廈門港古雷港區南3 號泊位填海造地工程圍堤波浪斷面的安全性試驗

徐佳胤， 汪樂強， 陳德春

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京210098 2. 中交第三航務工程勘察設計研究院有限公司，上海200032)

廈門港古雷港區位于福建省漳浦縣古雷半島東山灣灣口東側，是建設海峽西岸經濟區發展戰略的重點區域，又是承接國外及港澳臺地區產業轉移的便捷區域，具有港闊水深的優勢。目前，有十多個在建和已建成投入使用的泊位，包括建材碼頭、滾裝碼頭、液體化工碼頭、海事工作船碼頭和綜合碼頭等。古雷港口經濟開發區依托古雷港區，將建成以重大工業項目為帶動的臨港工業區，重點發展石化、裝備制造和現代物流等產業，是海峽西岸先進的制造業基地。

文中采用波浪斷面物理模型試驗，研究古雷港區3 號泊位填海造地工程圍堤斷面結構穩定性、尺度合理性;優化設計方案，確定合理的圍堤斷面結構和尺度。

1 圍堤斷面設計方案

南3 號泊位液化罐區填海造地工程位于古雷半島南端(見圖1)，西側臨海，東側為陸域。該填海造地工程陸域形成總面積46.11 萬m2，其西側圍堤長358 m、呈南北走向(見圖2)，圍堤建筑物結構安全等級為II 級，施工圖設計標準:設計波浪與設計水位重現期均為50 年一遇。該圍堤是古雷港區陸域極為重要的安全防線，由于地處東山灣口，同時受外海潮流、波浪作用，加之常受臺風襲擊，風、浪、潮等因素使得確定合理的圍堤斷面尺度與結構十分困難。技術難點主要有:波浪作用下護面扭王字塊體質量與安放型式，護腳塊石質量，越浪量小于0.05 m3/s·m 時的墻頂高程。需通過波浪斷面模型試驗，研究與解決這些技術難點［1］。且根據規范要求［2］，當斜向波設計波浪平均周期大于10 s 時，護面扭王字塊體質量應進行模型試驗驗證其穩定性，確保圍堤結構運行安全。

圖1 古雷作業區南3#泊位液化罐區填海造地工程位置示意Fig.1 Sketech map of the Gulei operation area south berth 3# liquefied tank farm land reclamation

圖2 擬建圍堤位置示意Fig.2 Sketch map of the proposed seawall

古雷港區圍堤斷面型式為斜坡堤(見圖3)，其結構與尺度見表1。堤頂設反L 型砼防浪墻，墻頂高程▽7.0 m(當地理論基面、下同)、寬80 cm，墻身高度1.7 m。堤頂面高程▽5.3 m，頂寬4.0 m(不含防浪墻)。迎浪面▽1.0 m 位置設置寬13 m 平臺，平臺上下斜坡坡比均為1 ∶2，護面結構為質量2.5 t 扭王字塊(一層)，墊層塊石質量150 ～250 kg。堤腳設寬10 m 拋石護底，護底塊石質量300 ～500 kg。堤心回填質量為10 ～300 kg 的開山石，其后設置二片石墊層、混合倒濾層及土工布層。防浪墻內側陸域回填高程為▽4.8 m ;圍堤斷面地基為淤泥質粉質黏土，采用振沖密實+ 插打塑料排水板進行地基處理，滿足設計斷面的整體穩定要求［3］。

圖3 圍堤設計代表斷面Fig.3 Cross-section diagram of the seawall

表1 古雷港區圍堤斷面尺度與結構Tab.1 Cross-section scale and structure of the Gulei port seawall

2 圍堤斷面試驗技術要求與研究方法

2.1 試驗技術要求

在不規則波浪與水位組合作用下，對圍堤設計斷面進行物理模型試驗，具體包括［4］:

1)護面2.5 t 扭王字塊體和護底300 ～500 kg塊石的穩定性;

2)反L 型砼防浪墻的穩定性;①先采用折減的斜向波要素，當防浪墻失穩，則調整防浪墻設計尺度重新試驗;②當防浪墻在①試驗穩定時，采用不折減波要素繼續進行試驗;③若②試驗下防浪墻失穩，則降低波要素得出防浪墻的穩定臨界波要素。

3)測量反L 型砼防浪墻墻頂越浪量，分析其對堤頂結構的影響。

2.2 試驗方法

基于圍堤波浪斷面試驗技術要求［4］，在遵守試驗規程［5］前提下，綜合試驗設備(76 × 1.5 × 1.0 m波浪水槽、生波機)性能、圍堤斷面、水深和波浪要素等，模型依重力相似準則進行設計，正態模型比尺取1 ∶25。不規則波波譜、越浪量采集、防浪墻、人工塊體(石)的護面失穩標準為:

1)不規則波波譜采用Jonswap 譜，其表達式為

式中:

