夏曉露，馮宇子，陳 松

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

科倫坡港口城項目為填海造地項目，位于斯里蘭卡西海岸，項目主要施工內(nèi)容為水工結(jié)構(gòu)（含防波堤及護岸等）的水上拋填及陸上推填作業(yè)，工程海域常年處于印度洋長周期強涌浪動力環(huán)境下，涌浪周期8～20 s之間，在每年的5月至9月受西南季風(fēng)影響，涌浪波高2～4 m，常態(tài)涌浪2.5 m，防波堤等水工結(jié)構(gòu)需停工和防護。

受蘭卡石料市場供應(yīng)影響，季風(fēng)期來臨前項目大規(guī)格石料（1～3 t及以上）備料有限，難以滿足水工結(jié)構(gòu)臨時防護的需要。因而，如何更加安全，經(jīng)濟及實際的利用好現(xiàn)有石料或扭王塊進行臨時防護結(jié)構(gòu)的施工是本文的研究重點。

本文在荷蘭專業(yè)的設(shè)計咨詢機構(gòu)CDR（Coasts Deltas and Rivers）出具的工程海域波浪數(shù)模結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際，采用國際上公認(rèn)的、比規(guī)范中更加詳細的、包含石料的特性、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及物理模型應(yīng)考慮的一系列參數(shù)等于一體的行業(yè)手冊 Rock manual（巖石手冊）中關(guān)于斜坡堤護面塊體（塊石和扭王塊）重度計算公式（Van der Meer公式和 Hudson公式），計算出合理的防護塊體選型。

1 概 況

1.1 波浪條件

工程海域大浪的方向主要為W，SW，WSW。此外，根據(jù)近 20年的波浪資料及數(shù)值模擬分析，季風(fēng)期間工程海域的波浪周期一般為9～11 s之間，本文中采用的波浪周期為平均周期10 s。

考慮到經(jīng)濟與實用性，為應(yīng)對施工期間一個季風(fēng)期的臨時防護，保守起見，采用5年一遇的設(shè)計波浪要素。

1.2 已施工結(jié)構(gòu)平面布置

在季風(fēng)期來臨前，現(xiàn)場已施工區(qū)域如圖1所示。在季風(fēng)期來臨前將陸上已施工區(qū)域分為4個區(qū)，詳見表1。

圖1 施工海域現(xiàn)狀及形象

表1 各區(qū)域劃分及施工情況

攔沙壩施工典型斷面如圖2所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果上述四個區(qū)域各個方向的波浪條件（5年一遇）如圖3所示。

圖2 區(qū)域3攔沙壩典型施工斷面

圖3 各區(qū)域各方向有效波高曲線

對比施工平面圖及各個區(qū)域各方向的浪高條件，綜合得到用于計算的設(shè)計有效波高及方向如表2所示。

表2 各區(qū)域波浪條件匯總

2 計算理論選擇

Rock manual中關(guān)于護面塊體重量的計算公式包括：Hudson及Van der Meer公式（具體公式見下文）。其中Hudson根據(jù)射流理論，計算護面塊體的穩(wěn)定性，其公式簡單，需要考慮的因素較少，因而被廣泛應(yīng)用，但其公式是根據(jù)規(guī)則波試驗得出的，且不太適用于坡度很陡和很平緩的情況，其穩(wěn)定系數(shù)的取值也有待進一步確定；而Van der Meer公式是在 Hudson公式的基礎(chǔ)上，將一次大浪的持續(xù)時間、波浪的周期、結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)和破壞等級等相關(guān)參數(shù)考慮在內(nèi)，通過大量的模型試驗結(jié)合Thompson和Shuttler的研究得出的。該公式適用于深水結(jié)構(gòu)（h＞3Hs-toe）斜坡護面塊石的穩(wěn)定性計算，對塊石的應(yīng)用優(yōu)于 Hudson公式。但該公式是經(jīng)驗性的，且對護面塊體的研究不比 Hudson有改進，英標(biāo)中特別說明該公式不能超過試驗條件應(yīng)用；目前，該公式普遍被應(yīng)用于天然塊石的穩(wěn)定性計算。

