隋建國(guó)，崔冠辰，李元音

（1.煙臺(tái)港集團(tuán)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

煙臺(tái)港西港區(qū)開(kāi)孔直立堤設(shè)計(jì)淺析

隋建國(guó)1，崔冠辰2，李元音2

（1.煙臺(tái)港集團(tuán)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

港口工程發(fā)展到今天，適合建港的岸線已經(jīng)越來(lái)越少，人們已經(jīng)不得不把結(jié)構(gòu)建在在自然條件相對(duì)惡劣的地區(qū)。作為類似工程的一個(gè)典型代表，煙臺(tái)西港二期防波堤建在10 m厚的軟粘土地基上，并且需要對(duì)抗周期9 s以上的波浪，本文對(duì)該工程直立堤段的設(shè)計(jì)參數(shù)選取和計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，希望能為類似工程的建設(shè)提供參考。

煙臺(tái)西港；開(kāi)孔直立堤；軟粘土地基；長(zhǎng)周期波浪

1 港區(qū)概況

煙臺(tái)西港區(qū)位于煙臺(tái)市西北35 km處龍洞嘴附近，遠(yuǎn)離市區(qū)，臨近經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，與蓬萊市接壤，-10 m以上深水岸線貼岸，水深條件良好。北部區(qū)域工程方案包括液體化工泊位、通用散貨泊位及礦石碼頭泊位等20余個(gè)泊位及修船設(shè)施和工作船碼頭等附屬設(shè)施，最終港域面積7.7 km2，航道水深-24.5 m。工程航道利用東側(cè)深槽，減少開(kāi)挖量。

煙臺(tái)西港區(qū)防波堤二期項(xiàng)目位于煙臺(tái)市西部的套子灣西側(cè)，地處煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)大季家東北海域，距煙臺(tái)芝罘港區(qū)約30 km，二期防波堤總長(zhǎng)3 912.11 m，其中直立堤段1 130.3 m，直立堤段設(shè)計(jì)水深-19.0 m。

2 工程自然條件

2.1 設(shè)計(jì)潮位

國(guó)家海洋局第一海洋研究所對(duì)煙臺(tái)套子灣西海岸海區(qū)建港條件進(jìn)行了調(diào)查和部分水文要素的短期觀測(cè)，并于1994年12月完成了《煙臺(tái)初旺灣—蘆洋灣自然環(huán)境調(diào)查報(bào)告》。潮位是利用初旺灣驗(yàn)潮站1987年3月4日～4月13日一個(gè)月的潮位資料和煙臺(tái)同步資料及煙臺(tái)1953～1994年長(zhǎng)期資料統(tǒng)計(jì)分析，用差比方法求得本工程海域的設(shè)計(jì)參數(shù)。

設(shè)計(jì)高水位2.46 m；設(shè)計(jì)低水位0.25 m；極端高水位3.56 m；極端低水位-0.95 m。

表1 無(wú)掩護(hù)時(shí)50年一遇波浪要素

表2 無(wú)掩護(hù)時(shí)10年一遇波浪要素

2.2 地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，直立式防波堤段鉆孔編號(hào)為F48～F59，其中F48～F53孔在防波堤軸線以北，F(xiàn)54～F59在防波堤軸線上，通過(guò)比較防波堤軸線上的各鉆孔柱狀圖可知F57孔所反映出來(lái)的地質(zhì)條件最差，故選取F57孔作為代表進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。土層分布見(jiàn)圖1。

從地質(zhì)剖面圖中不難看出，防波堤軸線所在處，從泥面向下10 m都是淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

根據(jù)各土層的力學(xué)指標(biāo)分析，這10 m厚的淤泥的快剪指標(biāo)都很低，很難在上面建重力式結(jié)構(gòu)。淤泥下面的粉質(zhì)粘土層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)在12擊左右，要想作為重力式結(jié)構(gòu)的持力層也需要進(jìn)行一定的處理。

