意大利規范在防波堤穩定性設計中的應用

田茂金，李存興

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

引言

意大利作為中國“一帶一路”倡議的重要節點，使得中資企業與意大利當地企業的合作越來越多。理解和掌握意大利相關的海工設計技術文件和規范，對于進一步開拓意大利市場，參與相關項目的投資、建設和運營，提高中資企業的競爭力具有重要意義。

意大利《海洋大壩設計技術說明》（Istruzioni Tecniche per la Progettazione Delle Dighe Marittime）以及《港口和海岸工程手冊》（Manuale di Lngegnerla Portuale e Costiera）是兩本關于意大利海工建筑物設計的技術規范，該規范對海洋水文以及海工結構進行了詳細的介紹；意大利《建筑技術規范》（NTC 2018）[1]（Norme Tecniche per le Costruzioni）為意大利國家建筑規范，對建筑物的設計具有重要的指導意義。

本文著重介紹了意大利《海洋大壩設計技術說明》以及《港口和海岸工程手冊》在重力式防波堤設計中的應用及其典型設計要點和參數，并對比意大利《建筑技術規范》（NTC 2018），以意大利某離岸深水碼頭工程為例，對直立式防波堤進行了整體穩定設計研究，對涉外工程防波堤設計提供了有益參考。

1 波浪重現期的確定

意大利《海洋大壩設計技術說明》中，波浪重現期與容許失效概率以及結構設計使用年限相關。結構設計使用年限與結構安全等級以及工程類型相關，如表1所示。

表1 永久性結構最低設計使用年限

安全等級為1級的工程，指具有當地性質以及輔助性質的項目或設施，該項目倒塌后對人員生命以及環境造成的損失程度最小，如海岸防護工程、小型港口、海洋排水管道項目、沿海公路項目等；安全等級為2級的工程，指具有一般性質的項目或設施，該項目倒塌時對人員生命以及環境造成的損失程度適中，如大型港口項目、大城市排水管道項目等；安全等級為2級的工程，是指防洪工程或設施、具有超國家利益的工程，在倒塌時造成重大生命損失或環境破壞，如城市或工業中心的防護等。

根據結構損壞后是否易于修復及其對人類生命安全的風險大小，《海洋大壩設計技術說明》對防波堤的失效概率進行了劃分，如表2所示。對于有韌性的結構或對于可以修復的項目來說（如斜坡式結構），初期損壞的概率與該類型結構預先假定的損壞水平相適應，超過該水平后，結構的損壞是可以預見的并可修復。對于剛性結構（如直立墻結構），結構一旦發生破壞難以修復，故將該類結構的損壞概率歸為“完全損壞”；對于經濟影響的高低，分別是指項目損壞產生的直接費用以及項目停止運行后所導致的間接費用與項目建造總費用的比值小于5，5～20以及高于20。

表2 設計使用年限內的最大容許失效概率

波浪的重現期需根據結構的使用年限以及容許失效概率，由式（1）確定：

式中：Trp為波浪的重現期；Tv為結構設計使用年限；Pf為結構的容許失效概率。

從表中2可以看出，由于斜坡堤發生損壞后較易修復，相同條件下，斜坡式防波堤的容許失效概率均大于直立式防波堤；對于設計使用年限分別為50年、100年的兩種結構型式的防波堤采用的波浪重現期如表3、表4所示。從表中可以看出，斜坡式防波堤采用的重現期均小于直立式防波堤。此外，波浪荷載的重現期普遍較中國標準要高且有較大差別，在實際工程應用中需格外注意。

表3 設計使用年限50年波浪重現期

表4 設計使用年限100年波浪重現期

2 波浪荷載的計算

2.1 波浪參數的選取

意大利規范在波浪荷載計算中，對于波峰以及波谷波浪力計算需采用不同的設計波高。波峰作用下整體穩定驗算，設計波高取H=H1/20（H1/20≈1.40Hs）；波谷作用下整體穩定驗算，設計波高取H=H1/100（H1/100≈1.67Hs）[1,2]。

2.2 波浪荷載的計算

對于意大利規范，波峰作用下波浪荷載分布如圖1所示。

圖1 波峰作用下波壓力分布

圖中：

式中：p1為靜水面處波壓力強度；p2為堤頂波壓力強度；η*為波峰在靜水面以上的高度，；p為前墻底部波3壓力強度；p4為墻底波壓力強度；h為建筑物前水深；h'為基床上水深；d為護肩上水深。

