低透空率樁基防波堤消浪效果研究

孫驍帆，聞 學(xué)，劉鵬飛

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.岱山縣交通運(yùn)輸局，浙江 舟山 316299)

樁基防波堤是透空防波堤的一個(gè)常見(jiàn)種類，其本身不是一個(gè)新型的結(jié)構(gòu)形式，其在現(xiàn)代港口工程上的研究和應(yīng)用至少可追溯至20世紀(jì)50年代[1-2]，其中我國(guó)在20世紀(jì)80年代已有工程案例[3]。實(shí)際上，除了上述標(biāo)準(zhǔn)化的工程之外，在淺灘、內(nèi)湖上常見(jiàn)的密排木樁，理論上也屬于該結(jié)構(gòu)類型，其產(chǎn)生年代可能更久遠(yuǎn)。上述的樁基防波堤，多處于不直接遭受外海大浪影響的半開(kāi)敞水域或內(nèi)河、內(nèi)湖水域，水深一般較淺，且對(duì)于控制波浪透射的要求相對(duì)不高。國(guó)外工程中，提出了密排樁防波堤的概念并進(jìn)行應(yīng)用；國(guó)內(nèi)工程中，除純樁基防波堤外，也有工程利用樁基上部擋板結(jié)構(gòu)起到主要的波浪掩護(hù)效果，其樁群正向投影面上的透空率較大，樁基自身提供的波浪掩護(hù)效果在整個(gè)結(jié)構(gòu)中相對(duì)次要。近年的一些工程中，受限于港址條件、用海政策、使用需求等因素，對(duì)樁基防波堤所處的水深、波浪環(huán)境適應(yīng)性及其掩護(hù)效果均提出更高的要求，設(shè)計(jì)考慮采用一種更低透空率樁基防波堤予以實(shí)現(xiàn)。本文基于模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料分析，對(duì)該類型防波堤的消浪效果進(jìn)行研究分析。

1 樁基防波堤消浪效果研究現(xiàn)狀

樁基防波堤消浪效果的相關(guān)研究包括了理論和模型試驗(yàn)分析等，并對(duì)其波浪透射系數(shù)Kt得出了一些半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。

對(duì)于單排樁，一些估算公式簡(jiǎn)化認(rèn)為其Kt僅與樁基的相對(duì)間距有關(guān)，定義η=b/(b+D)為其透空率(其中D為樁徑，b為樁的凈間距)，例如Hartmann[4]基于波高與能量的關(guān)系及能量的傳播得出：

(1)

Massel[5]加入波浪散射的影響，得出：

(2)

還有一些公式則綜合考慮了入射波高Hi、水深d、波長(zhǎng)L(或波數(shù)k=2π/L)等其他因素，例如Hayashi等[6-7]基于波浪理論和孔口出流控制方程，得出：

(3)

其中：

(4)

(5)

式中：C為樁間隙的流量系數(shù)，取0.9～1.0；e為系數(shù)，取1.1。

對(duì)于淺水長(zhǎng)波條件下，即th(kd)/(kd)≈1時(shí)，近似有：

(6)

上述式(1)(2)(6)在不同波浪和透空率條件下的斷面試驗(yàn)對(duì)比中，各自體現(xiàn)出一定的吻合性，其試驗(yàn)范圍大致在：η=0.05～0.70、Kt=0.2～0.9。同時(shí)，有關(guān)試驗(yàn)顯示，在η相同的情況下，波陡Hi/L較大時(shí)，Kt相對(duì)較小，表明密排樁在波陡相對(duì)較大的條件下消浪效果更好。

王瑜[8]通過(guò)斷面試驗(yàn)和數(shù)據(jù)相關(guān)分析，擬合得到淺水小波高條件下Kt與Hi、波周期T及相對(duì)水深d/L之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

Kt=0.028 7+0.909 3(1-0.000 28η)-

11.59Hi/(gT2)+0.11d/L

(7)

對(duì)于單排樁，透空率η在0.5以上時(shí)的波浪掩護(hù)效果較弱，須將其降低至較小值時(shí)，方可有明顯效果；常規(guī)條件下，如須將正向波浪透射系數(shù)Kt控制在0.3左右，所需的η大致在0.05以下(上述均未考慮堤頂越浪影響)。

此外，也有學(xué)者對(duì)方樁、異型樁、多排樁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[9-11]，其消浪性能有一定差異，且多排樁的效果優(yōu)于單排樁。

對(duì)于由上部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主要消浪效果的樁基防波堤，有關(guān)研究[12-13]多針對(duì)擋板豎向尺度進(jìn)行分析，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[14]也給出了其透浪系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，類似結(jié)構(gòu)在水深較淺、擋板底面距泥面較近(波浪力允許)的情況下，Kt試驗(yàn)值可達(dá)到0.3左右[15]。