圖1 工程地質(zhì)剖面

3 結(jié)構(gòu)方案

直立式防波堤段需要建在軟粘土上，地基的處理十分關(guān)鍵，由于表層的10 m淤泥的力學(xué)指標(biāo)過(guò)低，所以對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖換填處理。作為持力層的粉質(zhì)粘土的特點(diǎn)是在工程前期強(qiáng)度很低，但如果能讓其排水固結(jié)，其強(qiáng)度會(huì)有顯著增長(zhǎng)，故采取打排水板的方式讓其通過(guò)基床向上排水固結(jié)。為了讓粘土更好的固結(jié)，也為了防止地基失穩(wěn)，采用5.5 m厚的基床，并將基床在斷面方向向兩側(cè)延伸了20 m，以提供足夠的邊載。由于防波堤所處的海域波浪條件比較惡劣，波高達(dá)6.5 m，周期9.6 s，為了能讓防波堤對(duì)后方碼頭形成更好的掩護(hù)效果，決定采用開(kāi)孔式沉箱結(jié)構(gòu)，并在胸墻上設(shè)置消能腔。結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖2 直立堤開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)斷面

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

在煙臺(tái)西港區(qū)二期防波堤直立段的設(shè)計(jì)計(jì)算中有幾個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題：一是地基承載力和整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的參數(shù)選取，二是波浪力的處理，三是胸墻的穩(wěn)定，四是開(kāi)孔墻的配筋計(jì)算。下面對(duì)這四個(gè)問(wèn)題在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中的解決方式進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

4.1 地基承載力和整體穩(wěn)定計(jì)算

作為持力層的粘土的特點(diǎn)是施工前期強(qiáng)度低而后期隨著固結(jié)的逐漸進(jìn)行，強(qiáng)度將有顯著的增長(zhǎng)，所以施工前期地基發(fā)生失穩(wěn)的可能性較大，而后期由于荷載較大，整體穩(wěn)定將上升為主要因素，故本次設(shè)計(jì)中將地基承載力作為施工期的控制因素，而把結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定作為使用期的控制因素。

在地基承載力計(jì)算過(guò)程中，考慮了由于打排水板，地基土在基床重量的作用下固結(jié)而產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng)。地基承載力的參數(shù)選取如下：土體內(nèi)摩擦角φ值均取為0.1°，c值在有十字板的深度上使用十字板的各鉆孔均值，實(shí)際操作中由于各鉆孔獲得十字板強(qiáng)度的深度不同，所以用各鉆孔的十字板數(shù)據(jù)插值得到同一高程處的十字板強(qiáng)度，再將各鉆孔插值得到的相同高程的十字板強(qiáng)度取平均值作為該高程處的c值。在沒(méi)有測(cè)十字板強(qiáng)度的深度上，首先使用固快的c和φ計(jì)算所有土層的ci+Σγihitanφi，包括有十字板強(qiáng)度的土層，然后將十字板強(qiáng)度和ci+Σγihitanφi按高程繪制在同一張圖上，用一個(gè)系數(shù)k去修正ci+Σγihitanφi值，使之在有十字板強(qiáng)度的高程上能盡量接近十字板強(qiáng)度曲線，由于粘土有結(jié)構(gòu)性，所以這個(gè)修正系數(shù)k很可能會(huì)大于1。若基床厚hb，容重γb，認(rèn)為各個(gè)土層在基床自重作用下若完全固結(jié)所增加的強(qiáng)度為 hbγbtanφi，粘土在基床自重作用下施工期的固結(jié)度取 80 %（理論計(jì)算顯示60天時(shí)間足以讓排水板貫穿的各層達(dá)到90 %以上的固結(jié)度，由于未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，在實(shí)際計(jì)算中只使用了80 %），所以增加的強(qiáng)度為0.8hbγbtanφi，最后將0.8hbγbtanφi加到各層的k×(ci+Σγihitanφi)或插值得到的十字板強(qiáng)度上作為該層的c值。

在整體圓弧穩(wěn)定的計(jì)算過(guò)程中分別使用快剪指標(biāo)、十字板指標(biāo)和三軸指標(biāo)三類指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，取穩(wěn)定性最差者。計(jì)算過(guò)程考慮固結(jié)而產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng)，同時(shí)還考慮了波浪力的傾覆作用和土工格柵的穩(wěn)定作用，波浪和土工格柵的考慮方式如下：首先計(jì)算不計(jì)波浪力和土工格柵作用時(shí)圓弧的圓心（x，y），半徑R，穩(wěn)定力矩MR和滑動(dòng)力矩MO，計(jì)算出波浪力合力FW和合力作用點(diǎn)（xw，yw）。