波谷作用下，波浪荷載分布如圖2所示。

圖2 波谷作用下波壓力分布

圖中：

式中：p1為靜水面以下η'處波壓力強度，；p為前墻底部波3壓力強度；p4為墻底波壓力強度；h為建筑物前水深；h'為基床上水深；d為護肩上水深。

2.3 抗傾、抗滑穩定性驗算

2.3.1 抗傾、抗滑穩定性驗算-安全系數法

《海洋大壩設計技術說明》以及《港口海岸工程手冊》中，沉箱的整體抗傾、抗滑穩定性驗算基于靜力極限平衡理論并采用安全系數法，抗滑穩定性驗算如式（9）所示：

式中：μ為摩擦系數；Rv為豎向合力；Ro為水平力；Cs為安全系數，取值為1.40。

抗傾穩定性驗算如式（10）所示：

式中：Ms為穩定力矩；Mr為傾覆力矩；Cr為安全系數，一般取值為1.50。

2.3.2 抗傾、抗滑穩定性驗算-EQU組合

意大利《建筑技術規范》（NTC 2018）中，抗傾、抗滑穩定性驗算同樣基于靜力極限平衡理論，采用概率極限方法，按EQU進行組合。EQU組合下，各荷載分項系數如表5所示。

式中：Ed,stb為穩定作用效應值；Ed,dst為傾覆作用效應值。

表5 EQU組合分項系數

3 工程算例

以意大利威尼斯某離岸深水碼頭項目北防波堤為例，采用意大利規范，計算了該直立式防波堤在波浪荷載作用下的作用，驗算了直立式防波堤的整體抗傾、抗滑穩定性。結果表明，防波堤斷面滿足要求，防波堤結構安全可靠。

3.1 防波堤結構簡介

該直立式防波堤采用重力式沉箱結構，防波堤軸線方位為西北-東南。設計低水位、設計高水位以及極端高水位分別為-0.38 m、0.79 m以及2.09 m。沉箱下設拋石基床，沉箱內采用中粗砂回填，沉箱頂面設胸墻，海測設擋浪墻，擋浪墻堤頂高取7.0 m。沉箱寬度為18.1 m，沉箱高度為18.5 m。防波堤典型斷面如圖3所示。

圖3 防波堤典型斷面

3.2 設計波浪參數

本工程防波堤結構設計使用年限為100年，防波堤一旦發生破壞難以修復，直立式防波堤的損壞概率歸為“完全損壞”，防波堤損壞后對經濟的影響按“中等”考慮，對人類生命安全的風險按“有限”考慮，故防波堤容許失效概率取值為0.15。防波堤設計波浪荷載重現期需采用615年。防波堤波浪參數如表6所示。

表6 防波堤設計波浪要素

3.3 波壓力強度

根據《海洋大壩設計技術說明》以及《港口和海岸工程手冊》，采用H1/20、H1/100分別對波峰以及波谷作用下，直立式防波堤受到的波壓力強度進行計算。對于斜向作用波浪，按正向作用計算波壓力強度分布，并采用經驗系數法對總波浪荷載進行折減，折減系數按0.69考慮。波壓力強度分布計算結果如表7所示。

表7 波浪正向作用波壓力強度分布

3.4 抗傾、抗滑穩定性驗算

沉箱與拋石基床摩擦系數μ按照0.60考慮，采用意大利《海洋大壩設計技術說明》以及《港口和海岸工程手冊》并對比《建筑技術規范》（NTC 2018），對重力式沉箱的抗傾、抗滑穩定性進行驗算。EQU組合中，永久作用分項系數取0.90，可變作用分項系數取1.5。

表8 沉箱抗傾、抗滑穩定性計算結果

從表8中可以看出，采用安全系數法，抗傾、抗滑穩定性計算最小值1.33>1；采用《建筑技術規范》（NTC 2018）中EQU組合計算最小值為1.06>1。《建筑技術規范》（NTC 2018）中EQU組合較安全系數法計算結果小。兩種方法結構的整體抗傾、抗滑穩定性均可滿足規范要求，結構是安全、可靠的。

4 結語

1）中國行業標準中，對于直立式防波堤，設計波浪重現期應采用 50年；對于特殊情況或者大水深、重要建筑物設計波浪重現期應采用100年或者以上重現期[1,2]。然而，中國行業標準對波浪重現期的說法較為籠統，也未給出波浪重新期的明確計算方法。意大利標準中，波浪的重現期需根據結構的使用年限以及容許失效概率計算確定，且重現期標準普遍較中國標準高。

2）需要注意的是，中國行業規范在確定波浪力分布、斷面尺度以及抗傾、抗滑穩定性驗算中，設計波高均采用H=H1%。直立式防波堤在波壓力強度計算時，需區分波峰以及波谷兩種情況，并采用不同的設計波浪參數。

3）防波堤抗傾、抗滑穩定性驗算中，《海洋大壩設計技術說明》以及《港口和海岸工程手冊》采用安全系數法，《建筑技術規范》（NTC 2018）采用概率極限方法，按 EQU進行組合。采用安全系數法計算結果偏危險，在實際工程設計中需注意。