攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化研究

熊京川，孫運(yùn)佳

（1.中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518100；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

引言

港口工程中防波堤主要承擔(dān)防浪、防冰以及減淤等功能，在濱海電廠工程中，通常需修建防波堤以保障冷源取用水安全。近年來隨著海洋污染物堵塞取水口等事件頻發(fā)，多數(shù)濱海電廠均在冷源取水明渠設(shè)置若干道攔污網(wǎng)，通常需要在原有防波堤上增設(shè)錨定基礎(chǔ)來對攔污網(wǎng)進(jìn)行錨定。由于目前部分工程在防波堤初始設(shè)計(jì)及施工階段，并未考慮攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)，在后期開展攔污網(wǎng)相關(guān)課題研究中，發(fā)現(xiàn)在堤頭增加錨定基礎(chǔ)后影響波浪在堤頭附近傳播，極端工況下會導(dǎo)致堤頭防波堤塊體的失穩(wěn)，從而影響電廠的冷源取用水安全及相關(guān)結(jié)構(gòu)安全。

由于防波堤堤頭處攔污網(wǎng)受力較大，為保證攔污網(wǎng)截污能力，重力式錨定基礎(chǔ)體積通常較大，且高于防波堤堤頂高程，波浪傳播至堤頭后受錨定基礎(chǔ)影響，改變了波能傳播方向，并持續(xù)作用于堤頭某一特定區(qū)域，在極端波況下導(dǎo)致堤頭塊體的失穩(wěn)。張華昌[1]等開展斜向波對防波堤堤頭作用試驗(yàn)，研究不同波向形成的沖擊波流對塊體的穩(wěn)定影響；張兵[2]等對寬肩臺斜坡堤堤頭護(hù)面和護(hù)底的穩(wěn)定性開展研究。目前針對有附屬建構(gòu)筑物情況下堤頭塊體穩(wěn)定相關(guān)研究尚少，因此開展攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)對防波堤堤頭塊體的穩(wěn)定性研究具有重要意義。

1 波浪局部整體物理模型試驗(yàn)

目前對于防波堤塊體的設(shè)計(jì)有相關(guān)規(guī)范規(guī)定[5]，而對于增加攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)等附屬結(jié)構(gòu)后的塊體設(shè)計(jì)則無規(guī)范可循，通過波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究為一種可靠的方法。本文以某工程為例，通過開展局部整體波浪物理模型試驗(yàn)，研究增加錨定基礎(chǔ)后防波堤堤頭塊體穩(wěn)定性。示例工程防波堤為斜坡堤，堤頂標(biāo)高5.0 m，堤身為4 t 扭王字塊，堤身內(nèi)外側(cè)邊坡坡度均為1:2，堤頭防波堤走向?yàn)镾E～NW，工程海域強(qiáng)浪向及常浪向均為SE 向，平面布置見圖1，堤頭斷面結(jié)構(gòu)形式見圖2。錨定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工況為100 年一遇高水位（3.18 m）+SE 向100 年一遇波浪（H13%=3.0 m，=11.0 s），校核工況為DBF水位（6.37 m）+可能最大臺風(fēng)浪（H13%=4.0 m，=10.7 s）。模型試驗(yàn)比尺1:60。

圖1 工程A 平面布置圖

圖2 工程A 堤頭防波堤斷面圖（含攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)）

2.1 無錨定基礎(chǔ)防波堤堤頭塊體穩(wěn)定試驗(yàn)

為說明攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)對防波堤塊體的影響，首先對原堤進(jìn)行試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)工況下，水位相對較低，大部分波浪行進(jìn)至堤頭時(shí)并未破碎，部分大波在堤頂破碎后產(chǎn)生的沖擊能很快消散于堤頂塊體，由于大部分波能沿堤頂向堤身及堤后傳播，對堤頭塊體的沖擊較小，因此塊體穩(wěn)定，現(xiàn)象見圖3（a）；在校核工況下，由于水深較深，大部分波浪經(jīng)堤頭后發(fā)生破碎，波能大部分越堤后，向堤外傳播，部分破碎后的沖擊流對塊體雖有較大沖擊，但由于塊體間相互勾連而未發(fā)生失穩(wěn)，見圖3（b）

