長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道一期工程半圓形構(gòu)件混合堤深化研究

佟德勝，劉志遠(yuǎn)，王海龍，侯樹強(qiáng)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.東營(yíng)港建設(shè)投資有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257091；3.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

1 概述

半圓形構(gòu)件已成功應(yīng)用于天津港、長(zhǎng)江口等工程，基于半圓形構(gòu)件混合堤的特點(diǎn)，為適應(yīng)不同水文、地質(zhì)條件的要求，特別是軟土地基、砂石料短缺的情況，深入研究開發(fā)受力更為合理且施工更為方便的半圓形構(gòu)件混合堤是非常必要的。

在滿足長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道一期工程建設(shè)需要的前提下，基于其研究成果，進(jìn)一步深化研究探索波浪對(duì)半圓形構(gòu)件混合堤的影響及其波浪力的變化規(guī)律，以為一期工程和后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目期間輔助性試驗(yàn)驗(yàn)證提供相應(yīng)的技術(shù)支持和指導(dǎo)，具有推廣應(yīng)用于其他類似工程建設(shè)的社會(huì)價(jià)值和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)需要可在半圓形構(gòu)件拱圈的前、后半部或全部上開孔，在堤身內(nèi)部形成消浪室，以增強(qiáng)消浪效果。本次主要針對(duì)半圓形構(gòu)件不同方向、不同開孔部位、不同開孔率及不開孔等開展系列試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)依據(jù)和條件

2.1 水位與波浪

不同開孔率半圓形混合堤結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

表1 設(shè)計(jì)波浪要素Table1 Designwave parameter

2.2 波浪模擬

不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規(guī)則波試驗(yàn)中，則按照H1%波高和平均周期來(lái)進(jìn)行模擬[1-3]。

3 半圓形構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)形式

1）單側(cè)開孔率10.4%半圓形構(gòu)件混合堤

半圓形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構(gòu)件迎（背）浪側(cè)高度方設(shè)排氣孔7行，孔徑φ400 mm，縱向開5列；單塊構(gòu)件縱長(zhǎng)為6.40m，體積為73.13m3，重量為182.82 t，迎（背）浪側(cè)開孔率為10.4%，背（迎）浪側(cè)不開孔，結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 單側(cè)開孔率為10.4%的半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponentdykew ith 10.4%unilateralopening rate

2）單側(cè)開孔率20.1%半圓形構(gòu)件混合堤

半圓形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構(gòu)件迎（背）浪側(cè)高度方設(shè)排氣孔6行，孔徑φ600 mm，縱向開5列；單塊構(gòu)件縱長(zhǎng)為6.40m，體積為71.09m3，重量為177.71 t，迎（背）浪側(cè)開孔率為20.1%，背（迎）浪側(cè)不開孔，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖2。

圖2 單側(cè)開孔率為20.1%的半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.2 Structuralsection of thesem i-circular hollow componentdykew ith 20.1%unilateralopening rate

3）不開孔半圓形構(gòu)件混合堤

不開孔半圓形空心構(gòu)件亦采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00 m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，無(wú)前后趾，底板及側(cè)壁均不開孔；單塊構(gòu)件縱長(zhǎng)為6.40 m，體積為71.232 m3，重量為178.08 t，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖3。

4 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

1） 在給定水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，驗(yàn)證各混合堤結(jié)構(gòu)斷面、墻身、護(hù)肩塊石、護(hù)坡塊石、拋石棱體的穩(wěn)定性；

2）同步量測(cè)不開孔及單側(cè)不同開孔率半圓形構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布，分別給出同步點(diǎn)壓力分布和總水平力及總垂直力；

不同開孔率及不開孔半圓形空心構(gòu)件重度均為2.5 t/m3。

圖3 不開孔半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.3 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponent dykew ith no opening rate

5 研究結(jié)果與分析

5.1 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤斷面穩(wěn)定性

在不同水位及相應(yīng)波浪條件下，對(duì)不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)其進(jìn)行了比較與分析，見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面，在不同計(jì)算水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，堤前200～300 kg護(hù)肩塊石表層極少量發(fā)生滾落，但塊石護(hù)肩整體穩(wěn)定，兩側(cè)100～200 kg護(hù)底塊石處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Structuralsection stability test resultsof the sem i-circular hollow com ponentdykew ith differentopening rates

