引江濟(jì)淮工程巢湖派河口服務(wù)區(qū)泊穩(wěn)條件及防波堤穩(wěn)定性研究

邊 峰， 黃 哲， 李華治， 王登婷

(1.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

安徽省地勢(shì)西高東低，境內(nèi)有長(zhǎng)江、淮河兩大重要通航水系，皆呈東西走向。長(zhǎng)江水系在安徽省境內(nèi)有航道里程3 085.5 km，占安徽省航道總里程47.42%，淮河水系在安徽省境內(nèi)有航道里程2 449.8 km，占安徽省航道總里程37.7%。該兩大水系在安徽境內(nèi)不連通，貨物運(yùn)輸要繞道京杭運(yùn)河，運(yùn)輸成本高，制約了腹地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)江淮溝通的夢(mèng)想，2014年啟動(dòng)引江濟(jì)淮工程，實(shí)現(xiàn)淮河水域與長(zhǎng)江直接貫通。為落實(shí)“以人為本”的理念，滿足船舶的服務(wù)需求，提高航道運(yùn)營(yíng)效率，改善航道通航環(huán)境，消除航道安全隱患，在派河入巢湖口門處設(shè)置派河口服務(wù)區(qū)。

派河口服務(wù)區(qū)工程位于巢湖西北側(cè)派河口處，距環(huán)巢湖大道派河大橋約300 m，距派河船閘約800 m，是引江濟(jì)淮工程上設(shè)置的綜合航運(yùn)服務(wù)區(qū)，工程位置如圖1所示。工程區(qū)設(shè)置南北兩段防波堤，其中北側(cè)為派河閘下錨地防波堤，由堤頭及堤身兩個(gè)區(qū)段組成，堤頭段長(zhǎng)164 m，堤身段長(zhǎng)492 m，堤頭與堤身段間夾角為150°；南側(cè)為派河服務(wù)區(qū)防波堤，防波堤軸線呈U形布置。

圖1 工程位置圖

根據(jù)“引江濟(jì)淮工程巢湖水域波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)”研究成果，服務(wù)區(qū)口門處NE～E～SE向波高相對(duì)較大，波浪傳播進(jìn)港內(nèi)后，存在不利于服務(wù)區(qū)內(nèi)各位置停泊安全的可能性。

為確保不同位置的停泊安全，本文對(duì)派河口服務(wù)區(qū)水域的風(fēng)浪特征進(jìn)行分析研究，采用波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算了防波堤建成后的服務(wù)區(qū)內(nèi)波高分布情況，并通過(guò)研究結(jié)果對(duì)服務(wù)區(qū)平面布置方案進(jìn)行優(yōu)化，最后通過(guò)波浪斷面物理模型試驗(yàn)對(duì)服務(wù)區(qū)防波堤的斷面結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了驗(yàn)證，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 風(fēng)浪特性分析

《堤壩防浪護(hù)坡設(shè)計(jì)》中指出水庫(kù)、湖泊等小風(fēng)區(qū)風(fēng)速的選取及訂正與開場(chǎng)海域存在差異，具體為：封閉水體中，風(fēng)速、風(fēng)向取氣象站實(shí)測(cè)資料，此風(fēng)速值與地表特征及氣象站周邊環(huán)境有關(guān)，需加以訂正，換算至開闊水面上的風(fēng)速。

本次研究采用巢湖氣象站1996-2016年的氣象資料作為分析[1]，并將原先的陸域風(fēng)速資料進(jìn)行高度及陸水訂正,如圖2所示。

圖2 工程水域水面上方10 m高程處計(jì)算風(fēng)速玫瑰圖(單位：m/s)

工程區(qū)所在水域最大計(jì)算風(fēng)速為26.5 m/s，對(duì)應(yīng)風(fēng)向?yàn)镾SW向，此外NNW、NW、SW向風(fēng)速也較大，均達(dá)到25 m/s以上。