式中:HS為有效波高(m);Tp為譜峰值周期(s)，取Tp= 1.2 ～1.3ˉT;fp為譜峰值頻率(Hz);γ 為譜峰升高因子。

2)越浪量采用集水器和量筒測墻頂總越浪量V，并計算出單位時間單位墻寬的平均越浪量q，即q =V/bt;

3)防浪墻失穩標準:波浪作用下，觀測到防浪墻發生明顯滑動或傾斜時即失穩;

4)人工塊體(石)的護面失穩標準:波浪作用下，隨機安(拋)放的護面塊體(石)累積位移超過單個塊體的最大幾何尺度時或塊石護底的表面有明顯變形即失穩。

2.3 試驗水位與波要素

根據試驗技術要求［4］，設計水位有4 組，即極端高低水位、設計高低水位。考慮到設計高低水位相差較大，且兩者之間的水位與波浪的組合在該地區經常出現，作用于圍堤外坡。對此，在安全性試驗中需增加一級平均海平面水位，即共研究5 組設計水位與波要素的組合作用下(見表2、表3)，圍堤斷面結構的安全性(泥面高程▽－4.9 m，波向為SSW)。

表2 E 點、斜向波不折減時圍堤代表斷面設計波要素Tab.2 Wave elements of the representative section with oblique wave without reducing

表3 E 點、斜向波折減時圍堤代表斷面設計波要素Tab.3 Wave elements of the representative section with reduced oblique wave

3 影響圍堤斷面安全性試驗的參量確定

由2.1 試驗技術要求分析可知，開展圍堤斷面安全性試驗還存在兩個不確定因素，即沒有明確不規則波譜峰升高因子值和扭王字塊體安放型式。對此，首先需研究這2 個因素，才能按照試驗技術要求和規程［5］進行圍堤斷面安全性試驗。

3.1 不規則波譜峰升高因子的確定

波浪斷面試驗中不規則波波譜一般采用Jonswap 譜，其峰升高因子在1.5 ～6［5］，γ = 3.3 是其平均值［6-7］。據福建沿海水域崇武、祥芝、廈門與深滬現場測波點資料［8］，采用“956”測波浮標系統所測的海浪譜，經擬合，該海域期望(平均)海浪方向頻率譜模式，符合Jonswap 譜的無維量海浪頻譜模式。模式中峰升高因子適用在開敞水域取2.3，灣內水域取3.5。又因古雷港區圍堤工程位于東山灣口，水域開闊，故綜合考慮本試驗分別采用r = 2.5，3.3 研究圍堤結構穩定性。

3.2 扭王字塊體安放型式的確定

扭王字塊體安放型式有定點隨機安放或規則安放。在東南沿海防波堤工程實踐中，扭王字塊體采用規則安放具有較明顯的抗浪效果，因此本試驗以規則安放扭王字塊體為準，采用條形規則安放或交錯規則安放研究其穩定性。

4 安全性試驗

安全性試驗是在不規則波浪與5 級水位組合作用下研究圍堤設計斷面結構穩定性、尺度合理性。考慮到波浪要素取折減或不折減、扭王字塊體安放形式(試驗采用條型規則或交錯規則)，Jonswap 譜峰升高因子取2.5 或3.3 等因素，都會對試驗結果產生影響。因此，先研究扭王字塊體條型規則安放，波浪要素取折減與不折減時，圍堤設計斷面的安全性，根據試驗結果修改斷面尺度;進而研究扭王字塊體交錯規則安放，波浪要素取折減與不折減時，該修改斷面的安全性，以確定扭王安放型式和最終的斷面尺度。

4.1 圍堤設計斷面安全性試驗結果

試驗中Jonswap 譜峰升高因子取3.3 及2.5 進行對比以確定其取值。試驗表明:波浪要素取折減時(見表4)，反L 型浪防墻和條形規則安放的2.5 t護面扭王字塊體均滿足穩定性要求、300 ～500 kg護底塊石需調整到350 ～500 kg 后達到穩定。問題是防浪墻頂高程▽7.0 m 偏低，越浪量不能滿足小于0.05 m3/s·m。對此，在各級水位和不規則波浪作用下，將墻頂高程調整為▽7.4 m、▽7.6 m、▽7.8 m 測量越浪量，具體結果見表5。

由表5 可以看出，越浪量的大小與Jonswap 譜峰升高因子取值有關。調整墻頂高程后峰升高因子取2.5 時，越浪量≤0.05 m3/s·m;取3.3 時，越浪量均≥0.05 m3/s·m。由于本次擬建圍堤接近蘇尖灣口已建的某防波堤工程，該工程防波堤斷面波浪模型試驗中［9］，Jonswap 譜峰升高因子選用了2.5，實際工程效果良好，則東山灣口亦可取γ = 2.5 的試驗結果。同時，出于工程量考慮，將墻頂高程調整為▽7.4 m。

