艾薩拉姆港防波堤平面結(jié)構(gòu)驗(yàn)證優(yōu)化試驗(yàn)研究

熊洪峰，許振東，欒英妮，胡杰龍，姜寧林

(1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430060)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們安全意識(shí)的提高，越來越多的港口工程通過三維整體物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證港口工程整體穩(wěn)定性，防波堤和護(hù)岸作為港口工程的重要防護(hù)措施，其造價(jià)和重要程度都相對較高，姜云鵬和周枝榮等[1-2]通過總結(jié)規(guī)范條款和具體工程案例說明了三維穩(wěn)定試驗(yàn)對港口工程設(shè)計(jì)和安全的重要性。一般先通過對工程海域的波浪、潮流、泥沙及地質(zhì)條件等進(jìn)行分析，再結(jié)合項(xiàng)目要求和工程目的進(jìn)行港口平面結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和優(yōu)化研究，楊會(huì)利、許欣[3-6]等通過物理模型試驗(yàn)和理論分析等手段對影響防波堤穩(wěn)定性的水動(dòng)力因素以及防波堤穩(wěn)定性對水動(dòng)力條件的敏感性進(jìn)行了深入研究；戈龍仔、劉海源和高峰[7-12]等結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際工程案例，通過三維物理模型試驗(yàn)探討了改善防波堤工程穩(wěn)定性的一系列工程措施。這些研究都為明確港口工程平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要關(guān)注的條件和需要解決的關(guān)鍵問題提供了基礎(chǔ)。

本文通過分析影響孟加拉國艾薩拉姆港港口平面布置的主要自然因素，結(jié)合電廠營運(yùn)需求，通過三維物理模型試驗(yàn)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并提出優(yōu)化方案以保證港口工程的安全，同時(shí)降低其工程造價(jià)，為艾薩拉姆港港口工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)。

1 工程概況

孟加拉國艾薩拉姆港 2×660 MW燃煤火力發(fā)電廠是孟加拉國最大的單容量火電機(jī)組和最大容量燃煤電廠，位于孟加拉灣東北海岸和孟加拉國東海岸。項(xiàng)目區(qū)毗鄰Kutubdia島東北部和Kutubdia水道，海底地形地貌復(fù)雜，從海岸線到深海水域，依次為緩坡淺灘、潮道、沙脊和深海，受河流沖擊影響，工程區(qū)水動(dòng)力和泥沙條件復(fù)雜。電站配套工程包括煤炭碼頭、臨時(shí)碼頭、進(jìn)港航道、排水管道等，為抵御復(fù)雜的水流泥沙條件保證港口工程安全，在港口區(qū)域布置南北兩條防波堤。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

本次研究目的是通過三維整體物理模型試驗(yàn)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，保證港口水域工作環(huán)境的安全性，主要對以下關(guān)鍵問題進(jìn)行試驗(yàn)：(1)防波堤和護(hù)岸的穩(wěn)定性；(2)防波堤越浪量測量。

3 主要影響因素

3.1 試驗(yàn)水位

在本次研究中，采用了五個(gè)試驗(yàn)水位(CD基面)：設(shè)計(jì)高水位+4.91 m、設(shè)計(jì)低水位+0.43 m、極端高水位+9.51 m、中高水位+6.7 m和與防波堤高程齊平的水位+8.3 m。

3.2 波浪

根據(jù)水文調(diào)查和波浪數(shù)值研究報(bào)告[13-15]，選擇南防波堤和北防波堤堤頭的波浪要素作為物理模型試驗(yàn)的波浪條件，如表1所示。波浪最不利方向?yàn)镾W、W和WNW向，選擇重現(xiàn)期為100 a和50 a的波浪進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證防波堤穩(wěn)定性及越浪量測量。

表1 試驗(yàn)波浪條件

3.3 試驗(yàn)比尺

根據(jù)試驗(yàn)范圍和場地，選擇試驗(yàn)比尺為70。

4 布置方案對比

4.1 設(shè)計(jì)方案

4.1.1 設(shè)計(jì)方案平面布置

該項(xiàng)目布置在一個(gè)垂直于海岸的封閉港池中，南防波堤長2 521 m，堤頭底高程-5.6 m，由長1 775 m的斜坡防波堤和長746 m的板樁防波堤組成，堤頭護(hù)面塊體為35 t的扭王字塊，向岸延伸段斜坡式結(jié)構(gòu)的護(hù)面塊體分別為30 t和20 t，垂直接近岸線段采用板樁結(jié)構(gòu)長度為746 m，其中帶斜撐和獨(dú)立的板樁防波堤長分別為420 m和326 m。防波堤頂部高程從堤頭的+8.3 m，經(jīng)+8.1 m、+7.7 m過渡至板樁防波堤+7.0 m。

