擋浪板入水深度對樁基透空式防波堤的關(guān)鍵作用

符家英，潘桓本，劉憲博

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司海南分公司，海南 海口 570105)

近年來，隨著國家海洋局嚴控圍填海[1]，工程建設(shè)用海方式的需求不同，港口工程的結(jié)構(gòu)形式也日新月異，樁基透空式防波堤受到越來越多的關(guān)注。隨著設(shè)計研究的不斷深入，透空式樁基結(jié)構(gòu)形式也在不斷發(fā)展、變化。帶擋浪板透空式防波堤是介于直立堤和無擋浪板透空式防波堤之間的一種新結(jié)構(gòu)形式，其防浪結(jié)構(gòu)安裝在樁基、梁板及持力層上，主要利用擋浪板抵擋外側(cè)波浪耗能的傳播以達到減小港內(nèi)波浪的目的。該結(jié)構(gòu)既能實現(xiàn)防波堤對港內(nèi)的掩護，又能實現(xiàn)水體交換，與傳統(tǒng)的實體防波堤結(jié)構(gòu)相比，它具有結(jié)構(gòu)單一、對環(huán)境影響小、景觀性較強等優(yōu)點。目前,國內(nèi)對透空式樁基擋浪板功效的研究較多[2]，但對擋浪板不同入水深度在透空式防波堤結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用研究很少，限制了該結(jié)構(gòu)形式在港口工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

如何采取有效技術(shù)措施確定合理的擋浪板入水深度是設(shè)計及科研單位關(guān)注的重要課題。本文依據(jù)行業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，計算擋浪板不同入水深度的透浪系數(shù)及結(jié)構(gòu)受力情況,同時結(jié)合三亞市天涯海角海上巴士碼頭工程模型試驗的相關(guān)研究成果進行對比分析，得出擋浪板不同入水深度對結(jié)構(gòu)受力、港內(nèi)掩護效果、越浪量及波浪分布的影響，為類似工程的設(shè)計及施工提供參考。

1 工程概況

本工程位于三亞市天涯海角景區(qū)西側(cè)，與已建天嶺碼頭棧橋相鄰。防波堤兼碼頭呈L形布置，碼頭前沿線布置在自然水深-5～-4 m等深線附近，結(jié)構(gòu)采用帶擋浪板透空式樁基方案，外側(cè)為樁式結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為直立式碼頭結(jié)構(gòu)，碼頭面高程3.70 m，碼頭面寬16 m?？偲矫娌贾靡妶D1，樁式防波堤結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖1 總平面布置(單位：m)

圖2 防波堤兼碼頭斷面(尺寸：mm；高程：m)

研究內(nèi)容包括：1)碼頭外側(cè)擋浪板底高程分別按照-1.0、-2.0、-2.5、-3.0 m 計算分析港池內(nèi)的泊穩(wěn)情況；2)擋浪板底高程為-2.0和-3.0 m 條件下，測量擋浪板及墩臺受力；3)測量碼頭處的越浪量；4)本項目采用碼頭前沿波高H4%=0.5 m作為標(biāo)準，根據(jù)不同擋浪板入水深度，研究其對碼頭作業(yè)時間的影響。

2 物理模型試驗

2.1 試驗波浪條件

采用三維局部整體試驗及二維水槽斷面試驗分別驗證不同擋浪板入水深度下，港內(nèi)波穩(wěn)條件及擋浪板結(jié)構(gòu)受力情況。試驗波浪條件根據(jù)前期數(shù)模相關(guān)研究成果，選取SSE、S、SSW向波浪，試驗水深及波要素見表1。

表1 試驗水深及波浪要素

2.2 試驗設(shè)備及方法

本試驗在交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所試驗室進行，三維波浪試驗在寬12 m、長53 m的水槽中進行，按不規(guī)則波進行。模型波高采用TK2008 型動態(tài)波高測試系統(tǒng)進行波高測量，采用攝像機記錄波面過程和上水、越浪等試驗現(xiàn)象；二維水槽斷面采用波浪水槽主尺度長為68 m、寬1 m、高1.5 m進行不規(guī)則測試，模型波浪力采用2008型微型點壓力采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動采集波浪壓強并有相關(guān)處理功能，對采集到的點壓力進行處理。

以上試驗程序嚴格遵循《波浪模型試驗規(guī)程》[3]。

2.3 試驗?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

局部整體試驗?zāi)Ｐ推矫娌贾靡妶D3，二維水槽斷面受力傳感器布置見圖4，模型越浪量接觸測量布置見圖5，波高傳感器測點布置見圖6。

圖3 試驗?zāi)Ｐ推矫娌贾?/p>

圖4 二維水槽斷面受力傳感器布置(高程：m)

圖5 模型越浪量接觸測量布置(單位：m)