2 泊穩(wěn)條件分析

2.1 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果得出以下計(jì)算結(jié)果，派河口服務(wù)區(qū)主要受NNE～SSE向小風(fēng)區(qū)風(fēng)浪作用，采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算了NNE～SSE向設(shè)計(jì)高水位10.6 m在9級(jí)、8級(jí)、7級(jí)、6級(jí)風(fēng)分別作用下的派河口服務(wù)區(qū)港內(nèi)水域的波高分布，給出了港內(nèi)各泊位波高分布情況。

計(jì)算共考慮14個(gè)計(jì)算點(diǎn)，分別位于14個(gè)擬建泊位位置，防波堤平面布置及波浪計(jì)算點(diǎn)位圖如圖3所示，其中1#泊位為加油泊位。根據(jù)要求，6級(jí)風(fēng)內(nèi)(含6級(jí)風(fēng))各向順浪及橫浪均需滿足H4%小于0.6 m的泊穩(wěn)要求，7級(jí)風(fēng)及以上泊位停用；其余2#～14#泊位要求9級(jí)風(fēng)內(nèi)(含9級(jí)風(fēng))各向順浪及橫浪均需滿足H4%小于0.6 m的泊穩(wěn)要求。

圖3 計(jì)算點(diǎn)位及總平面布置圖

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，工程區(qū)域設(shè)計(jì)高水位、8級(jí)風(fēng)作用下波浪折射繞射H13%波高等值線圖如圖4所示。

表1 服務(wù)區(qū)泊位泊穩(wěn)分析

圖4 波高分布

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在ESE、SE、SSE向6級(jí)風(fēng)作用下，位于北防波堤內(nèi)側(cè)的2#～6#泊位均不滿足順浪及橫浪H4%小于0.6 m的泊穩(wěn)要求，其主要原因是在原堤軸線布置方案下，堤線對(duì)以上方向風(fēng)浪的掩護(hù)作用較弱，波浪能直接作用到服務(wù)區(qū)內(nèi)，影響區(qū)域內(nèi)船舶靠泊；此外當(dāng)風(fēng)力等級(jí)大于等于8級(jí)時(shí)，除ESE、SE、SSE向外，3#～6#泊位在ENE、E等方向的風(fēng)作用下也不滿足順浪及橫浪H4%小于0.6m的泊穩(wěn)要求，其原因?yàn)榉?wù)區(qū)口門寬度較大，對(duì)以上浪向波浪掩護(hù)作用不足，波浪在北側(cè)防波堤堤頭位置發(fā)生繞射，波向發(fā)生變化，導(dǎo)致港內(nèi)局部波高增大。

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)服務(wù)區(qū)防波堤總平面布置進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，優(yōu)化方案計(jì)劃將南防波堤堤頭沿軸線延長(zhǎng)150 m，優(yōu)化后的總平面布置圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案算點(diǎn)位及總平面布置圖

優(yōu)化后泊穩(wěn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，工程區(qū)域的設(shè)計(jì)高水位、9級(jí)風(fēng)作用下波浪折射繞射H13%波高等值線圖如圖6所示。

圖6 波高分布

由圖6可見(jiàn)，加長(zhǎng)南堤后防波堤對(duì)偏東南向波浪的掩護(hù)作用增強(qiáng)，2#～6#泊位受該浪向波浪的影響減弱，同時(shí)由于南堤延長(zhǎng)后口門寬度減小，偏東北浪向經(jīng)口門向港內(nèi)傳播的波能減少，對(duì)港內(nèi)泊穩(wěn)的影響也相對(duì)減弱。由表2可見(jiàn)，優(yōu)化方案各泊位均能滿足不同風(fēng)向6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)、9級(jí)風(fēng)作用時(shí)的泊穩(wěn)要求。

