徐 陽 ,聶家雯
1.中國港灣西部非洲區(qū)域公司,科特迪瓦 999063 KTDW
2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,廣東 廣州 510000
漁港防波堤工程位于西非沿海,瀕臨幾內(nèi)亞灣北側(cè)。新建防波堤為斜坡式拋石結(jié)構(gòu),典型防波堤護面規(guī)格隨著水深變化,包含1~3t、2~5t及3~6t等不同規(guī)格護面塊石。堤頂寬度3~4m,斜坡坡比1∶2。防波堤設(shè)計采用英標(biāo)BS6349,設(shè)計堤頂較窄,給機械交叉施工帶來一定困難。
風(fēng)浪有季節(jié)性,分旱季和雨季,11月中旬到次年4月中旬左右為旱季,其余為雨季。波向以S~SW為主,涌浪來自西南的大西洋,波高往往低于1m,但周期都較長,在10~16s。深水區(qū)涌浪波長為100~350m,平均波長為225m。防波堤典型斷面設(shè)計波浪要素如表1所示。
表1 典型斷面設(shè)計波浪要素
潮位特征值分布如表2所示,設(shè)計水位取+1.92m(LAT基面)。
表2 潮位特征值分布單位:m
考慮到工程合同中防波堤石料要求來自工程所在國當(dāng)?shù)厥瘓龅南拗萍肮こ淘靸r,在石料來源可行的情況下,拋石斜堤結(jié)構(gòu)作為防波堤設(shè)計首選,護面則采用相較于混凝土塊體更為經(jīng)濟的規(guī)格石。同時,為盡可能多地利用石場爆破所產(chǎn)生的石料級配,以防止過度爆破和材料浪費,在已知采石曲線的基礎(chǔ)上對防波堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。防波堤的頂標(biāo)高,要求在正常情況下,人員、車輛和港口設(shè)備能夠安全使用碼頭;在極端風(fēng)暴條件下,碼頭和防波堤禁止人員和車輛進入,但建筑物必須在設(shè)計年限50年下保存而沒有損壞。堤頂標(biāo)高由允許越浪量結(jié)合波浪破碎和不破碎的極端條件下的最保守的有效波高HS和平均波能周期Tm-1,0組合共同決定。堤身寬度取3~5倍護面塊石的中值粒徑,墊層及護面層厚度取2倍規(guī)格的石中值粒徑。防波堤越浪量要求小于70L/s·m[1]。
針對不同水深,防波堤護面塊石規(guī)格不同,從1~3t,2~5t到3~6t由小到大變化。以3~6t規(guī)格石作為護面的典型斷面為例,初始設(shè)計斷面如圖1所示。3~6t塊石中值粒徑為1.2m,堤頂寬度取4m。為減少塊石重量和增加抗滑穩(wěn)定性,坡度取1∶2,堤心石采用0~40kg。為避免沖刷,護面及堤心石之間采用兩層墊層石,規(guī)格分別為10~60kg及300~1000kg。
圖1 初始設(shè)計斷面
工程海域長期受長周期波作用,初始設(shè)計采用的0~40kg堤心料在推填后極易被涌浪沖刷帶走,無法高效穩(wěn)定形成堤心斷面。為保護堤心,需盡快完成墊層石拋填。頻繁的工序銜接和轉(zhuǎn)換不利于石料有序供應(yīng),增加了施工組織和現(xiàn)場管理的難度。除了堤心和墊層,原設(shè)計斷面中還包含2層墊層,設(shè)計層數(shù)過多,施工難度大且驗收煩瑣,導(dǎo)致長周期波影響下小規(guī)格石料暴露時間加長,一定程度上增加了施工風(fēng)險,造成施工效率低,使施工效益大打折扣。
初始設(shè)計雖然能有效利用石場爆破的石料,避免石料浪費,但工程所在國當(dāng)?shù)厥瘓霰颇芰Σ蛔?,且石料挑選效率低及挑選意愿不強,不利于石料的高效持續(xù)供應(yīng)。當(dāng)?shù)厥瘓鲋饕?jīng)營業(yè)務(wù)為生產(chǎn)級配碎石,未利用的石料可用于碎石生產(chǎn)。因此,對工程防波堤初始設(shè)計進行優(yōu)化,具有重要的現(xiàn)實和經(jīng)濟意義[2]。
斷面優(yōu)化需滿足兩個前提條件:(1)滿足合同及技術(shù)規(guī)格書中關(guān)于防波堤的倒濾、穩(wěn)定性等各項要求;(2)優(yōu)化后的斷面輪廓線需與原設(shè)計斷面保持一致,護面塊石規(guī)格保持不變,即防波堤堤頂高程、堤頂寬度和坡度等不變,以保證防波堤的使用功能。
根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,堤心石采用更易于生產(chǎn)和挑選的1~1000kg石料代替0~40kg石料,1~1000kg相較于0~40kg石料在長周期波作用下更穩(wěn)定,可為施工工序的銜接帶來更多時間上的富余,同時1~1000kg堤心石均勻系數(shù)需不小于3。級配包絡(luò)線如圖2所示,Coarser bound對應(yīng)粗顆粒邊界,F(xiàn)iner bound對應(yīng)細顆粒邊界。采用300~500kg石料代替2層墊層石(10~60kg石料、300~1000kg石料),可減少施工工序,300~500kg石料相較于300~1000kg石料更易拋理。
圖2 1~1000kg堤心料級配包絡(luò)線
長周期波在防波堤施工過程中對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成諸多不利影響,尤其是堤頭位置,易受長周期波作用而失穩(wěn)淘刷。因此,防波堤施工過程中匯總合理的施工組織及計劃尤為必要。
工程施工海域水深較淺,無法使用船舶進行海上拋填,防波堤施工通過長臂與短臂挖機配合作業(yè)進行。堤頂寬度不足以保證石料自卸車及挖機交叉通行作業(yè),推填過程中,需在港池側(cè)推填錯車平臺,保障作業(yè)正常進行??紤]到長周期波的不利影響,堤心石推填及海側(cè)墊層石拋填需在同一天完成,以保證堤心料不被波浪淘刷。在石料供應(yīng)充足的情況下,每20m作為一個施工段,堤心推填理坡后即報驗驗收,將海側(cè)墊層石拋理完成,并拋填護面塊體,保證已施工防波堤部分海側(cè)及堤頭的穩(wěn)定性[3]。
在該工程施工中常遇10~16s長周期波浪作用,不同于短周期的風(fēng)浪,具有較大能量的長周期波對施工過程中的防波堤的破壞力大,給防波堤施工帶來較大困擾。對此可根據(jù)如全球潮汐等軟件或相關(guān)網(wǎng)站預(yù)報的波浪和潮汐數(shù)據(jù),合理安排作業(yè)時間,及時調(diào)整當(dāng)日施工段長度,保證當(dāng)日完成防波堤防護工作,同時應(yīng)盡量避免在大潮高潮時間段進行防波堤堤心及墊層理坡作業(yè)。
對于受長周期波影響的防波堤工程,尤其是石料開采能力有限的非洲區(qū)域的工程,在不影響防波堤使用功能和結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計斷面優(yōu)化,合理地組織施工,可有效提高施工效率,縮短工期,減少施工費用,提升經(jīng)濟效益。文章結(jié)合工程實例,對長周期波作用下的防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化及施工管理經(jīng)驗進行了分析,對類似波況及區(qū)域的工程設(shè)計及施工具有一定的參考作用。