2 低透空率樁基防波堤的應(yīng)用

由于單排密排樁防波堤需要極小的透空率保證其消浪效果，施工中難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際工程中常采用帶擋板的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行擋浪，但當(dāng)水深較深、波浪較大時(shí)，因擋板受力因素，其入水深度及相應(yīng)的消浪效果也將受限；另外，也可采用多排樁的形式，通過(guò)增加樁的數(shù)量彌補(bǔ)單排樁施工間距偏大帶來(lái)的不足，但同時(shí)也將增大工程投資。因此，常規(guī)樁基防波堤形式的適用性存在一定局限性。

在浙江岱山島北部的燕窩山陸島交通碼頭工程中，由于選址水域(圖1)北向開(kāi)敞，且外側(cè)海域水深較深(10 m左右)，港址波浪掩護(hù)條件相對(duì)較差(正向50 a一遇H1%>6 m)；而基于用海政策、地質(zhì)條件及港內(nèi)淤積等因素，防波堤不宜采用非透水構(gòu)筑物形式；同時(shí)，交通碼頭對(duì)于港內(nèi)泊穩(wěn)安全又有相對(duì)較高的標(biāo)準(zhǔn)，研究表明防波堤的透射系數(shù)需控制在0.3左右方可滿足運(yùn)營(yíng)要求，已有樁基防波堤形式在該條件下難以同時(shí)滿足消浪效果和自身結(jié)構(gòu)安全。為應(yīng)對(duì)不利的建設(shè)條件和較苛刻的使用要求，設(shè)計(jì)采用了新型低透空率樁基防波堤，其密排樁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。通過(guò)樁側(cè)加肋板(樁頂至泥面范圍)，使結(jié)構(gòu)在正投影面上不透空，僅存在曲折的空隙；同時(shí)將相鄰樁位適量前后交錯(cuò)偏移，使其凈間距加大，降低施工難度；另外，為消除樁頂越浪影響，將密排樁與其所掩護(hù)的碼頭水工相結(jié)合，碼頭面(前沿?fù)蹩?高程在設(shè)計(jì)高水位以上4.2 m，8級(jí)風(fēng)波況下基本不越浪。

圖1 工程位置

圖2 低透空率樁基防波堤密排樁截面(單位：mm)

該結(jié)構(gòu)的密排樁在樁位上介于單排樁和多排樁之間，而在樁的數(shù)量上應(yīng)歸類為單排異型樁，但前文所述的透空率η概念在該結(jié)構(gòu)中不適用，可定性將其歸納為低透空率樁基結(jié)構(gòu)。

該工程建設(shè)防波堤總長(zhǎng)650 m，軸線處水深10 m左右(85高程)，碼頭布置于堤內(nèi)側(cè)，泊位長(zhǎng)度400 m(圖3)，設(shè)計(jì)客運(yùn)年通過(guò)能力(188萬(wàn)人+14萬(wàn)輛車)/a。截至2020年底，已完成防波堤的全部樁基施工。

圖3 防波堤及碼頭總平面及模型試驗(yàn)布置(單位：m)

3 消浪效果的模型試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

上述工程案例的防波堤結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了多方案的模型試驗(yàn)比選和優(yōu)化工作，模型試驗(yàn)包括斷面物理模型、大范圍及工程水域數(shù)學(xué)模型和整體物理模型。

模型試驗(yàn)所采用的堤前波浪要素由大范圍數(shù)學(xué)模型推算得出，見(jiàn)表1。其中，50 a一遇的波要素主要用于驗(yàn)算防波堤結(jié)構(gòu)，即其自身穩(wěn)定，而波浪掩護(hù)效果主要通過(guò)7～8級(jí)風(fēng)(10 min平均風(fēng)速)作用下的波況進(jìn)行分析。斷面物理模型試驗(yàn)采用正向波浪，數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)和整體物理模型試驗(yàn)對(duì)正向、斜向浪均進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 模型試驗(yàn)防波堤前沿波浪要素

3.2 斷面物理模型試驗(yàn)

由于密排樁間隙較小，斷面試驗(yàn)[16-17]比尺適當(dāng)取大為1:30～1:20，試驗(yàn)包括純樁基情況和樁基防波堤與碼頭結(jié)構(gòu)相結(jié)合情況，其中又包含密排樁有無(wú)肋板、樁基防波堤與碼頭結(jié)構(gòu)是否相連等不同方案。主要試驗(yàn)組次的透射系數(shù)Kt見(jiàn)表2，對(duì)該系列試驗(yàn)結(jié)果可歸納總結(jié)為：