表2 優(yōu)化方案服務(wù)區(qū)泊位泊穩(wěn)分析

3 波浪斷面物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為保證防波堤的穩(wěn)定性，開展波浪斷面物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)斷面各部位均與原型保持幾何相似，各結(jié)構(gòu)部分均按比尺縮小，模型誤差不超過(guò)1 mm，胸墻、護(hù)面等部位采用配重砂漿制作，以保證重量相似。塊石經(jīng)嚴(yán)格挑選，與原型保持重量相似。

試驗(yàn)水位及波浪要素見(jiàn)表3，試驗(yàn)斷面結(jié)構(gòu)型式如圖7所示。

表3 試驗(yàn)波浪要素

圖7 試驗(yàn)斷面

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)越浪量試驗(yàn)結(jié)果：

在設(shè)計(jì)高水位及相應(yīng)不規(guī)則波浪作用下，波浪沿外側(cè)柵欄板護(hù)坡爬高，不規(guī)則波列中的部分大波作用到堤頂并越過(guò)胸墻頂部形成越浪，試驗(yàn)測(cè)得的越浪量為0.009 6 m3/(s·m)；在補(bǔ)充水位及相應(yīng)波浪作用下，波浪在前坡上爬過(guò)程中波能耗散，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能后，水體回落，無(wú)波浪作用到堤頂，未測(cè)得越浪。

(2)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果：

在各級(jí)水位及相應(yīng)的不規(guī)則波作用下，當(dāng)波浪累積作用時(shí)間相當(dāng)于原先3 h后，胸墻、外坡40 cm厚柵欄板護(hù)面、內(nèi)坡40 cm厚柵欄板護(hù)面均未發(fā)生明顯位移，滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求；而前坡較多100 kg塊石發(fā)生位移，且剖面形狀發(fā)生改變，不滿足塊石失穩(wěn)率要求。

導(dǎo)致塊石失穩(wěn)的主要原因是：在設(shè)計(jì)高水位，波浪作用時(shí)傳播至平臺(tái)位置處由于水深減小波浪發(fā)生破碎，破碎后水體運(yùn)動(dòng)混亂，波浪引起的底部切應(yīng)力增大；而波谷作用時(shí)水體沿護(hù)坡回落并向外海側(cè)運(yùn)動(dòng)，對(duì)平臺(tái)表層塊石形成拖曳，導(dǎo)致斜坡與平臺(tái)交角位置塊石發(fā)生滾落；在補(bǔ)充水位及相應(yīng)波浪作用下，水位基本與平臺(tái)頂部平齊，波浪在平臺(tái)上方發(fā)生破碎，在該部位出現(xiàn)波能集中，因而平臺(tái)處塊石隨波浪作用發(fā)生滾落；隨著波浪持續(xù)作用，塊石滾動(dòng)后平臺(tái)形狀較原先發(fā)生改變，平臺(tái)與斜坡交角呈圓弧狀，斜坡上部坡比由原先1∶1.5變緩為約1∶3.5，此后僅少量塊石隨波浪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成了與波浪動(dòng)力基本相適應(yīng)的剖面形態(tài)。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將前坡100 kg塊石加大至150～200 kg塊石并進(jìn)行試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)高水位、補(bǔ)充水位及相應(yīng)波浪作用下，150～200 kg塊石個(gè)別發(fā)生滾落，但隨波浪持續(xù)作用，無(wú)塊石繼續(xù)發(fā)生位移，基本形成了與波浪動(dòng)力相適應(yīng)的剖面形態(tài)，滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

(1)原防波堤平面布置方案下，在ESE、SE、SSE等風(fēng)向6級(jí)及以上風(fēng)作用下，2#～6#泊位不滿足泊穩(wěn)要求，將南防波堤堤頭沿軸線延長(zhǎng)150 m后，可以滿足泊穩(wěn)要求。

(2)原防波堤斷面前坡100 kg塊石在設(shè)計(jì)高水位及補(bǔ)充水位波浪作用下出現(xiàn)失穩(wěn)，加大至150～200 kg后滿足波浪作用下的穩(wěn)定性要求。