北防波堤總長2 190 m，由長1 211 m的斜坡防波堤和長979 m的板樁防波堤組成，北堤堤頭的底高程為-3.5 m，堤頭護(hù)面為35 t 扭王字塊，向岸延伸段斜坡堤護(hù)面塊體分別為30 t和20 t，垂直接近岸線段采用板樁結(jié)構(gòu)長度為979 m，其中帶斜撐的和獨(dú)立板樁防波堤長度分別為270 m和709 m。防波堤頂高程由堤頭處+8.3 m，經(jīng)+8.1 m、+7.7 m過渡至板樁防波堤處+6.0 m。

航道開挖至-6.4 m，有2個(gè)6 000 DWT煤碼頭和1個(gè)1 200 DWT灰船碼頭，總長199 m，采用高樁結(jié)構(gòu)，頂標(biāo)高+12.60 m，碼頭前沿開挖至-6.4 m，引橋全長約490 m，頂標(biāo)高+(14.00～15.20)m。工程平面圖如圖1所示。南防波堤有6種斷面結(jié)構(gòu)，其中斜坡式4種、板樁式2種；北防波堤有6種斷面結(jié)構(gòu)，其中斜坡式4種、板樁式2種，每個(gè)截面的長度和主要參數(shù)如表2所示。

表2 防波堤分段參數(shù)

圖1 平面布置

4.1.2 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果

在SW向、W向和WNW向波浪條件下，完成了對設(shè)計(jì)方案防波堤穩(wěn)定性和越浪量等關(guān)鍵參數(shù)的測量。

(1)防波堤穩(wěn)定性試驗(yàn)。

①SW波向：在設(shè)計(jì)低水位，波浪重現(xiàn)期為100 a和50 a作用下，南堤堤頭K0+A段和北堤堤頭K1+A段，波浪在堤頭處破碎并形成強(qiáng)烈的破碎水流，護(hù)底塊石發(fā)生滾動(dòng)并被破碎水流帶到堤頭兩側(cè)，失去護(hù)底功能，堤頭處壓腳塊石和35 t的扭王字塊隨之發(fā)生滾動(dòng)，斷面失穩(wěn)；南防波堤K0+B段，護(hù)底塊石被破波水流帶走，堤腳塊石和扭王字塊在原位發(fā)生晃動(dòng)；南堤K0+C剖面中段為弧形段，在波浪作用下，護(hù)底塊石沿堤身滾動(dòng)失去護(hù)底功能，壓腳塊石和扭王字塊發(fā)生大片的滾落，斷面失穩(wěn)；防波堤其他位置結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定。

在設(shè)計(jì)高水位和極端高水位時(shí)，波浪重現(xiàn)期為100 a和50 a作用下，除已發(fā)生失穩(wěn)的部位外，其他位置均可以保持穩(wěn)定。

3-a 北堤堤頭K1+A段 3-b 南堤堤身K0+B段 3-c 南堤堤身K0+C段

②W和WNW波向：在所有工況條件下，南、北防波堤均保持穩(wěn)定。

(2)防波堤越浪量。

在SW波向設(shè)計(jì)低水位，波浪重現(xiàn)期50 a一遇和100 a一遇條件下，南北防波堤均無越浪現(xiàn)象出現(xiàn)。設(shè)計(jì)高水位，波浪重現(xiàn)期50 a一遇和100 a一遇條件下，南防波堤的漫頂范圍為S+000～S+488。

在W和WNW波向設(shè)計(jì)低水位和設(shè)計(jì)高水位，波浪重現(xiàn)期為50 a和100 a情況下，南防波堤和北防波堤段均無越浪。

4.2 優(yōu)化方案

4.2.1 堤頭優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計(jì)低水位和設(shè)計(jì)高水位50 a和100 a重現(xiàn)期的作用下，設(shè)計(jì)方案的南、北防波堤堤頭和南防波堤K0+B段不穩(wěn)定。因此，對不穩(wěn)定部分進(jìn)行了局部加固，共提出了四種優(yōu)化方案：

(1)優(yōu)化方案1：在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將堤頭處護(hù)底塊石的重量從400～800 kg增加到800～1 200 kg，護(hù)底塊石下鋪設(shè)土工布和土工格柵，在三維物理模型試驗(yàn)中僅對土工布進(jìn)行了模擬。

在設(shè)計(jì)低水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，護(hù)底塊石被波浪沖刷帶走后土工布露出并破壞，扭王字塊滾動(dòng)到堤頭兩側(cè)，導(dǎo)致北堤堤頭的失穩(wěn)。試驗(yàn)前后北堤堤頭如圖4所示。