2）無(wú)論半圓形空心構(gòu)件迎浪側(cè)開孔、背浪側(cè)不開孔，還是背浪側(cè)開孔、迎浪側(cè)不開孔，以及底板和側(cè)壁均不開孔半圓形空心構(gòu)件，在設(shè)計(jì)給定的波浪要素作用下，不同開孔率半圓形空心構(gòu)件均有在相應(yīng)水位下發(fā)生位移，構(gòu)件失穩(wěn)[4]。

5.2 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件的波浪力

在不同水位及相應(yīng)波浪條件下，同步量測(cè)了不同開孔率半圓形空心構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布，并對(duì)其進(jìn)行了比較與分析，見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）由穩(wěn)定性試驗(yàn)和波浪力試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，二者吻合較好；

2）在相同水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件底板開孔率大于10%時(shí)，隨著迎浪側(cè)開孔率的增大，作用在半圓形拱圈里側(cè)方向向外的波壓力逐漸增大，不利于構(gòu)件穩(wěn)定，平頂及以上水位時(shí)較明顯；

3）在堤頂以下一倍波高處水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件底板開孔率大于10%時(shí)，隨著迎浪側(cè)（或背浪側(cè)）開孔率的增大，構(gòu)件逐漸失穩(wěn)；不開孔半圓形構(gòu)件更不穩(wěn)定；

4）在平頂及以上水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件（底板開孔率大于10%）、背浪側(cè)開孔（迎浪側(cè)不開孔）時(shí)，波吸力對(duì)構(gòu)件作用較為明顯，即構(gòu)件向堤前方向位移；而不開孔半圓形構(gòu)件反之，即控制工況為波峰[4]。

5.3 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性對(duì)比分析

不同開孔率半圓形構(gòu)件在設(shè)計(jì)給定的波浪要素作用下，實(shí)測(cè)了各半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小時(shí)刻的波浪總水平力、總垂直力及最小滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了比較與分析，見表4。

表3 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件點(diǎn)壓力合成總力測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table3 Results contrastof the total force composeof point pressure from the sem i-circular hollow component w ith differentopening rates

表4 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性對(duì)比Table 4 Contrastof the stability againstsliding of the sem i-circular hollow com ponentw ith differentopening rates

對(duì)比分析結(jié)果表明：

1）大浪波峰作用時(shí)，迎浪側(cè)開孔和底板、側(cè)壁均不開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小，此時(shí)同步總垂直力方向向上，尤其平頂水位總垂直力達(dá)到最大，更不利于構(gòu)件穩(wěn)定。

2）在平頂及以上水位條件下，背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小時(shí)刻為負(fù)向水平力最大時(shí)刻，此時(shí)波谷為控制工況，同步總垂直力方向也是向上，不利于構(gòu)件穩(wěn)定；在堤頂以下一倍波高處水位條件下，大浪波峰作用時(shí)，背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小。

3）背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑能力強(qiáng)于迎浪側(cè)開孔及底板和側(cè)壁均不開孔情況。在平頂及以上水位時(shí)，背浪側(cè)開孔10.4%半圓形構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性好于背浪側(cè)開20.1%、底板和側(cè)壁均不開孔、迎浪側(cè)開孔10.4%、迎浪側(cè)開孔20.1%情況；在堤頂以下一倍波高處水位時(shí)，迎浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性好于背浪側(cè)開孔及不開孔情況，開孔率小時(shí)較穩(wěn)定[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

1）無(wú)論半圓形空心構(gòu)件迎浪側(cè)開孔，還是背浪側(cè)開孔，開孔率越大，構(gòu)件易失穩(wěn)；當(dāng)側(cè)壁和底板均不開孔時(shí)，也不利于半圓形空心構(gòu)件穩(wěn)定。

2）在相同水位、相同波浪作用時(shí)，半圓形構(gòu)件底板開孔、迎浪側(cè)開泄壓小孔及背浪側(cè)開排氣孔時(shí)抗滑穩(wěn)定性及受力狀況較好。該成果已應(yīng)用于長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)一期整治工程半圓形構(gòu)件混合堤的設(shè)計(jì)和施工。

[1] JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS145-2—2013，海港水文規(guī)范[S].JTS145-2—2013,Codeofhydrology for seaharbor[S].

[3]JTS154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTS 154-1—2011,Code ofdesign and construction of breakwaters[S].

[4]佟德勝.長(zhǎng)江南京以下12.5m深水航道建設(shè)工程一期工程整治建筑物堤身結(jié)構(gòu)新型構(gòu)件斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014.TONG De-sheng.Wave physical model test study on new type componentofdikebody of regulating structure in phase Iprojectof 12.5m deep-water navigation channel from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin：CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2014.