認(rèn)為土工格柵發(fā)揮的拉力為100 kN/m（試驗(yàn)測(cè)定土工格柵能提供的最大拉力為300 kN/m），則考慮波浪的滑動(dòng)矩為：

考慮了土工格柵的穩(wěn)定矩為：

計(jì)入波浪力和土工格柵的穩(wěn)定系數(shù)：

4.2 波浪力的處理和胸墻穩(wěn)定

由于沉箱本身開(kāi)孔，所以首先前墻承受的波浪力和實(shí)體直立墻不同，其次是波浪會(huì)進(jìn)入沉箱，對(duì)各個(gè)墻都會(huì)產(chǎn)生作用，包括胸墻?？紤]到在這樣一個(gè)相對(duì)封閉的空間里波浪的反射疊加會(huì)非常復(fù)雜，故在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)波浪力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，為構(gòu)件的配筋計(jì)算和胸墻穩(wěn)定提供指導(dǎo)性依據(jù)。

物理模型試驗(yàn)由交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院負(fù)責(zé)開(kāi)展，如圖3所示為試驗(yàn)過(guò)程中波浪力測(cè)點(diǎn)在沉箱各面墻及胸墻上的分布情況。試驗(yàn)對(duì)比了沉箱開(kāi)孔與不開(kāi)孔時(shí)前墻承受的波浪力情況，并測(cè)定了沉箱開(kāi)孔情況下胸墻底承受的波浪力。

圖3 壓力測(cè)點(diǎn)布置

表4和表5為試驗(yàn)測(cè)定的沉箱開(kāi)孔和不開(kāi)孔時(shí)各墻承受的波浪力，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，前墻承受的波浪力開(kāi)孔時(shí)小于不開(kāi)孔時(shí)，內(nèi)部各墻承受的波浪力與前墻大致在一個(gè)水平上?；诎踩紤]，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)波浪力做如下處理：

1）沉箱前墻開(kāi)孔段（高程1.8～-3.8 m）的波浪力乘以 0.8，以模擬前墻開(kāi)孔段可削減部分波浪力的情況?？紤]波浪在沉箱內(nèi)的反射比較復(fù)雜，內(nèi)部各墻承受的波浪力均按實(shí)體墻承受全部波浪力計(jì)算；

2）根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 154-1-2011）附錄G削角直立堤波壓力計(jì)算一章，考慮胸墻削角高度段（高程7.5～4.0 m）的波浪力斜壓向防波堤產(chǎn)生的效果。以物理模型試驗(yàn)的結(jié)果作為依據(jù)，計(jì)算胸墻在波浪浮托力和自重作用下的穩(wěn)定情況。

表4 開(kāi)孔沉箱單延米最大水平力對(duì)應(yīng)各面受力情況

表5 不開(kāi)孔沉箱單延米最大水平力對(duì)應(yīng)各面受力結(jié)果

4.3 開(kāi)孔墻的配筋計(jì)算

1）配筋計(jì)算方法

圖4 前墻開(kāi)孔示意

前墻開(kāi)孔示意如圖4，由于-6.25 m以上部分開(kāi)有三排孔，所以該部分的計(jì)算方法與常規(guī)沉箱有所不同。

前墻配筋時(shí)仍然遵循1.5L以上和1.5L以下采用不同的計(jì)算模式的規(guī)定，沉箱倉(cāng)格縱向跨度L按4.4 m計(jì)，則1.5L=6.6 m，底板頂面高程-12.85 m，所以計(jì)算模式以高程-6.25 m為界區(qū)分。-6.25 m以下部分仍按三邊固定一邊簡(jiǎn)支的板計(jì)算內(nèi)力。

按著計(jì)算模式的不同，把開(kāi)孔區(qū)域分為①～⑧八個(gè)區(qū)域，其中①～③按單寬懸臂梁計(jì)算，荷載取懸臂梁所在高程段的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)處荷載的平均值q，則懸臂梁根部彎矩為：

