劉軒源
(中交四航局第二工程有限公司 廣州510230)
關(guān)鍵字:防波堤;低窄斷面;防臺;堤頭和堤身防護(hù)
近年來,隨著我國沿海工程的不斷發(fā)展,深水環(huán)境下的防波堤建設(shè)項(xiàng)目日益增多,其中新建防波堤在施工過程中受到臺風(fēng)破壞的情況不斷出現(xiàn)。國內(nèi)學(xué)者對這一領(lǐng)域也作出了研究,王君輝等人[1-4]對防波堤堤頂高程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、水文特性分析、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)方面進(jìn)行了分析,得出防波堤堤頂設(shè)計(jì)高程、施工工藝、船機(jī)設(shè)備、堤頭防護(hù)方案的選用原則。李炎保等人[5-7]綜述了國內(nèi)外在防波堤損壞這一領(lǐng)域研究的歷史與最新進(jìn)展,在此基礎(chǔ)上對防波堤損壞的原因進(jìn)行了初步探討,并列舉了若干防波堤破壞典型案例。高萬國等人[8-10]對防波堤在施工期暴露在外海條件下,針對臺風(fēng)特點(diǎn),提出了相應(yīng)的堤頂和內(nèi)坡防護(hù)措施。
防波堤的破壞是一個(gè)復(fù)雜的整體過程,具有顯著的地域性,本文針對海南三亞沿海工程特定環(huán)境和特殊要求,通過復(fù)核防波堤在施工期間相關(guān)參數(shù)的防臺能力,確定防波堤防臺布置,對堤身、堤頭等重點(diǎn)部位進(jìn)行部署,有效避免了施工期內(nèi)的防波堤破壞,從而提高工程質(zhì)量,減少工程損失,確保工程工期,為今后類似工程提供參考。
海南三亞某防波堤工程堤長2 572 m,堤頂平均高程為+7.3 m,采用斜坡式結(jié)構(gòu),內(nèi)、外坡安放扭王字塊護(hù)面,堤身外坡坡度為1∶1.5,內(nèi)坡坡度為3∶4,堤心石工程量為810 678 m3。
該防波堤堤身窄(8 m)、堤頂?shù)停?2.5 m),所處海域風(fēng)浪大、季風(fēng)明顯、臺風(fēng)頻發(fā),作業(yè)受天氣影響大,可作業(yè)天數(shù)少,施工期間,每年對項(xiàng)目影響的臺風(fēng)多達(dá)5~8個(gè)。
根據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行施工防臺設(shè)計(jì)與計(jì)算。結(jié)構(gòu)防臺應(yīng)符合以下原則:
防臺防護(hù)結(jié)構(gòu)需有基本滿足永久性結(jié)構(gòu)的防護(hù)功能,結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模具有防臺決策作出后短時(shí)期內(nèi)能夠完成的特征,否則無實(shí)際意義。
在設(shè)計(jì)計(jì)算波高沖擊下,未成型的防護(hù)堤基本完好,無較大返工損失,臺風(fēng)過后能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)波高以上可預(yù)見的更高一些的波浪沖擊下,未成型防護(hù)堤不致遭受重大破壞。
根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范:JTS 154-1-2011》、《水工設(shè)計(jì)說明》及《海港水文規(guī)范:JTS 145-2-2013》,確定防臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
根據(jù)《海港水文規(guī)范:JTS 145-2-2013》相關(guān)規(guī)定:
⑴ 設(shè)計(jì)波浪的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期和波列累計(jì)頻率。
⑵ 在進(jìn)行一般斜坡式建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期應(yīng)采用50年。
⑶ 在進(jìn)行斜坡式建筑物的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),設(shè)計(jì)波高的波列累計(jì)頻率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按表1采用。
表1 防波堤極端高水位設(shè)計(jì)波要素Tab.1 Design Wave Elements for Extreme High Water Level of Breakwater
綜合現(xiàn)有波浪水文資料,防臺期間結(jié)構(gòu)防臺對應(yīng)水位為極端水位,波要素如表2所示。
表2 防波堤極端水位設(shè)計(jì)波要素Tab.2 Design Wave Elements for Extreme Water Level of Breakwater
結(jié)合本工程臺風(fēng)情況,及現(xiàn)場實(shí)際施工,要求防波堤施工期內(nèi),在堤頂高程3.5 m 處,兩側(cè)安裝扭王字塊護(hù)面塊體的條件下,均具備防臺能力,故防護(hù)長度為施工期間防波堤的長度。
根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范:JTS 154-1-2011》式⑴和式⑵計(jì)算:
式中:W為單個(gè)塊體的穩(wěn)定重量(t);γb為塊體材料的重度(kN/m3),扭王字塊體γb=23 kN/m3,塊石γb=26.5 kN/m3;H為設(shè)計(jì)波高(m);KD為塊體穩(wěn)定系數(shù),安放一層塊石時(shí),KD取5.5;安放一層扭王字塊體時(shí),KD取18;α為斜坡與水平面的夾角(o),cotα=m;γ為海水的重度(kN/m3),γ=10.15 kN/m3。
按防波堤內(nèi)外側(cè)均以塊石作為護(hù)面塊體,外側(cè)坡度取1∶1.5,內(nèi)側(cè)坡度取3∶4,進(jìn)行設(shè)計(jì)。防波堤防面塊體重量計(jì)算(塊石)如表3所示。
