路衛(wèi)衛(wèi),張 軍,宋蘭芳,覃 杰,陳良志
(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510290)
浮式防波堤一般包括浮箱式浮式防波堤、浮筏式防波堤和其他類型防波堤[1]。浮式防波堤固定形式主要包括導(dǎo)樁式和錨鏈?zhǔn)絻煞N。
關(guān)于浮式防波堤的研究,一般側(cè)重于透射系數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的研究。透射系數(shù)可采用理論推導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬3種方法。其中數(shù)值模擬主要采用Fluent[2]、Ansys AQWA[3]、Flow 3D[4]等軟件;結(jié)構(gòu)形式研究,目前有單箱式、雙箱、浮箱加垂板、柔性結(jié)構(gòu)等形式。
國(guó)內(nèi)關(guān)于浮式防波堤的研究比較多,多數(shù)是從結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新并進(jìn)行模型試驗(yàn)研究,或者通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算,基本停留在理論階段,國(guó)內(nèi)很少見到將浮式防波堤成功應(yīng)用于實(shí)際工程的情況[5]。個(gè)別成功應(yīng)用案例包括:港珠澳大橋工程通過錨鏈固定集裝箱做臨時(shí)浮式防波堤[6]和用于養(yǎng)殖的浮筏式防波堤等;三峽船閘浮式導(dǎo)航堤采用混凝土浮箱結(jié)構(gòu)[7],但不是作為防波堤使用。在國(guó)內(nèi)更無成熟的、標(biāo)準(zhǔn)化的、規(guī)模生產(chǎn)的浮式防波堤成品。
本文通過非洲實(shí)際完工并成功應(yīng)用的某浮式防波堤工程,介紹該浮式防波堤的平面布置、自然條件、方案比選、結(jié)構(gòu)尺寸、消波性能、導(dǎo)樁及防波堤構(gòu)造細(xì)節(jié)等,可為類似工程提供參考。
非洲某集裝箱碼頭位于波浪掩護(hù)良好的天然港灣內(nèi)、回填陸域的西側(cè),需要建設(shè)游艇碼頭配套防波堤。防波堤采用長(zhǎng)150 m斜坡堤與長(zhǎng)175 m浮式防波堤相結(jié)合的方案,斜坡堤阻攔北側(cè)從外海傳入灣內(nèi)的涌浪,浮式防波堤阻攔灣內(nèi)西南側(cè)風(fēng)成浪。最終在浮式防波堤內(nèi)側(cè)(東側(cè))形成掩護(hù)區(qū)域,遠(yuǎn)期布設(shè)游艇碼頭。防波堤總體布置如圖1所示。
圖1 防波堤總體布置(單位:m)
斜坡堤堤頭涌浪(有效波):1、10、100 a一遇波高分別為0.64、0.77、0.88 m,北向,周期15 s。采用波浪數(shù)學(xué)模型對(duì)工程區(qū)域1997—2013年后報(bào)波浪時(shí)間序列推算分析,堤頭涌浪有效波96%的時(shí)間不大于0.4 m,堤頭繞射至游艇停泊區(qū)域殘余波高大都小于0.1 m。涌浪波高云圖見圖2a)。
浮式防波堤風(fēng)浪(有效波):1、10、100 a一遇波高分別為0.45、0.57、0.82 m,西南向,周期2~3 s。采用波浪數(shù)模對(duì)工程區(qū)域1997—2013年的風(fēng)浪進(jìn)行后報(bào)獲得波浪時(shí)間序列,并進(jìn)一步分析,得到風(fēng)浪年最大波高一般不超過0.6 m,97%時(shí)間不大于0.3 m。風(fēng)浪波高云圖見圖2b)。
