李增輝，徐 杰

（1、中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司 北京100027；2、中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

1 工程概況

某港口項(xiàng)目位于斯里蘭卡科倫坡市市中心，是一個(gè)無(wú)掩護(hù)條件下的大型圍海造地工程，項(xiàng)目通過(guò)吹填為城市建設(shè)提供用地，形成陸域總面積約為269公頃，地基處理以后交工標(biāo)高+4.0 m。整個(gè)陸域北側(cè)為現(xiàn)港口的防波堤，東側(cè)為現(xiàn)有市政道路，西側(cè)和南側(cè)由1道新建環(huán)式主防波堤和南北2 道攔砂潛堤、1 道新建護(hù)岸結(jié)構(gòu)連接在一起為整個(gè)新造陸地進(jìn)行掩護(hù)，目的是減少造陸用吹填砂流失以及減少波浪對(duì)吹填造地區(qū)的影響。西側(cè)防波堤布置在等深線約-20 m 處，南側(cè)防波堤基本垂直于等深線布置，防波堤總長(zhǎng)3 245 m。防波堤與陸域護(hù)岸間的水域在+0.0 m 水位時(shí)的水域?qū)挾燃s300 m。

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(hù)岸、游艇碼頭、運(yùn)河護(hù)岸等結(jié)構(gòu)［1］組成，其平面布置如圖1所示。

2 護(hù)岸功能和平面布置

游艇碼頭外護(hù)岸主要為后方游艇區(qū)域提供掩護(hù)，和外防波堤構(gòu)成防護(hù)體系以減少?gòu)哪峡谶M(jìn)入人工沙灘和運(yùn)河區(qū)域的波高，游艇碼頭外護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限按50年考慮。

圖1 項(xiàng)目平面布置Fig.1 General Layout

游艇碼頭外護(hù)岸從平面形態(tài)上可分為直線段、弧形段。其中直線段與高爾路直立式護(hù)岸相接；弧形段位于游艇碼頭南部，南部與攔沙堤相接，西部延伸至游艇碼頭口門附近。游艇外護(hù)岸總長(zhǎng)為980 m，其中直線段K0+000～K0+472.5 與海岸斜交，端部與高爾路相連，此段為直立式護(hù)岸；弧形段（K0+472.5～K0+980）受西南向浪正面影響，為了滿足EPC 文件對(duì)越浪的要求，該區(qū)域堤身采用寬肩臺(tái)斜坡堤結(jié)構(gòu)。

K0+472.5～K0+980 段游艇外護(hù)岸設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，其設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：①滿足結(jié)構(gòu)在100 年波浪下穩(wěn)定要求；②為了不影響后方土地價(jià)值，擋墻頂標(biāo)高不宜超過(guò)+5.0 m，在此條件下需滿足EPC 合同對(duì)越浪標(biāo)準(zhǔn)［2］的要求，即設(shè)計(jì)高水位下100 年一遇波浪下越浪量需小于50 L∕（s·m）；③采用砂堤心以盡量減少塊石用量，以解決市區(qū)塊石供應(yīng)的難題。

3 主要設(shè)計(jì)條件

該市所處海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象明顯。NHO Chart 101 海圖水深起算面為普通大潮低潮位（LWOST），該基面位于該國(guó)平均海平面以下0.42 m。依據(jù)本港SLPA 潮位實(shí)測(cè)資料，本海域NE 季風(fēng)期平均水位變化幅度比SW 季風(fēng)期要大0.2～0.3 m。平均高水位、低水位、設(shè)計(jì)高水位分別為0.7 m，0.1 m，1.2 m。

該市屬熱帶季風(fēng)氣候，海域風(fēng)浪常年存在，西南季風(fēng)期（5～9 月），西南方向風(fēng)浪較大；東北季風(fēng)期（12月至翌年2 月），風(fēng)浪與涌浪方向差別較大。根據(jù)3D物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的波浪結(jié)果，游艇外護(hù)岸的設(shè)計(jì)波高條件如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)波浪Tab.1 Design Wave Conditions

4 寬肩臺(tái)斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案

游艇碼頭外護(hù)岸受西南向浪正面作用，越浪量是護(hù)岸斷面擬定的最重要因素。而擋墻頂標(biāo)高受后方用地景觀限制不能高于+5.0 m，設(shè)置寬肩臺(tái)消浪結(jié)構(gòu)以減少越浪成為最為經(jīng)濟(jì)可行的選擇。

在一定條件下，寬肩臺(tái)的消浪效果是顯著的，而要使平臺(tái)達(dá)到最好的消浪效果，關(guān)鍵在于確定平臺(tái)的最佳高度和寬度［3，4］。參考國(guó)內(nèi)外的學(xué)者研究成果及《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 435-2008》［5］中復(fù)式斜坡堤建議范圍，初步設(shè)計(jì)修建消浪平臺(tái)的設(shè)計(jì)標(biāo)高為+1.5 m，處于設(shè)計(jì)高水位+1.2 m附近，平臺(tái)寬度15 m，取3倍設(shè)計(jì)波高4.7 m。肩臺(tái)上扭王字塊的穩(wěn)定重量則采用依據(jù)Hudson公式［6］初步擬定，并經(jīng)波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果最終確定。

