符家英，潘桓本，劉憲博

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司海南分公司，海南 ?？?570105)

近年來(lái)，隨著國(guó)家海洋局嚴(yán)控圍填海[1]，工程建設(shè)用海方式的需求不同，港口工程的結(jié)構(gòu)形式也日新月異，樁基透空式防波堤受到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著設(shè)計(jì)研究的不斷深入，透空式樁基結(jié)構(gòu)形式也在不斷發(fā)展、變化。帶擋浪板透空式防波堤是介于直立堤和無(wú)擋浪板透空式防波堤之間的一種新結(jié)構(gòu)形式，其防浪結(jié)構(gòu)安裝在樁基、梁板及持力層上，主要利用擋浪板抵擋外側(cè)波浪耗能的傳播以達(dá)到減小港內(nèi)波浪的目的。該結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)防波堤對(duì)港內(nèi)的掩護(hù)，又能實(shí)現(xiàn)水體交換，與傳統(tǒng)的實(shí)體防波堤結(jié)構(gòu)相比，它具有結(jié)構(gòu)單一、對(duì)環(huán)境影響小、景觀性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)透空式樁基擋浪板功效的研究較多[2]，但對(duì)擋浪板不同入水深度在透空式防波堤結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用研究很少，限制了該結(jié)構(gòu)形式在港口工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

如何采取有效技術(shù)措施確定合理的擋浪板入水深度是設(shè)計(jì)及科研單位關(guān)注的重要課題。本文依據(jù)行業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算擋浪板不同入水深度的透浪系數(shù)及結(jié)構(gòu)受力情況,同時(shí)結(jié)合三亞市天涯海角海上巴士碼頭工程模型試驗(yàn)的相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，得出擋浪板不同入水深度對(duì)結(jié)構(gòu)受力、港內(nèi)掩護(hù)效果、越浪量及波浪分布的影響，為類似工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

本工程位于三亞市天涯海角景區(qū)西側(cè)，與已建天嶺碼頭棧橋相鄰。防波堤兼碼頭呈L形布置，碼頭前沿線布置在自然水深-5～-4 m等深線附近，結(jié)構(gòu)采用帶擋浪板透空式樁基方案，外側(cè)為樁式結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為直立式碼頭結(jié)構(gòu)，碼頭面高程3.70 m，碼頭面寬16 m?？偲矫娌贾靡?jiàn)圖1，樁式防波堤結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2。

圖1 總平面布置(單位：m)

圖2 防波堤兼碼頭斷面(尺寸：mm；高程：m)

研究?jī)?nèi)容包括：1)碼頭外側(cè)擋浪板底高程分別按照-1.0、-2.0、-2.5、-3.0 m 計(jì)算分析港池內(nèi)的泊穩(wěn)情況；2)擋浪板底高程為-2.0和-3.0 m 條件下，測(cè)量擋浪板及墩臺(tái)受力；3)測(cè)量碼頭處的越浪量；4)本項(xiàng)目采用碼頭前沿波高H4%=0.5 m作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同擋浪板入水深度，研究其對(duì)碼頭作業(yè)時(shí)間的影響。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)波浪條件

采用三維局部整體試驗(yàn)及二維水槽斷面試驗(yàn)分別驗(yàn)證不同擋浪板入水深度下，港內(nèi)波穩(wěn)條件及擋浪板結(jié)構(gòu)受力情況。試驗(yàn)波浪條件根據(jù)前期數(shù)模相關(guān)研究成果，選取SSE、S、SSW向波浪，試驗(yàn)水深及波要素見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)水深及波浪要素

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所試驗(yàn)室進(jìn)行，三維波浪試驗(yàn)在寬12 m、長(zhǎng)53 m的水槽中進(jìn)行，按不規(guī)則波進(jìn)行。模型波高采用TK2008 型動(dòng)態(tài)波高測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行波高測(cè)量，采用攝像機(jī)記錄波面過(guò)程和上水、越浪等試驗(yàn)現(xiàn)象；二維水槽斷面采用波浪水槽主尺度長(zhǎng)為68 m、寬1 m、高1.5 m進(jìn)行不規(guī)則測(cè)試，模型波浪力采用2008型微型點(diǎn)壓力采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)采集波浪壓強(qiáng)并有相關(guān)處理功能，對(duì)采集到的點(diǎn)壓力進(jìn)行處理。

以上試驗(yàn)程序嚴(yán)格遵循《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[3]。

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

局部整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾靡?jiàn)圖3，二維水槽斷面受力傳感器布置見(jiàn)圖4，模型越浪量接觸測(cè)量布置見(jiàn)圖5，波高傳感器測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娌贾?/p>

圖4 二維水槽斷面受力傳感器布置(高程：m)

圖5 模型越浪量接觸測(cè)量布置(單位：m)