北側(cè)防波堤需要掩護(hù)涌浪,所以需要采取斜坡式實(shí)體防波堤(浮式防波堤對(duì)涌浪幾乎沒有掩護(hù)作用),長(zhǎng)150 m實(shí)體防波堤基本掩護(hù)住了涌浪。北側(cè)防波堤設(shè)置后,仍有西側(cè)風(fēng)浪,其風(fēng)浪超出了游艇碼頭系泊條件(橫浪有效波高Hs<0.3 m,順浪Hs<0.7 m,H1%按1.5倍Hs考慮)[8]。因此,須建設(shè)應(yīng)對(duì)西南向風(fēng)浪的防波堤對(duì)游艇碼頭區(qū)域進(jìn)行掩護(hù)。
斜坡式防波堤與浮式防波堤的特點(diǎn)比較:1)對(duì)于波高相對(duì)較小的風(fēng)浪,浮式防波堤比實(shí)體堤造價(jià)低;2)浮式防波堤頂部可以兼作通道,且內(nèi)側(cè)可以兼靠游艇;3)游艇碼頭擴(kuò)建時(shí),浮式防波堤后期拆除和移位更加方便。
錨鏈?zhǔn)礁∈椒啦ǖ膛c導(dǎo)樁式浮式防波堤的特點(diǎn)比較:1)工程位置水深較淺,潮位變化相對(duì)于與水深比值較大,不同水位時(shí)錨鏈對(duì)浮箱穩(wěn)定性存在較大差異;2)考慮內(nèi)側(cè)兼靠游艇船舶,導(dǎo)樁式浮式防波堤穩(wěn)定性更好,且游艇??坎磪^(qū)域不受錨鏈影響。
混凝土浮式防波堤與浮式浮箱比較,混凝土防波堤更寬、更長(zhǎng)、吃水更深,特點(diǎn)為:1)穩(wěn)定?;炷粮∠洳捎谜w式結(jié)構(gòu),單個(gè)浮箱寬2~10 m、長(zhǎng)15~20 m、高1.0~1.8 m,穩(wěn)定性能好,能承受6 kN/m2均載以及船舶荷載。2)消波。由于具有較大的寬度、吃水、體積,所以消浪性能較好。3)堅(jiān)固。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
經(jīng)綜合考慮,導(dǎo)樁式混凝土浮式防波堤更適用于本工程。對(duì)于西側(cè)浮式防波堤的布置,為減少北堤堤頭局部繞射波浪影響,浮式防波堤位置比北堤堤頭向東縮進(jìn)40 m左右。
混凝土浮式防波堤的浮箱頂部、側(cè)壁、倉隔采用C50混凝土,倉隔內(nèi)填充聚苯乙烯泡沫。
單個(gè)浮箱寬4 m、長(zhǎng)20 m、高1.4 m,浮箱吃水0.8 m。單個(gè)浮箱采用2根導(dǎo)樁在側(cè)面固定,浮箱結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 單個(gè)浮箱結(jié)構(gòu)
采用Macagno、Wiegel、Ruol公式[9]對(duì)導(dǎo)樁式箱式混凝土浮箱透射系數(shù)Ct進(jìn)行計(jì)算。
Macagno公式:
(1)
Wiegel公式:
(2)
Ruol公式:
(3)
式中:Ct為波浪透射系數(shù);B為結(jié)構(gòu)寬度;D為結(jié)構(gòu)吃水;d為水深;L為波長(zhǎng);Tp為波浪譜峰周期;ki為入射波波數(shù);β(χ)為修正系數(shù);χ、χ0為無量綱系數(shù);σ為無量綱系數(shù),取0.192 2;Ct,Macagno為Macagno公式計(jì)算的透射系數(shù)。
波浪透射系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 各公式計(jì)算得到的浮式防波堤透射系數(shù)
可以看出,Macagno公式計(jì)算的波浪透射系數(shù)與Ruol公式接近,為0.2~0.5,Wiegel公式計(jì)算透射系數(shù)為0.45~0.66。
國(guó)內(nèi)有多位專家學(xué)者進(jìn)行了導(dǎo)樁式浮式防波堤透射系數(shù)物理模型試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果都證明實(shí)際透射系數(shù)小于Macagno公式的計(jì)算結(jié)果。例如,根據(jù)劉韜等[10]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在B/L為0.36、有效波高為0.5 m時(shí),波浪透射系數(shù)為0.35,見圖4a);根據(jù)董華洋等[11]試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在B/L為0.3、有效波高為2 m時(shí),波浪透射系數(shù)為0.4,見圖4b)。