式中：H 為有效波高；△為塊石于水的相對(duì)密度；Dn為護(hù)面塊石的中值粒徑；Ns為穩(wěn)定系數(shù)；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；α 為斜坡與水平面夾角。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 原設(shè)計(jì)方案護(hù)面塊體穩(wěn)定重量計(jì)算Tab.2 Stabilized Weight Calculation of Armour Concrete Unit of the Original Design

為減少塊石用量，游艇碼頭外護(hù)岸采用兩級(jí)棱體形成的拋沙堤心。消浪寬肩臺(tái)寬15 m，高程+1.5 m。護(hù)面采用10 t 扭王塊護(hù)面，厚2.1 m，墊層采用700～1 400 kg塊石，厚1.4 m，坡度為1∶1.5。上部擋浪墻采用C30現(xiàn)澆素混凝土結(jié)構(gòu)，底高程+0.9 m，頂高程+5.0 m，后方陸域回填最終標(biāo)高為+4.0 m，其原設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。

圖2 原設(shè)計(jì)斷面Fig.2 Section of Revetment of the Original Design

上述寬肩臺(tái)護(hù)岸斷面采用物模手段［7］對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和越浪進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明在各水位波浪連續(xù)作用6 h 后，特別在重現(xiàn)期200 年和重現(xiàn)期200+20%年波浪作用下，斷面各部分均保持穩(wěn)定；在高水位+100年一遇波浪時(shí)，最大越浪量為29.2 L∕（m·s），小于EPC中50 L∕（m·s）的要求，滿足合同和規(guī)范的相關(guān)要求。

5 優(yōu)化方案斷面

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，為加快外防波堤的施工進(jìn)度，在完成游艇碼頭外護(hù)岸下方回填砂和堤心石等一級(jí)棱體平臺(tái)的建設(shè)后，施工單位于其上修建了通往外防波堤的臨時(shí)通道，如圖3 所示，臨時(shí)通道頂高+2.0 m，寬15 m，臨時(shí)通道使用結(jié)束后再進(jìn)行護(hù)岸剩余結(jié)構(gòu)的施工。然而此時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果繼續(xù)按原設(shè)計(jì)斷面施工，需將臨時(shí)通道反挖至原墊層塊石底標(biāo)高-2.0 m。反挖部分全部位于水下，施工困難工序復(fù)雜且工程量巨大，影響項(xiàng)目工期。

圖3 施工通道位置Fig.3 Temporary Construction Access Location

為此，提出將消浪平臺(tái)從+1.5 m 抬高至+3.0 m 以減少水下反挖工作量以方便施工。針對(duì)肩臺(tái)抬高后對(duì)景觀的影響進(jìn)行評(píng)估并獲得業(yè)主同意。寬肩臺(tái)抬高到+3 m 后，波浪在15 m 寬肩臺(tái)上爬升過(guò)程中波浪能量得到大大削減［8，9］，不僅可以有效減少越浪量，還降低上部結(jié)構(gòu)所受的波浪作用力，這對(duì)塊石穩(wěn)定是有利的。

因此優(yōu)化方案中在消浪平臺(tái)最外側(cè)波浪作用最大區(qū)域設(shè)置了3 排扭王字塊，其余平臺(tái)以及以上區(qū)域考慮到肩臺(tái)消浪后有利作用，采用的2 000～3 000 kg的護(hù)面塊石結(jié)構(gòu)，而擋墻的頂標(biāo)高維持+5 m 不變，擬定的優(yōu)化斷面如圖4所示。

圖4 初步優(yōu)化斷面Fig.4 Section of Revetment of The Optimization Design

為了驗(yàn)證優(yōu)化斷面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及越浪量，采用波浪物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)表3）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果［10］，優(yōu)化斷面在100 年一遇波浪下的越浪量為28.72 L∕（m·s），基本與+1.5 m 肩臺(tái)的差別不大，滿足了越浪量的要求；但在200 年一遇波浪連續(xù)作用后，2～3 t 護(hù)面塊石的穩(wěn)定數(shù)Nod達(dá)到2.39，不滿足Nod＜2 的塊石穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

表3 上部采用2～3t護(hù)面塊石的波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of Physical Model Experiment with 2～3t Rock

表4 上部采用2～5t護(hù)面塊石的波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test Results of Physical Model Experiment with 2～5t Rock

針對(duì)表3 試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)游艇外護(hù)岸護(hù)面塊石穩(wěn)定重量進(jìn)行加大到2～5 t，并再次在物模試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)表4），物模結(jié)果顯示在200 年一遇波浪連續(xù)作用后，2～5 t大塊石穩(wěn)定數(shù)Nod為1.01，滿足了護(hù)面塊石Nod＜2的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化斷面獲得業(yè)主和咨工的批復(fù)。

6 結(jié)論

在滿足EPC 合同以及規(guī)范要求前提下，本文結(jié)合臨時(shí)施工通道和波浪物理模型試驗(yàn)結(jié)果，提出了抬升消浪平臺(tái)高程并優(yōu)化上部護(hù)面塊體的新方案，通過(guò)波浪物理模型試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及越浪量滿足要求。優(yōu)化方案滿足了現(xiàn)場(chǎng)快速施工的要求，避免水下塊石反挖工程量，節(jié)省了造價(jià)，可供其他類似工程項(xiàng)目參考。