圖3 原堤防波堤塊體穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.2 有錨定基礎(chǔ)防波堤堤頭塊體穩(wěn)定性試驗(yàn)

工程初始設(shè)計(jì)攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)為重力式方塊墩臺，結(jié)構(gòu)尺寸為3.5 m×4.55 m×15 m，頂標(biāo)高7.3 m，其迎浪側(cè)為直立面，結(jié)構(gòu)形式見圖4。在設(shè)計(jì)工況下，水位相對較低，當(dāng)波浪傳播至堤頭位置時(shí)，受錨定基礎(chǔ)的阻擋影響，波浪不斷沖擊錨定基礎(chǔ)直立面，波浪破碎后的高速運(yùn)動(dòng)水體沖高回落至其前側(cè)，由于錨定基礎(chǔ)與塊體之間無塊體之間的連鎖嵌固作用，因此在水體不斷的沖擊作用下，錨定基礎(chǔ)迎浪側(cè)塊體失穩(wěn)，破壞形式見圖5（a）。

圖4 錨定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在校核工況下，水位相對較高，防波堤成為潛堤，錨定基礎(chǔ)略高于水位。當(dāng)波浪傳播至堤頭時(shí)，由于越浪量較大，越堤水體受到錨定基礎(chǔ)阻擋而雍高，導(dǎo)致大量水體向錨定基礎(chǔ)后側(cè)傾瀉，對其后側(cè)堤頂塊體產(chǎn)生較大沖擊，緊鄰錨定基礎(chǔ)側(cè)塊體首先失穩(wěn)，隨后相鄰塊體相繼失穩(wěn)，破壞形式見圖5（b）。

圖5 錨定基礎(chǔ)對塊體穩(wěn)定影響

2.3 塊體失穩(wěn)類型、原因分析及解決方案

常規(guī)的防波堤塊體失穩(wěn)類型主要包括護(hù)面塊體失穩(wěn)、護(hù)底塊石失穩(wěn)或堤身整體失穩(wěn)，其中前兩個(gè)塊體失穩(wěn)的原因主要為波浪直接作用，而堤身失穩(wěn)的影響因素較為復(fù)雜，受地基、堤身材料及水動(dòng)力等綜合影響。而對于增加錨定基礎(chǔ)或堤頭燈基礎(chǔ)等附屬結(jié)構(gòu)的防波堤，波浪直接作用為塊體失穩(wěn)主要原因。

根據(jù)前述試驗(yàn)研究成果，受錨定基礎(chǔ)影響導(dǎo)致塊體失穩(wěn)類型主要有兩種：

1）水位較低時(shí)，受錨定基礎(chǔ)反射影響導(dǎo)致其迎浪側(cè)塊體失穩(wěn)；

2）水位較高時(shí)，受錨定基礎(chǔ)阻擋作用導(dǎo)致越浪水體雍高后沖擊其背側(cè)塊體而失穩(wěn)。兩種破壞形式見圖7。

導(dǎo)致兩種塊體失穩(wěn)型式的主要原因是由于錨定基礎(chǔ)的存在影響波浪傳播，局部改變了堤頭附近波浪運(yùn)動(dòng)的形態(tài)，使得波能持續(xù)不斷作用于特定區(qū)域塊體，加之錨定基礎(chǔ)與相鄰塊體之間的嵌固作用較弱，導(dǎo)致臨近塊體率先失穩(wěn)，進(jìn)而引起周邊塊體相繼失穩(wěn)。

針對錨定基礎(chǔ)失穩(wěn)型式，為保證塊體的穩(wěn)定，可通過增大塊體重量；減緩?fù)馄缕露?；減少堤前反射；增大結(jié)構(gòu)透水率等4 種措施。其中前兩種措施是增大塊體本身的抗沖擊能力，但對于已完成設(shè)計(jì)或已建的防波堤并不適用，后兩種措施是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，減少錨定基礎(chǔ)對波浪傳播的影響，適用于設(shè)計(jì)完成或?qū)σ呀ǚ啦ǖ谈脑斓取?/p>