圖4 其他研究者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)
另外,根據(jù)Inter Boat Marinas廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù),寬3.8 m的混凝土浮箱,在有效波高為0.8 m、B/L為0.36時(shí),消浪系數(shù)為0.62,即透射系數(shù)0.38,見圖5,小于前述公式的計(jì)算結(jié)果。
圖5 廠家提供的浮箱產(chǎn)品消浪系數(shù)
根據(jù)公式的計(jì)算結(jié)果、其他研究者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、部分廠家提供的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)綜合可知,采用Macagno公式計(jì)算垂直導(dǎo)樁式浮式防波堤的透射系數(shù)基本合理,但相對(duì)較保守。在B/L為0.36時(shí),Macagno公式計(jì)算的透射系數(shù)為0.5,實(shí)際可取0.4。
綜上所述,本工程采用寬4 m的浮式防波堤,堤后100 a一遇極端風(fēng)浪的有效波高在0.3 m以下,平時(shí)堤后大部分時(shí)間風(fēng)浪有效波高不大于0.1 m。
最終采用Lindley公司的QMF4000型浮式防波堤,單個(gè)浮箱尺寸為寬4 m、長(zhǎng)20 m、高1.2 m,浮箱吃水0.8 m。
結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件,導(dǎo)樁采用灌注樁。導(dǎo)樁的計(jì)算主要考慮浮箱在波浪作用下的擠靠力、船舶的系纜力、水流力的共同作用。經(jīng)計(jì)算,單個(gè)浮箱需要2根直徑0.8 m的灌注樁,使用2根樁比單樁更穩(wěn)定,并能減少浮箱之間連接構(gòu)件的受力。
導(dǎo)樁施工完成后,帶凹槽的浮箱漂浮下推靠近樁基,使樁基進(jìn)入固定結(jié)構(gòu)內(nèi),最后完成最外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)固定構(gòu)件對(duì)凹槽的封閉。抱樁導(dǎo)向裝置由橡膠塊和聚乙烯塑料塊構(gòu)成,塑料塊與樁接觸。抱箍結(jié)構(gòu)見圖6a)。為保證浮箱不出現(xiàn)上下錯(cuò)動(dòng)和構(gòu)成整體受力,浮箱之間通過螺栓進(jìn)行連接。浮箱接口位置預(yù)埋鋼構(gòu)件,2個(gè)浮箱預(yù)埋鋼構(gòu)件之間用螺栓連接,螺栓之間采用橡膠塊。浮箱連接構(gòu)件見圖6b)、c)。
圖6 浮箱細(xì)部構(gòu)造
目前,本工程已竣工運(yùn)營(yíng)2 a,浮式防波堤消浪效果良好,見圖7。
圖7 工程使用效果
1)在風(fēng)浪的波高和周期較小時(shí),導(dǎo)樁式混凝土浮式防波堤具有較好的應(yīng)用效果,除具有消浪作用外,還具有頂部通行、內(nèi)側(cè)靠泊游艇等功能,且后期防波堤拆除和移位時(shí)較方便。
2)對(duì)于導(dǎo)樁式浮式防波堤的透射系數(shù),Macagno公式計(jì)算結(jié)果比較合理且計(jì)算簡(jiǎn)單,可以應(yīng)用于初期的方案設(shè)計(jì)階段。后續(xù)將對(duì)其開展進(jìn)一步的物理模型試驗(yàn)論證。