國內(nèi)防波堤設(shè)計與施工規(guī)范（JTS 154-1-2011第 4.2.4節(jié)）中斜坡堤護面塊體的重量計算公式為Hudson公式的演變公式。針對護面塊石的穩(wěn)定性計算，國標(biāo)中的公式同Hudson公式一樣不如Van der Meer更有針對性；而針對護面塊體（扭王塊）的重度計算，其穩(wěn)定系數(shù)的取值比 Hudson公式中的系數(shù)大，從而導(dǎo)致其計算出來的護面塊體重量比Hudson公式的小；而物模結(jié)果顯示國標(biāo)計算出來的護面塊體重量不能滿足穩(wěn)定要求，一般需要在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上放大一定的安全系數(shù)后才能滿足要求，相比之下 Hudson公式更適合運用在護面扭王塊的穩(wěn)定性計算中。

因而，本文中選擇Van der Meer公式計算護面塊體的計算，Hudson公式用于計算扭王塊的穩(wěn)定性計算，具體如下文所示。

2.1 護面塊石計算

Rock manual中Van der Meer關(guān)于護面塊石重量計算的經(jīng)驗公式如下：

當(dāng)波浪條件為卷破波（ξm＜ξcr）計算公式（Rock manual-5.136）如下：

當(dāng)波浪條件為激破波時（ξm＞ξcr）計算公式（Rock manual--5.137）如下：

式中：N為波浪的次數(shù)，與一次波浪潮持續(xù)的時間及波浪周期有關(guān)，根據(jù)此前的觀測資料，季風(fēng)期間一次大浪持續(xù)的時間不超過 6 h，根據(jù)波浪平均周期計算得N=2 634次；HS為有效波高，各區(qū)域見表2；mξ為碎波相似參數(shù)，與平均的波浪周期Tm相關(guān)，，根據(jù)觀測資料Tm=0.82Tp；α為結(jié)構(gòu)的角度；Δ為塊體的浮重度，海水中塊石為1.59 t/m3；P為結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)，在0.1～0.6之間，根據(jù)Rock manual，結(jié)合現(xiàn)場實際，P取0.4；cpl、cs為結(jié)構(gòu)經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)Rock manual表5.25平均取值分別為6.2、1；Sd為可接受的破壞等級，根據(jù)Rock manual推薦的破壞等級取值系數(shù)表取值。

判定波浪條件的另一個參數(shù)計算公式為：

公式適用于結(jié)構(gòu)一段時間內(nèi)僅受一次大浪襲擊的情況，當(dāng)計算期間有多個大浪疊加襲擊結(jié)構(gòu)時，計算更為復(fù)雜，此處不考慮；另，當(dāng)坡度緩于1：4時，應(yīng)使用公式Rock manual-5.136。

另考慮到波浪的斜向入射問題，Van Gent（2014）分析認(rèn)為當(dāng)波浪斜向入射時，防護塊石的重量可以降低，并給出了斜向入射波條件下，護面塊體穩(wěn)定性計算的折減系數(shù)γB計算公式，其中β為入射波峰線與推填的軸線夾角：

2.2 護面塊體（扭王塊）計算

Hudson公式適用于單層混凝土護面塊體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算，需要說明的是當(dāng)結(jié)構(gòu)的坡度太緩時，部分混凝土護面塊體穩(wěn)定性將降低，上述公式并未考慮在內(nèi)；另KD的取值更匹配于1：1.33的坡度，當(dāng)坡度緩于1：2時，建議采用更小的安全系數(shù)。計算公式如下：

式中：Δ為塊體的浮重度，海水中扭王塊為1.3 t/m3；Dn為塊體的理論直徑；KD為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，Rock manual中的堤身的經(jīng)驗系數(shù)為15，堤頭的經(jīng)驗系數(shù)是11.5。

2.3 墊層塊石的選擇

根據(jù)Rock manual中的墊層塊石的取值表，當(dāng)護面塊體為扭王塊時，墊層塊石應(yīng)重量應(yīng)為扭王塊重量的 0.07～0.14之間；當(dāng)護面塊體為塊石時，墊層塊石的重量應(yīng)在護面塊石重量的0.05～0.15之間。

3 防護塊體計算及選型

3.1 防護結(jié)構(gòu)的計算

防波堤及護岸設(shè)計坡比一般為1：1.5和1：1.33，綜合考慮坡度對護面塊石大小及工程量的影響（坡度越緩，需要的防護塊石越小，但需要的塊石量也越大），推填時理坡控制為 1：1.5，給定護面塊體的破壞等級Sd=2，給定波浪平均周期10 s，代入上述的系數(shù)。護岸470～770海側(cè)部分區(qū)域，防波堤海側(cè)使用永久結(jié)構(gòu)防護；護岸岸側(cè)均已回填砂，無需額外防護。

