某港口城項目季風期水工結(jié)構(gòu)防護方案分析

徐 杰，黃遠明

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

通常情況下，處于施工階段的防波堤護岸等水工結(jié)構(gòu)無法在季風期來臨前完全形成設(shè)計斷面，需要對結(jié)構(gòu)物進行適當?shù)呐R時防護，以便安全度過季風期。某港口城項目實施期間需要經(jīng)歷2～3 個季風期，且據(jù)實測資料［1］，季風期工程海域有效波高將達到3.6 m以上，水上及陸上施工作業(yè)均難以開展，水工結(jié)構(gòu)需要進行臨時防護。本文針對2017年季風期情況，通過理論計算［2］，并結(jié)合波浪數(shù)模試驗結(jié)果分析研究［3］出合理的臨時防護方案，確保結(jié)構(gòu)在施工期的穩(wěn)定和安全［4］，大大降低了施工中存在的風險，確保了工期且達到了很好的防護效果，可供其他類似項目參考。

1 項目概況

某港口城項目位于海外某市中心，其中一期基礎(chǔ)工程為大型圍海造地工程，通過吹填為城市建設(shè)提供用地。工程主體由陸域吹填、內(nèi)外防波堤、南北攔砂堤、游艇碼頭外護岸、游艇碼頭、運河護岸等結(jié)構(gòu)組成，平面布置如圖1所示。

港口城海域波浪主要由風浪和涌浪2 部分組成，風浪周期較短，一般處于3～8 s之間［5］，涌浪周期較長，為8～20 s，涌浪主要源自本項目南部深水海域，當波浪傳播到項目所在地海域-20 m水深位置時波向變?yōu)?25°。本項目所在地涌浪波向變化范圍在200°～270°［6］，偏西方向波浪主要受較大周期的風浪影響［1］。每年的5～9 月為西南季風期，西南方向涌浪較大，防波堤等結(jié)構(gòu)無法施工［7］。2017 年季風期來臨前，項目已施工水工結(jié)構(gòu)包括（見圖2）：游艇碼頭外護岸（里程CH0～CH0+880）、南攔砂堤（里程CH0～CH0+278）、外防波堤（里程CH0～CH0+80），并根據(jù)結(jié)構(gòu)和受風浪影響程度的不同，將防護區(qū)域分為4 個區(qū)域：區(qū)域1～區(qū)域4分層次進行防護，具體分區(qū)如圖2所示。

圖1 項目平面布置Fig.1 Layout of the Project

2 季風期波浪數(shù)學模型分析

季風期防波堤結(jié)構(gòu)防護方案需要依據(jù)合理的波浪要素來確定，本項目根據(jù)項目所在地1992～2013 年期間實測資料［8］，并委托荷蘭某咨詢單位CDR 采用近岸淺海海浪模型Simulating Wave Nearshore（SWAN）進行數(shù)模分析［8］，可以得出季風期間工程海域的各結(jié)構(gòu)部位的波浪情況和1 年，2 年，5 年及10 年一遇波浪要素，具體詳如表1所示。其中波浪周期一般為9～11 s之間，防護設(shè)計波浪周期選取平均周期10 s。

圖2 項目現(xiàn)場已施工水工結(jié)構(gòu)平面布置與實景Fig.2 The Site of the Project Layout and Photo

表1 季風期波浪數(shù)模結(jié)果--各重現(xiàn)期Tab.1 Monsoon Wave Mathematical Results-Recurrence Periods（RP=Recurrence Period）

考慮到經(jīng)濟與實用性，為應對施工期間一個季風期的臨時防護，保守起見，采用5年一遇的設(shè)計波浪要素。根據(jù)CDR 的數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出不同區(qū)域（區(qū)域1～區(qū)域4）影響水工結(jié)構(gòu)的控制波浪要素情況，波浪分布如圖3所示，結(jié)果如表2所示。

3 季風期水工結(jié)構(gòu)防護方案分析

綜合考慮國內(nèi)外各護面塊石或塊體計算公式的適用性和結(jié)構(gòu)安全性，在本項目季風期水工結(jié)構(gòu)防護方案中，選擇Van der Meer公式［9］計算護面塊體的穩(wěn)定性計算，Hudson公式［10］用于計算護面塊體的穩(wěn)定性計算。