表3 防波堤護(hù)面塊體重量計(jì)算(塊石)Tab.3 Weight Calculation of Breakwater Armour Rock(Crushed Rock)
計(jì)算結(jié)果所需要的護(hù)面塊體重量10.44~42.95 t,實(shí)際施工過程中石料基本為1~3 t,結(jié)合設(shè)計(jì)護(hù)面塊體設(shè)計(jì)為1~2 t,僅靠護(hù)塊石作為護(hù)面塊體的設(shè)計(jì)不可行,需要加設(shè)扭王字塊防護(hù)。
按防波堤內(nèi)外側(cè)均安裝扭王字塊作為護(hù)面塊體,外側(cè)坡度取1∶1.5,內(nèi)側(cè)坡度取3∶4,進(jìn)行設(shè)計(jì)。防波堤防面塊體重量計(jì)算(扭王字塊)如表4所示。
表4 防波堤護(hù)面塊體重量計(jì)算(扭王字塊)Tab.4 Weight Calculation of Breakwater Protection Block(Accropode Block)
結(jié)合該防波堤的設(shè)計(jì),防臺結(jié)構(gòu)護(hù)面采用1~2 t塊石+28 t 扭王字塊作為護(hù)面,若有施工段1~2 t 塊石護(hù)面未安裝理坡,可直接用扭王字塊作為護(hù)面,在臺風(fēng)過后適時(shí)拆除扭王字塊重新進(jìn)行塊石護(hù)面的安裝和理坡工序。
根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范:JTS 154-1-2011》護(hù)面層厚度:
式中:h為護(hù)面層厚度(m);n'為護(hù)面塊體層數(shù),n'=1;C為塊體形狀系數(shù),按表5取值。
經(jīng)計(jì)算,1~2 t塊石護(hù)面厚度如表6所示。
表5 塊體形狀系數(shù)CTab.5 Block Shape Coefficient C
表6 防波堤護(hù)面塊體厚度計(jì)算(扭王字塊)Tab.6 Thickness Calculation of Breakwater Protection Block(Accropode Block)
結(jié)合該防波堤的設(shè)計(jì),防臺結(jié)構(gòu)護(hù)面1~2 t塊石的厚度取1.8 m,28 t扭王字塊護(hù)面厚度取3 m(即1層)。
根據(jù)上述計(jì)算設(shè)計(jì),防波堤防臺典型斷面表現(xiàn)為:1.8 m 厚 1~2 t 塊石+1 層 28 t 扭王字塊作為護(hù)面,1~2 t塊石作為壓腳棱體,防臺期間堤頂高程3.5 m,其典型斷面如圖1所示。
圖1 防波堤防臺典型斷面Fig.1 Typical Section Drawing of Breakwater
推填后自然坡比約為1∶1.5,進(jìn)入防臺狀態(tài)后先在堤前拋填1 500~2 000 kg 塊石至-8.0 m 作為壓腳棱體石兼作扭王字塊的支撐平臺;拋理一層1.8 m 厚的1 000~2 000 kg 塊石、28 t 的扭王字塊護(hù)面,堤頂標(biāo)高3.5 m;在堤頭坡面扭王字塊安裝后,堤頂部分加裝扭王字塊,以加強(qiáng)對堤頭的防護(hù)。
先在堤前拋填 1 500~2 000 kg 塊石至-8.0 m 作為壓腳棱體石兼作扭王字塊支撐平臺;外坡按設(shè)計(jì)1∶1.5的坡比安裝1 000~2 000 kg 塊石作為護(hù)面,理坡完成后立即安排起重船安裝扭王字塊至標(biāo)高3.5 m 以上;外坡按設(shè)計(jì) 3∶4 的坡比安裝 1 000~2 000 kg 塊石作為護(hù)面,理坡完成后立即安排起重船安裝扭王字塊至標(biāo)高3.5 m以上。
進(jìn)入臺風(fēng)季節(jié)時(shí),縮短堤頭裸露段的長度,施工流水節(jié)拍按照20 m?20 m?20 m控制,即兩側(cè)未理坡堤心石裸露長度控制在20 m左右,未理坡墊層塊石裸露長度控制在20 m 左右和未安裝扭王字塊體護(hù)面堤面控制在20 m 左右(見圖2)。當(dāng)啟動防臺預(yù)案后(臺風(fēng)預(yù)警72 h),立即停止堤心石推填工作。
圖2 防波堤防臺流水施工圖Fig.2 Construction Flow Drawing of Breakwater
⑴ 根據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙確定結(jié)構(gòu)防臺的設(shè)計(jì)原則:結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模具有防臺決策作出后短時(shí)期內(nèi)能夠完成的特征,臺風(fēng)過后能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)。
⑵ 結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),防波堤防臺典型斷面表現(xiàn)為:1.8 m 厚 1~2 t 塊石+1 層 28 t扭王字塊作為護(hù)面,1~2 t 塊石作為壓腳棱體,防臺期間堤頂高程為3.5 m。
⑶ 對堤頂和堤身進(jìn)行施工流水節(jié)拍控制,按照20 m?20 m?20 m的步距:將兩側(cè)未理坡堤心石裸露長度控制在20 m左右,未理坡墊層塊石裸露長度控制在20 m左右,未安裝扭王字塊體護(hù)面堤面控制在20 m左右。
工程實(shí)踐證明,對于所處海域風(fēng)浪大、季風(fēng)明顯、臺風(fēng)頻發(fā)的低窄防波堤,通過對防波堤進(jìn)行結(jié)構(gòu)防臺設(shè)計(jì)計(jì)算,復(fù)核其在施工期間相關(guān)參數(shù)的防臺能力,確定防波堤防臺布置,對堤身、堤頭等重點(diǎn)部位進(jìn)行部署,可有效避免施工期內(nèi)的防波堤破壞,既減少了施工期間因臺風(fēng)襲擊遭受的損失,又保障了工程施工的安全及工期,可為后續(xù)類似工程提供參考。