表2 斷面模型試驗(yàn)波浪透射系數(shù)Kt

1)密排圓樁(η=0.024～0.111時(shí))在設(shè)計(jì)高水位情況下，受樁頂越浪影響，Kt介于0.52～0.64，總體較大。

2)密排圓樁在設(shè)計(jì)低水位情況下，越浪影響較小，Kt介于0.29～0.57，明顯隨透空率的減小而減小。

3)加入碼頭結(jié)構(gòu)后，受其上部結(jié)構(gòu)的擋浪作用，高水位時(shí)Kt降低至0.36。

4)樁側(cè)加肋板后，因防波堤的實(shí)際透空性下降，Kt進(jìn)一步降低，而通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁基防波堤與碼頭結(jié)構(gòu)不相連時(shí)，高水位時(shí)波浪仍可由樁頂與碼頭下部之間翻越，因此高水位時(shí)Kt仍明顯大于低水位。

5)采用帶肋板的錯(cuò)位密排樁，并與其所掩護(hù)的碼頭水工相結(jié)合，盡管增大了樁間凈距，但仍可將Kt控制在1/3左右，且高、低水位時(shí)的Kt相差不大。

6)加入上部結(jié)構(gòu)時(shí)，相同結(jié)構(gòu)方案下，高水位時(shí)Kt總體略小于低水位，該情況是由于高水位時(shí)上部結(jié)構(gòu)發(fā)揮了更大的擋浪效果；8級(jí)風(fēng)波況下Kt總體略小于7級(jí)風(fēng)，其原因可能是8級(jí)風(fēng)波陡稍大。

3.3 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)

上述樁基防波堤結(jié)構(gòu)與碼頭結(jié)構(gòu)相結(jié)合，碼頭水域位于防波堤后沿，其波浪條件受透射和繞射等綜合影響。為此，建立工程區(qū)的波浪數(shù)學(xué)模型[18]，并基于斷面試驗(yàn)情況，將透射因素在模型中進(jìn)行概化處理，推算不同波況影響下的港內(nèi)波高分布。

由于該防波堤平面位置、軸線方位主要由當(dāng)?shù)厮?、潮流?chǎng)及海床沖淤情況確定，波浪數(shù)學(xué)模型主要用于解決防波堤長(zhǎng)度和港內(nèi)泊穩(wěn)條件問(wèn)題。首先采用忽略波浪透射影響的模型，試驗(yàn)得出滿足特定波浪條件(該工程設(shè)置為8級(jí)風(fēng)波況下停泊區(qū)H4%≤0.6 m所需的防波堤長(zhǎng)度；然后加入波浪透射影響(正向浪按Kt=0.3進(jìn)行驗(yàn)證，其余浪向由模型自適應(yīng))，計(jì)算得出各主要波向下，7、8級(jí)風(fēng)疊加設(shè)計(jì)高水位時(shí)，傳播至內(nèi)側(cè)不同碼頭泊位的H4%分別介于0.4～0.8 m、0.5～1.0 m，基本可滿足工程使用需要。

3.4 整體物理模型試驗(yàn)

通過(guò)比尺1:60的整體物理模型試驗(yàn)[19]，進(jìn)一步研究其港內(nèi)波浪情況。其結(jié)果顯示：

1)針對(duì)密排樁與碼頭水工脫開(kāi)的結(jié)構(gòu)方案，相同樁間距情況下(該試驗(yàn)η=0.13)，有肋板情況相對(duì)無(wú)肋板時(shí)，Kt減小幅度可達(dá)15%～65%，正向、斜向浪之間差別不大，均有明顯效果。

2)上述結(jié)構(gòu)方案，各主要波向下，7、8級(jí)風(fēng)疊加設(shè)計(jì)高水位時(shí)，傳播至內(nèi)側(cè)碼頭泊位的H4%分別介于0.52～0.84 m、0.70～1.08 m(原文獻(xiàn)中采用有效波高Hs，本文換算至H4%)。

3)針對(duì)密排樁與碼頭水工相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，控制波向下，7、8級(jí)風(fēng)疊加設(shè)計(jì)高水位時(shí)，傳播至內(nèi)側(cè)碼頭泊位的H4%降低至0.44～0.68 m、0.52～0.85 m，內(nèi)外比波高K(整體試驗(yàn)包含不同波向，區(qū)別于正向透浪系數(shù)Kt)介于0.2～0.3。