④～⑦按兩端固定的單寬梁計(jì)算，荷載除考慮梁所在高程段的荷載平均值q1外，還應(yīng)考慮上下兩側(cè)的懸臂梁傳遞過(guò)來(lái)的荷載q2，懸臂梁傳遞過(guò)來(lái)的荷載的計(jì)算如圖5。對(duì)于梁所在高程段的荷載q1在跨中和支座處產(chǎn)生的彎矩分別用式（5）、（6）計(jì)算：

對(duì)于上下兩側(cè)懸臂梁傳遞過(guò)來(lái)的荷載 q2在跨中和支座處產(chǎn)生的彎矩分別用式（7）、（8）計(jì)算：

式（7）、（8）中的a值意義如圖5所示。最后將對(duì)應(yīng)的彎矩相加計(jì)算配筋。

圖5 懸臂梁傳遞的荷載示意

⑧區(qū)域按多跨連續(xù)梁計(jì)算。值得注意的是④區(qū)只需考慮下側(cè)的懸臂梁荷載，⑦區(qū)只需上側(cè)懸臂梁傳遞過(guò)來(lái)的荷載，而⑧區(qū)不再考慮⑦區(qū)的荷載傳遞，只需考慮所在高程段的荷載即可。

2）計(jì)算方法可行性

根據(jù)JTS 167-2-2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第 5.4.7條，有條件時(shí)開(kāi)孔沉箱可按空間問(wèn)題采用數(shù)值分析方法計(jì)算。為了保證本次計(jì)算使用的方法滿足使用要求，使用大型通用有限元分析軟件 Abaqus對(duì)前墻進(jìn)行計(jì)算，以單跨前墻由里向外的力所產(chǎn)生的彎矩為代表進(jìn)行數(shù)值分析。

前墻模型按實(shí)際尺寸建模，長(zhǎng) 4.1 m，高15.85 m，在相應(yīng)的位置開(kāi)了三個(gè)孔。前墻材質(zhì)采用C30混凝土，彈性模量3×104MPa，泊松比0.2。圖6中左圖為數(shù)值模擬所使用的前墻模型，從底邊向上7.55 m部分墻厚400 mm，其余部分墻厚600 mm。前墻承受的由里向外的力為波吸力（極端高水位）和儲(chǔ)倉(cāng)壓力，右圖即為波吸力和儲(chǔ)倉(cāng)壓力的疊加，并已考慮了各自的分項(xiàng)系數(shù)，為設(shè)計(jì)荷載。邊界條件除頂邊為自由邊外均為固定邊。

圖6 Abaqus中使用的計(jì)算模型

圖7 前墻橫向配筋彎矩示意

圖8 前墻縱向配筋彎矩示意

圖7和圖8為數(shù)值分析得到的前墻彎矩分布。在開(kāi)孔高程段和不開(kāi)孔的高程段各選擇兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如。從對(duì)比結(jié)果中不難看出，本次配筋計(jì)算采用的方法完全滿足使用要求。

表6 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

對(duì)于建在軟粘土地基上的開(kāi)孔直立堤結(jié)構(gòu)，本文選擇性論述了實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中值得注意的幾個(gè)問(wèn)題，并針對(duì)煙臺(tái)防波堤二期工程的特點(diǎn)給出了解決方案，希望能為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]JTS 154-1-2011 防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2]JTS 167-2-2009 重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3]JTS 144-1-2010 港口工程荷載規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2010.

[4]JTS 151-2011 水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

Design of Vertical Breakwater of Perforated Caisson at Yantai Port Western Harbor

Sui Jianguo1,Cui Guanchen2,Li Yuanyin2
(1.Yantai Port Group Co.,Ltd.,Yantai Shandong 264000,China; 2.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

With the development of port engineering,it is much harder to find appropriate coastline for the construction of port now.Thus maritime structures have to be built in the area where severe natural conditions exist.As a typical project,breakwater phase-2 project at Yantai port western harbor was constructed on 10m thick soft clay foundation,furthermore,the structure was designed to resist the wave occurring repeatedly in the period of 9 seconds or more.A brief introduction is made to the calculation method and the determination of design parameters of the vertical breakwater.The research results may serve as a reference for similar projects.

Yantai port western harbor; vertical breakwater of perforated caisson; soft clay foundation; long period wave

U656.2+2

：A

：1004-9592（2016）06-0036-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160609

2016-07-15

隋建國(guó)（1979-），男，工程師，主要從事港口水工設(shè)計(jì)工作。