頭設計方案的3～6 t壓腳塊石加大至6～10 t，并增加護底塊石的重量至800～1 200 kg，同時增大防護范圍，試驗驗證優化方案可以保持穩定；(2)從經濟角度出發，兼顧穩定性的同時降低工程造價，縮短了南防波堤和北防波堤K0+D和K1+C、K1+D段護底塊石的寬度，對防波堤護面塊體的重量進行了優化，將南北防波堤K0+D和K1+D段的20 t扭王字塊體優化為8 t，試驗證明優化方案穩定性良好。