4 消浪效果的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

在防波堤密排樁沉樁及部分上部結(jié)構(gòu)安裝施工完成后，在堤外、堤內(nèi)布置了2個(gè)臨時(shí)測(cè)波站W(wǎng)1、W2(圖3)，在寒潮期進(jìn)行了1個(gè)月的同步觀測(cè)(碼頭工程停工期，附近無(wú)船舶干擾)。測(cè)期環(huán)境風(fēng)力、波浪與模型試驗(yàn)條件基本屬同一量級(jí)，共有3次過(guò)程風(fēng)力(10 min平均風(fēng)速)達(dá)到7級(jí)，瞬時(shí)極大風(fēng)速均達(dá)8級(jí)以上，外側(cè)波向主要集中于ENE—NNW向，最大H1/10為2.28 m，內(nèi)側(cè)最大H1/10為0.69 m。測(cè)期風(fēng)速、波高過(guò)程線見(jiàn)圖4。

圖4 觀測(cè)期風(fēng)與波浪過(guò)程線

根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算堤內(nèi)外比波高K，得到統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下：

1)比波高K大部分在0.10～0.45，占總樣本的94%，其中0.1～0.3區(qū)間占50%左右。

2)比波高K與外側(cè)波高大小、波向的關(guān)系不明顯(圖5)。

圖5 實(shí)測(cè)同步外側(cè)、內(nèi)側(cè)波高相關(guān)分布

3)比波高K與外側(cè)波陡δ(=H1/10/L)的關(guān)系明顯，δ>0.05時(shí)，K≥0.3的累積頻率僅約10%，而δ<0.03時(shí)，K≥0.3的累積頻率達(dá)50%左右(圖6)，即波陡越大，防波堤的消浪效果越強(qiáng)(圖7)，該情況與前文所述研究成果相符。

圖6 不同波陡下比波高K累積頻率曲線

圖7 實(shí)測(cè)比波高K與波陡δ聯(lián)合頻率分布

4)比波高K與潮位的高低呈一定關(guān)系，對(duì)測(cè)期潮位按潮高保證率小于25%、25%～75%、大于75%劃分為高、中、低等，發(fā)現(xiàn)3種潮位下K≥0.3的累積頻率分別約為38%、22%、13%(圖8)，表明高潮位下的消浪效果較弱，該情況與模型試驗(yàn)情況存在差異。

圖8 不同潮位下比波高K累積頻率曲線

為分析上述實(shí)測(cè)與試驗(yàn)不符的現(xiàn)象原因，統(tǒng)計(jì)了波陡δ與潮位的關(guān)系見(jiàn)圖9，發(fā)現(xiàn)較低潮位時(shí)的波陡總體大于較高潮位時(shí)，該現(xiàn)象可解釋為何低潮位時(shí)的K較小。而前述模型試驗(yàn)各組次中給定的δ在高、低水位時(shí)差異不大(如8級(jí)風(fēng)正向浪對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)高、低水位的δ均為0.055)，該情況下，K的大小受δ以外的其他因素決定。

圖9 堤外實(shí)測(cè)波陡與潮位相關(guān)關(guān)系

5 結(jié)論

1)密排圓樁防波堤及利用上部擋板結(jié)構(gòu)消浪的樁基防波堤在工程中已得到一定應(yīng)用，對(duì)其消浪效果也形成了相關(guān)試驗(yàn)成果和經(jīng)驗(yàn)公式。

2)在深水大浪條件下，特別是消浪效果要求較高的工程中，常規(guī)樁基防波堤的適用性較差，為此設(shè)計(jì)提出了新型低透空率樁基防波堤。通過(guò)模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，驗(yàn)證了該新型防波堤的消浪效果：斷面模型試驗(yàn)在設(shè)計(jì)波況下，正向波浪投射系數(shù)Kt可控制在0.30～0.35；整體模型試驗(yàn)考慮了不同波向影響，對(duì)應(yīng)內(nèi)外比波高K可控制在0.2～0.3；實(shí)測(cè)環(huán)境下，外部H1/10≥0.6 m的序列中K≤0.3的頻率約占75%，K≤0.2約占55%，K與波陡大小呈反比關(guān)系，實(shí)測(cè)所得高潮位時(shí)段的波陡相對(duì)小于低潮位，相應(yīng)時(shí)段K值稍大。

3)在深水條件下，圓樁加側(cè)面肋板結(jié)構(gòu)的低透空率樁基防波堤的消浪效果可達(dá)到或超出采用擋板結(jié)構(gòu)的樁基防波堤在淺水條件下的水平，具有一定的可推廣性。限于客觀條件，未詳細(xì)對(duì)該類型結(jié)構(gòu)中主要參數(shù)(樁、肋板尺度及間距)對(duì)消浪效果的影響進(jìn)行控制變量試驗(yàn)，后續(xù)可進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。