3.1 護面塊石計算-采用Van der Meer公式

當波浪條件為卷破波ξm＜ξcr，計算公式如下：

圖3 季風期水工結(jié)構(gòu)附近海域波浪數(shù)模結(jié)果分布圖（5年一遇、主導波向WSW）Fig.3 Distribution of Mathematical Results of Sea Waves Nnear the Offshore structure during the Monsoon Period（in 5-year Term，Main Wave Direction WSW）

當波浪條件為激破波時，ξm＞ξcr計算公式如下：

另考慮到波浪的斜向入射問題，參考Van Gent（2014）分析認為當波浪斜向入射時，防護塊石的重量可以降低，并給出了斜向入射波條件下，護面塊體穩(wěn)定性計算的折減系數(shù)γB計算公式：

式中：β 為入射波峰線與推填的軸線夾角；cβ=0.35。

3.2 護面塊體計算采用Hudson公式

3.3 墊層塊石計算

根據(jù)文獻［3］表5.36 中的墊層塊石的取值，當護面塊體采用扭王字塊時，墊層塊石重量應為扭王字塊重量的0.07～0.14 之間；當護面塊體采用塊石時，墊層塊石的重量應為護面塊石重量的0.05～0.15。

3.4 防護結(jié)構(gòu)形式的選擇

表2 各區(qū)域季風期波浪條件（5年一遇）Tab.2 Wave Conditions during Monsoon Period（in 5-year Term）

綜合考慮水工結(jié)構(gòu)理坡坡比α、護面塊體破壞等級Sd、波浪斜向入射等因素，水工結(jié)構(gòu)各區(qū)域的防護優(yōu)先考慮使用塊石護面，鑒于大塊石石料進場受限，季風期來臨前，大塊石的進場量可能無法滿足全部斷面的防護需求。根據(jù)實際情況，在大塊石不充足的條件下，部分區(qū)域采用扭王字塊進行防護（港口城項目永久結(jié)構(gòu)防護塊體有5 t、10 t、17 t等型號扭王字塊，利用上述型號扭王字塊在臨時防護中成本相對較低，費用合理）。根據(jù)現(xiàn)場各種類石料和各型號扭王字塊的存貯情況、防護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)和防護結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。對比分析后擇優(yōu)選擇，現(xiàn)場各個區(qū)域防護塊體重量及墊層塊石重量選擇如表3所示。

本項目根據(jù)各個區(qū)域的特點和防護要求，選擇的防護斷面如圖4所示。

4 結(jié)論

接近6 個月的季風期結(jié)束后，根據(jù)當?shù)厮挠^測資料，本項目區(qū)域的有效波高達到3.5 m，接近十年一遇的設(shè)計波高。根據(jù)觀測結(jié)果，大浪時存在越浪情況，但多為破碎波浪，能量較小（見圖5）?？傊捎蒙鲜雠R時防護方案的水工結(jié)構(gòu)物并沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，防護效果達到了預期。

季風期水工結(jié)構(gòu)的臨時防護對結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，在滿足安全前提下，還要綜合考慮項目施工進度和經(jīng)濟功能等方面的影響。本項目通過與世界知名的咨詢機構(gòu)合作，根據(jù)其波浪數(shù)學模型試驗得到的施工海域波浪要素，再對比國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范計算防護塊石重量，最終結(jié)合現(xiàn)場石料供應情況，分區(qū)域分析確定了已施工水工結(jié)構(gòu)在季風期應采取的合適防護方案。本文的研究計算對其他類似工程結(jié)構(gòu)防護方案設(shè)計具有指導借鑒意義。

圖4 各區(qū)域水工結(jié)構(gòu)防護方案斷面Fig.4 Profile of the Structure during Monsoon Period

表3 季風期水工結(jié)構(gòu)各區(qū)域防護結(jié)構(gòu)方案Tab.3 Protect Methods for Structure during the Monsoon Period

圖5 各區(qū)域水工結(jié)構(gòu)成功抵御季風期下強涌浪的襲擊Fig.5 Monsoon Period Photos of Each Structure