圖6 模型波高傳感器測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，擋浪板不同入水深度(底高程)對(duì)越浪量、波高分布及結(jié)構(gòu)受力的影響見(jiàn)表2～5。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知,入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小;隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，碼頭反射波浪面積增大，導(dǎo)致越浪量增加；不同擋浪板入水深度的作業(yè)損失時(shí)間隨深度的增加而減少；隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭結(jié)構(gòu)受力增大。

表2 擋浪板不同底高程的波高情況

續(xù)表2

表3 擋浪板不同底高程的越浪量情況

表4 擋浪板不同底高程的作業(yè)損失時(shí)間

表5 擋浪板不同入水深度的結(jié)構(gòu)斷面受力情況

3 理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 理論計(jì)算結(jié)果

3.1.1透浪系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)研究方案及內(nèi)容，采用JTS 154—2018《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中計(jì)算公式，即式(1)、(2)，得出擋浪板不同入水深度對(duì)透浪系數(shù)的影響，見(jiàn)表6?？芍?，隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，透浪系數(shù)逐漸減小。

(1)

(2)

式中：Kt為透浪系數(shù)；Ht為透射波高(m)；H為入射波高，取H1%；ξ為系數(shù)；L為波長(zhǎng)(m)；d為堤前水深；t0為擋浪板的入水深度。

表6 擋浪板不同入水深度的透浪系數(shù)變化情況

3.1.2結(jié)構(gòu)受力

根據(jù)擋浪板不同入水深度，高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)所受波浪力依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》計(jì)算離岸式高樁碼頭面板底部波浪浮托力，見(jiàn)式(3)～(9)，其結(jié)果見(jiàn)表7。

(3)

(4)

η1%/H1%≤0.7

(5)

(6)

(7)

pf=Kfp1%

(8)

(9)

表7 擋浪板不同底高程的理論計(jì)算受力情況

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果可知：透浪系數(shù)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相近，碼頭結(jié)構(gòu)受力理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)相差較大。

4 碼頭外側(cè)擋浪板入水深度對(duì)各因素的影響

4.1 波高分布

三亞市天涯海角海上巴士碼頭工程的數(shù)模結(jié)果[5]表明，物模試驗(yàn)[6]結(jié)果與數(shù)模計(jì)算結(jié)果整體上較為接近，當(dāng)來(lái)浪方向與碼頭走向夾角較大時(shí)，物模試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)模計(jì)算結(jié)果略小，這是由于此時(shí)波浪透過(guò)高樁碼頭下方的擋浪結(jié)構(gòu)和樁群結(jié)構(gòu)歷程變長(zhǎng)，擋浪效果更好，這一現(xiàn)象在物模試驗(yàn)中可以得到更真實(shí)反映。此外，設(shè)計(jì)高水位時(shí)，部分波浪經(jīng)由防波堤前擋板返回海側(cè)，部分波浪越過(guò)擋浪墻發(fā)生越浪；設(shè)計(jì)低水位時(shí)，大部分波浪從防波堤下方樁群間穿過(guò)，向堤后傳播。因此，防波堤后方泊位處的透射系數(shù)表現(xiàn)為設(shè)計(jì)低水位波浪作用時(shí)大于設(shè)計(jì)高水位波浪作用時(shí)。

4.2 碼頭后方泊位處波高

隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小。

4.3 越浪量影響

隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度的增加，越浪量有所增大。

4.4 對(duì)作業(yè)損失時(shí)間

作業(yè)損失時(shí)間隨著擋浪板入水深度的增加而減少。在物理模型試驗(yàn)結(jié)果中，碼頭作業(yè)損失時(shí)間比數(shù)學(xué)模型結(jié)果大。

4.5 結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析

極端高水位工況下，當(dāng)擋浪板底高程為-2.0 m且在重現(xiàn)期為100 a的波浪作用下，碼頭斷面最大水平力466.77 kN/m，最大浮托力365.49 kN/m；擋浪板底高程為-3.0 m 且在重現(xiàn)期為100 a的波浪作用下，碼頭斷面最大水平力為490.84 kN/m，最大浮托力328.14 kN/m。

5 結(jié)論

1)透浪系數(shù)的理論計(jì)算值與物理模型試驗(yàn)結(jié)果相近；碼頭結(jié)構(gòu)受力理論計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

2)帶擋浪板的防波堤碼頭結(jié)構(gòu)后方處的透浪系數(shù)表現(xiàn)為：設(shè)計(jì)低水位波浪作用大于設(shè)計(jì)高水位的波浪作用。

3)隨著碼頭外側(cè)擋浪板入水深度增加，碼頭后方泊位處波高有所減小且碼頭結(jié)構(gòu)所受水平力增大、越浪量增大、作業(yè)時(shí)間損失減小，對(duì)港內(nèi)掩護(hù)效果加強(qiáng)。

4)綜上所述，擋浪板入水深度的合理設(shè)計(jì)是整個(gè)透空式樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，決定工程實(shí)施后的成敗。