4-a 試驗(yàn)前 4-b 試驗(yàn)后

(2)優(yōu)化方案2：在南、北防波堤堤頭處用35 t的扭王字塊替代設(shè)計(jì)方案中3～6 t的壓腳塊石，并將護(hù)底塊石的重量加大至800～1 200 kg，護(hù)底塊石的頂高程與海底持平。

在設(shè)計(jì)低水位和設(shè)計(jì)高水位、重現(xiàn)期為50 a和100 a的波浪作用下進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，北堤堤頭堤腳處的3塊35 t的扭王字塊發(fā)生滾動(dòng)，脫離堤身，但未造成北堤堤頭的破壞，判斷為臨界穩(wěn)定。南堤堤頭處塊體保持穩(wěn)定，南堤堤身K0+B段彎段部分堤腳處的塊體在波浪作用下發(fā)生晃動(dòng)，但未滾動(dòng)失穩(wěn)，判斷為臨界穩(wěn)定。北堤堤頭和南堤堤頭處試驗(yàn)前后對比如圖5和圖6所示。

5-a 試驗(yàn)前 5-b 試驗(yàn)后

(3)優(yōu)化方案3：在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，增加壓腳塊石的重量，將3～6 t塊石加大為6～10 t塊石，同時(shí)將壓腳塊石的防護(hù)范圍從3 m擴(kuò)大到5 m，護(hù)底塊石防護(hù)范圍從15 m擴(kuò)大到20 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，在各個(gè)工況條件下，優(yōu)化方案3防波堤斷面均保持穩(wěn)定，增大的防護(hù)范圍有效地抵抗了波浪破碎后水流的沖刷作用。

(4)優(yōu)化方案4：在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上將壓腳塊石替換為2塊4 t的扭王字塊，護(hù)底塊石范圍由15 m加寬至20 m。進(jìn)行設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下穩(wěn)定性試驗(yàn)，在波浪作用40 min后(原體值)，南堤堤頭處4 t的扭王字塊全部滾落，堤身35 t的扭王字塊失去底部支撐后也發(fā)生滾動(dòng)。北堤堤頭處現(xiàn)象相似，如圖7和圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化方案4穩(wěn)定性較差。

7-a 試驗(yàn)前 7-b 試驗(yàn)后

4.2.2 堤身優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)優(yōu)化降低工程造價(jià)角度出發(fā)，對北防波堤K1+D段和南防波堤K0+D段的護(hù)面塊體重量進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化方案如圖9所示。在北防波堤的N1、N2、N3和N4段，將設(shè)計(jì)中的20 t護(hù)面塊體優(yōu)化為8 t 塊體；南防波堤在S1、S2、S3和S4段，將設(shè)計(jì)中的20 t護(hù)面塊體優(yōu)化為8 t塊體。每段的起始位置和長度如表3所示。在設(shè)計(jì)低水位至極端高水位重現(xiàn)期50 a和100 a波浪作用后，南防波堤和北防波堤均保持穩(wěn)定。

圖9 防波堤堤身優(yōu)化方案

表3 優(yōu)化截面起始位置和長度信息

4.2.3 護(hù)底優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化方案的試驗(yàn)結(jié)果，在南防波堤K0+D段、北防波堤K1+D和K1+C段減小護(hù)底塊石的防護(hù)寬度，具體的優(yōu)化參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的護(hù)底塊石可以保持穩(wěn)定。

表4 護(hù)底塊石優(yōu)化參數(shù)

5 結(jié)論

通過三維整體穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)，在SW、W、WNW向入射波浪作用下，研究優(yōu)化孟加拉國艾薩拉姆港的平面布置及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，試驗(yàn)中針對防波堤各部位的穩(wěn)定性和越浪量等進(jìn)行了測量，并對設(shè)計(jì)方案的防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：(1)設(shè)計(jì)方案防波堤堤頭穩(wěn)定性較差，主要表現(xiàn)為在波浪破碎水流作用下，護(hù)底塊石失去護(hù)底功能后的破壞現(xiàn)象。針對不穩(wěn)定部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，將堤頭設(shè)計(jì)方案的3～6 t壓腳塊石加大至6～10 t，并增加護(hù)底塊石的重量至800～1 200 kg，同時(shí)增大防護(hù)范圍，試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案可以保持穩(wěn)定；(2)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，兼顧穩(wěn)定性的同時(shí)降低工程造價(jià)，縮短了南防波堤和北防波堤K0+D和K1+C、K1+D段護(hù)底塊石的寬度，對防波堤護(hù)面塊體的重量進(jìn)行了優(yōu)化，將南北防波堤K0+D和K1+D段的20 t扭王字塊體優(yōu)化為8 t，試驗(yàn)證明優(yōu)化方案穩(wěn)定性良好。