計算得出各個區(qū)域的防護塊石需求如表3。

從表3可以看出季風(fēng)期見結(jié)構(gòu)不安全區(qū)域分別為：防波堤岸側(cè)及堤頭，攔沙壩海側(cè)/岸側(cè)及游艇碼頭護岸770～880區(qū)域。上述區(qū)域防護所需的石料規(guī)格過大，石料來源難以滿足要求。

表3 防護塊石重量計算1

對于上述區(qū)域，擬采取如下兩種方式進行防護：

1）將坡度減緩到1：2，安放兩層防護塊石，給定可接受的Sd=3。

調(diào)整后上述區(qū)域防護塊石需求如表4。

表4 防護塊石重量計算2

由于防波堤堤頭位置水流運動復(fù)雜，規(guī)范中特別說明Van der Meer公式應(yīng)用在堤頭時計算出來的石料重量可能難以滿足防護要求，需要加大石料規(guī)格，因而堤頭處擬考慮其他方式防護；

2）使用扭王塊進行防護

采用 1：1.5坡度，根據(jù)扭王塊重度計算公式，扭王塊需求重量如表5所示。

表5 扭王塊重量計算

3.2 防護結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)上節(jié)中的計算，上述結(jié)構(gòu)中已確定了的部位的防護結(jié)構(gòu)為：

1）護岸 400～470 區(qū)域采用 1：1.5 坡度，1～3 t塊石防護；

2）防波堤堤頭，采用扭王塊防護，現(xiàn)場可使用的最小的扭王塊為10 t。

其余結(jié)構(gòu)可供選擇的方案及需要的材料如表6。

表6 各區(qū)域防護結(jié)構(gòu)及塊體布置

若考慮全部用石料進行防護，則累計需要的石料組合如下：

1）4 245 m3（2～5 t）+4 383 m3（2～3 t）；

2）1 722 m3（2～5 t）+7 513 m3（2～3 t）。

現(xiàn)場可使用的石料如下：

1）2～5 t累計進場 14 000 m3，其中 8 700 m3需用于350 m防波堤永久結(jié)構(gòu)施工，約4 300 m3可用于臨時防護；

2）1～3 t和 2～3 t塊石累計進場約 6 萬 m3，扣除已施工的石料及計劃用于永久結(jié)構(gòu)施工的石料，可用于臨時防護的石料約3 000 m3；

考慮到現(xiàn)場可使用的石料不足，部分區(qū)域需考慮使用10 t扭王塊進行防護；結(jié)合結(jié)構(gòu)的受浪情況，考慮將扭王塊使用在臨近防波堤堤頭及結(jié)構(gòu)的岸側(cè)區(qū)域；綜合對比分析后，現(xiàn)場各個區(qū)域防護方式，塊體重量及墊層塊石重量選擇如表7。

表7 各區(qū)域防護結(jié)構(gòu)及塊體布置

攔沙壩區(qū)域防護斷面如圖5所示。

圖5 攔沙壩區(qū)域防護斷面

3.3 主要結(jié)論

1）防護塊石的選擇跟防護的坡度有關(guān)，可通過降緩結(jié)構(gòu)的坡度來降低防護塊石的重量；

2）防護塊石的重量同波浪的周期有關(guān)，波浪周期越長，防護塊石需要的重量越大；

3）防護塊石的重量與入射波的角度相關(guān)，當(dāng)波浪正向入射時，需要的塊石重量最大；當(dāng)涌浪平行入射時，需要的塊石重量最小；

4）相對于Rock manual中的護面塊體穩(wěn)定性計算，運用國標(biāo)防波堤設(shè)計與施工規(guī)范（JTS 154-1-2011）中的公式計算出來的塊體重量比Hudson公式計算出來的小，結(jié)構(gòu)安全保障系數(shù)較Hudson公式低；

5）Rock manual中的Van der Meer公式更適用于護面塊石的計算，而 Hudson公式更適用于計算扭王塊的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文根據(jù) Rock manual中護面塊體的計算公式，利用咨詢機構(gòu)提供的工程現(xiàn)場設(shè)計波浪要素，結(jié)合現(xiàn)場石料供應(yīng)實際情況，分析出季風(fēng)期工程項目各個部位的護面塊體重量及應(yīng)采取的合適防護措施（如減緩坡度，采取扭王塊防護等）。本文的研究計算對其他類似工程結(jié)構(gòu)防護工作具有一定的指導(dǎo)借鑒意義。