在譜峰系數為2.5、墻頂高程取▽7.4 m 條件下，進而采用不折減的波要素研究反L 型防浪墻穩定性。試驗表明，波浪沖擊上坡面后沿坡面上爬沖擊防浪墻，或直接波擊防浪墻，堤頂反L 型砼防浪墻穩定。故將堤頂高程確定為▽7.4 m 進行扭王字塊體交錯規則安放試驗。

表4 防浪墻頂高程▽7.0 m、扭王條形規則安放、折減波要素下圍堤斷面波浪穩定性試驗結果Tab.4 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7 m，wrest block is placed by bar-type regularly，and wave elements are reduced

表5 波浪作用下不同堤頂高程越浪量比較Tab.5 Comparison of the overtopping at different elevation of the top of the breast wall under wave action

4.2 圍堤修改斷面安全性分析

扭王字塊體采用交錯規則安放、波浪要素取折減或不折減，譜峰升高因子為2.5 時研究圍堤修改斷面［8］(墻頂高程取▽7.4 m、護底塊石質量350 ～500 kg)安全性。在各級水位與折減波浪組合作用下，反L 型防浪墻穩定;交錯安放的2.5 t 扭王字塊體相互嵌固，提高了整體穩定性與抗浪性;越浪量較條形規則安放稍許增大;外海側350 ～500 kg 護底塊石穩定(見表6);各級水位與不折減波浪組合下，反L 型防浪墻亦穩定;2.5 t 護面扭王字塊體在設計高水位與極端高水位時上坡面塊體有搖動;在平均水位時鎮壓層前端有搖動;外海側350 ～400 kg 護底塊石表面滾動;400 ～500 kg 護底塊石穩定(見表7)。

表6 防浪墻頂高程▽7.4 m、扭王交錯規則安放、折減波要素下圍堤斷面波浪穩定試驗結果Tab.6 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and wave elements are reduced

表7 防浪墻頂高程▽7.4 m、扭王交錯規則安放、不折減波要素下的圍堤斷面波浪穩定試驗結果Tab.7 Outcomes of the section stability test when top of the breast wall is at 7.4 m，the wrest block is placed stagger by rule，and the wave elements are without reduction

5 結 語

1)防浪墻穩定性與墻頂高程:以不規則波譜峰升高因子取2.5，墻頂高程取▽7.4 m 為準，在波浪要素取折減或不折減時，反L 型防浪墻穩定。由于墻頂高程較原設計提高0.4 m，為減小波擊防浪墻，反L 型砼防浪墻前頂面高程由▽5.3 m 調整到▽6.0 m、加厚70 cm，由此發揮墻前扭王字塊體抵御波浪力，提高防浪墻穩定作用。

2)護面扭王字塊體安放型式與塊體穩定性:以斜向波折減波浪要素為準，條形規則安放和交錯規則安放的2.5 t 扭王字塊體均穩定。考慮到交錯安放的扭王字塊體間嵌固較緊，能提高塊體整體抗浪性，并考慮工程區域波浪動力條件復雜性，應選擇交錯規則安放。

3)護底鎮壓層塊石穩定性:護底塊石質量需調整，前坡采用400 ～500 kg 塊石、鎮壓層平臺表層塊石采用350 ～500 kg 達到穩定。

4)堤頂水泥碎石穩定層和內坡倒濾面結構穩定性:由于其結構不是堤頂面竣工結構，在臺汛期需重視對堤頂水泥碎石穩定層和內坡倒濾面結構保護，有利于防浪墻穩定。

5)經試驗研究確定的施工圖圍堤斷面已完工，防災能力達到50 年一遇標準，并經臺風“鳳凰”考驗，結構穩定，防浪效果良好。

［1］嚴愷.海岸工程［M］.北京:海洋出版社，2000.

［2］交通部第一航務工程勘察設計院.JTS 154-1—2011 防波堤設計與施工規范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］黃從增，薛國強.廈門港古雷港區古雷作業區南3#泊位液化罐區填海造地工程施工圖設計［R］.廈門:廈門中交第二航務工程勘察設計院有限公司，2013.

［4］黃從增，薛國強.廈門港古雷港區古雷作業區南3#泊位液化罐區填海造地工程圍堤斷面試驗技術要求施工圖設計［R］.廈門:廈門中交第二航務工程勘察設計院有限公司，2013.

［5］南京水利科學研究院.JTJ/T234—2001 波浪模型試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］徐德倫，于定勇.隨機海浪理論［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［7］俞聿修.隨機波浪及其工程應用［M］.大連:大連理工大學出版社，2011.

［8］河海大學交通與海洋工程學院，福建省港航管理局，國家海洋局第三海洋研究所.福建沿海海浪譜分析研究［R］.南京:河海大學，1997.

［9］河海大學交通與海洋學院.5401 工程防波堤斷面波浪模型試驗報告［R］.南京:河海大學，2004.