圖6 受錨定基礎(chǔ)影響防波堤塊體失穩(wěn)類型

2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形—減少堤前反射

為降低錨定基礎(chǔ)迎浪側(cè)對波浪的反射，可通過將其直立面改為圓弧形，將波能導(dǎo)向堤頭兩側(cè)，減少其前側(cè)波能聚集。以工程A 為例，在原錨定基礎(chǔ)迎浪側(cè)增加半圓弧段。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)工況下，堤前反射大幅降低，波浪破碎后的水體沿錨定基礎(chǔ)弧形頭部向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，且無明顯濺浪，堤頭塊體保持穩(wěn)定，見圖7（a）。

在校核工況下，由于水位較高，錨定基礎(chǔ)增加弧形頭部后雖然對堤前的反射減小，但并不能較少由其頂部通過的越浪水體，因此在巨大的越浪水體沖擊下，其后側(cè)塊體仍失穩(wěn)，見圖7（b）。

圖7 錨定基礎(chǔ)優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形試驗(yàn)

3 樁基透空式基礎(chǔ)—增大結(jié)構(gòu)透水率

在水位較高工況下，防波堤呈潛堤狀態(tài)，錨定基礎(chǔ)頂部高程較高，此時(shí)重力式錨定基礎(chǔ)對波浪的阻礙作用導(dǎo)致一部分水體雍高后下泄沖擊塊體，與從基礎(chǔ)兩側(cè)繞過的水體交匯，造成水體劇烈的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致基礎(chǔ)后方的塊體失穩(wěn)。因此僅通過改變基礎(chǔ)迎浪側(cè)結(jié)構(gòu)外形的方式并不能解決錨定基礎(chǔ)后方的塊體穩(wěn)定問題。為此提出采用透空式結(jié)構(gòu)以減少錨定基礎(chǔ)對波浪的阻礙作用，盡量讓波能透過堤頂，減少對堤頂塊體的沖擊。

以工程A 為例，將堤頭改為樁基透空式結(jié)構(gòu)，由于在已建防波堤頂打設(shè)樁基較為困難，采用底部為重力式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，防波堤頂之上至錨定基礎(chǔ)頂部設(shè)置0.5～1.0 m 的樁基，結(jié)構(gòu)形式見圖8。

圖8 錨定基礎(chǔ)為樁基透空式防波堤斷面

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)工況下，由于樁基之間有一定的空間，越堤水體大部分可從樁基之間通過，極大減小對波浪反射作用，錨定基礎(chǔ)頂部只有較少濺浪，因此堤頭塊體能保持穩(wěn)定；而在校核工況下，由于越浪量較大，大部分水體由堤頂通過，部分水體仍可從錨定基礎(chǔ)頂部越過后下泄至基礎(chǔ)后方，一方面該部分水量減小，另一方面從樁基間通過的快速運(yùn)動(dòng)水體相當(dāng)于“水墊”的作用，導(dǎo)致從頂部落下的水體作用于塊體能量減小，從而不影響堤頂塊體的穩(wěn)定，試驗(yàn)現(xiàn)象見圖9。

圖9 樁基透空式錨定基礎(chǔ)優(yōu)化試驗(yàn)

4 結(jié)語

重力式基礎(chǔ)由于施工相對簡單，成本較低，常作為攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)型式，但由于其體積較大，對波浪傳播影響較大，且其邊壁與相鄰防波堤塊體不能很好的連鎖，因此在極端工況下，增加攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)對原防波堤塊體的穩(wěn)定帶來不利影響。試驗(yàn)研究表明，錨定基礎(chǔ)迎浪側(cè)采用弧形壁面可顯著減少對波浪的反射，減少對堤頭塊體的影響，但并不適用于越浪水體較大工程區(qū)域；而透空式樁基錨定基礎(chǔ)可顯著較少對波浪傳播的影響，從而降低對原堤塊體穩(wěn)定性的影響。

另外由于攔污網(wǎng)錨定基礎(chǔ)受力較為復(fù)雜，且無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依，因此應(yīng)綜合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)研究、施工難度及投資造價(jià)等多方面因素合理采用錨定基礎(chǔ)型式。