圖6 模型波高傳感器測點布置(單位：m)

2.4 試驗結(jié)果對比

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果，擋浪板不同入水深度(底高程)對越浪量、波高分布及結(jié)構(gòu)受力的影響見表2～5。

通過試驗結(jié)果可知,入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小;隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，碼頭反射波浪面積增大，導(dǎo)致越浪量增加；不同擋浪板入水深度的作業(yè)損失時間隨深度的增加而減少；隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭結(jié)構(gòu)受力增大。

表2 擋浪板不同底高程的波高情況

續(xù)表2

表3 擋浪板不同底高程的越浪量情況

表4 擋浪板不同底高程的作業(yè)損失時間

表5 擋浪板不同入水深度的結(jié)構(gòu)斷面受力情況

3 理論計算及試驗結(jié)果對比

3.1 理論計算結(jié)果

3.1.1透浪系數(shù)

根據(jù)試驗研究方案及內(nèi)容，采用JTS 154—2018《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》[4]中計算公式，即式(1)、(2)，得出擋浪板不同入水深度對透浪系數(shù)的影響，見表6?？芍S著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，透浪系數(shù)逐漸減小。

(1)

(2)

式中：Kt為透浪系數(shù)；Ht為透射波高(m)；H為入射波高，取H1%；ξ為系數(shù)；L為波長(m)；d為堤前水深；t0為擋浪板的入水深度。

表6 擋浪板不同入水深度的透浪系數(shù)變化情況

3.1.2結(jié)構(gòu)受力

根據(jù)擋浪板不同入水深度，高樁墩臺結(jié)構(gòu)所受波浪力依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》計算離岸式高樁碼頭面板底部波浪浮托力，見式(3)～(9)，其結(jié)果見表7。

(3)

(4)

η1%/H1%≤0.7

(5)

(6)

(7)

pf=Kfp1%

(8)

(9)

表7 擋浪板不同底高程的理論計算受力情況

3.2 結(jié)果對比分析

通過模型試驗結(jié)果，同時結(jié)合上述理論計算結(jié)果可知：透浪系數(shù)理論計算與試驗結(jié)果相近，碼頭結(jié)構(gòu)受力理論計算結(jié)果與模型試驗相差較大。

4 碼頭外側(cè)擋浪板入水深度對各因素的影響

4.1 波高分布

三亞市天涯海角海上巴士碼頭工程的數(shù)模結(jié)果[5]表明，物模試驗[6]結(jié)果與數(shù)模計算結(jié)果整體上較為接近，當(dāng)來浪方向與碼頭走向夾角較大時，物模試驗結(jié)果比數(shù)模計算結(jié)果略小，這是由于此時波浪透過高樁碼頭下方的擋浪結(jié)構(gòu)和樁群結(jié)構(gòu)歷程變長，擋浪效果更好，這一現(xiàn)象在物模試驗中可以得到更真實反映。此外，設(shè)計高水位時，部分波浪經(jīng)由防波堤前擋板返回海側(cè)，部分波浪越過擋浪墻發(fā)生越浪；設(shè)計低水位時，大部分波浪從防波堤下方樁群間穿過，向堤后傳播。因此，防波堤后方泊位處的透射系數(shù)表現(xiàn)為設(shè)計低水位波浪作用時大于設(shè)計高水位波浪作用時。

4.2 碼頭后方泊位處波高

隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小。

4.3 越浪量影響

隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，越浪量有所增大。

4.4 對作業(yè)損失時間

作業(yè)損失時間隨著擋浪板入水深度的增加而減少。在物理模型試驗結(jié)果中，碼頭作業(yè)損失時間比數(shù)學(xué)模型結(jié)果大。

4.5 結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析

極端高水位工況下，當(dāng)擋浪板底高程為-2.0 m且在重現(xiàn)期為100 a的波浪作用下，碼頭斷面最大水平力466.77 kN/m，最大浮托力365.49 kN/m；擋浪板底高程為-3.0 m 且在重現(xiàn)期為100 a的波浪作用下，碼頭斷面最大水平力為490.84 kN/m，最大浮托力328.14 kN/m。

5 結(jié)論

1)透浪系數(shù)的理論計算值與物理模型試驗結(jié)果相近；碼頭結(jié)構(gòu)受力理論計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果相差較大。

2)帶擋浪板的防波堤碼頭結(jié)構(gòu)后方處的透浪系數(shù)表現(xiàn)為：設(shè)計低水位波浪作用大于設(shè)計高水位的波浪作用。

3)隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小且碼頭結(jié)構(gòu)所受水平力增大、越浪量增大、作業(yè)時間損失減小，對港內(nèi)掩護效果加強。

4)綜上所述，擋浪板入水深度的合理設(shè)計是整個透空式樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，決定工程實施后的成敗。