東營港東營港區防波擋沙堤結構型式研究

楊文斌，李 穎

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

我國已成功在多處粉砂質海岸上進行了較大規模港口建設，但隨著港區建設擴容、碼頭等級的提升，配套進出港航道等級也需要相應提升，航道深度和長度均需大幅度增加；而粉砂質海岸泥沙起動條件較低，航道兩側底質泥沙易受風浪流的影響對航道乃至港池形成淤積，隨著航道向外海延伸和航道深度的增加，泥沙淤積對航道的影響也愈加嚴重，為此需要在航道兩側建設防波擋沙堤以對航道形成掩護，有效減少平常浪作用下的泥沙淤積和風暴潮作用下的泥沙驟淤，減輕航道維護疏浚的壓力，提高航道通航保證率，確保船舶通航安全。

1 工程概況

為滿足東營港區在建及規劃10 萬t 級及以上泊位通航要求，擬建設10 萬t 級進港航道，為掩護航道，在航道兩側新建南、北兩段防波擋沙堤。防波擋沙堤工程按二級水工建筑物設計，設計波浪重現期按50 年一遇考慮，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度值為 0.165 g。

南、北段防波擋沙堤所在海域的天然泥面標高約為-9.5～-14.6 m，所處位置軟土層厚度較大，其中北防波擋沙堤軟土層厚度約9～12 m，南防波擋沙堤軟土層厚度約8～14 m。

本工程設計高水位1.54 m(以當地理論最低潮面起算，下同)，設計低水位-0.10 m，極端高水位2.99 m，極端低水位-1.62 m。

2 防波擋沙堤設計方案

防波擋沙堤的設計需綜合考慮工程地質，水文和水深等工程條件，在保證工程使用功能的基礎上，最大程度地保證工程經濟性。

在平面布置[1]上，南、北防波擋沙堤均平行于航道設置，其中北防波擋沙堤長度為6 300 m；南防波擋沙堤長度為6 709 m，兩堤間距1.4 km，堤頂高程均采用從5.0～-9.0 m 漸變過渡，其中起始 200 m 的過渡段高程為5.0～1.0 m，其余部分均從1.0～-9.0 m 漸變。平面布置圖見圖1。

圖1 平面布置示意圖

在結構型式的選取上，防波擋沙堤主要有斜坡式、直立式和混合式三種結構型式。通過理論計算，發現對于堤頂高程較高的區段，直立式結構所受波浪力較大，滿足結構穩定性要求，需增大結構斷面尺寸，引起工程造價大幅提高，方案經濟性較差。而對于堤頂高程較低的潛堤段，直立式結構所受波浪力相對較小，結構經濟性在可接受范圍內。因此考慮在堤頂高程較高的區段（5.0～-4.0 m），參照本港已建防波堤工程，采用對波浪、地質適應性較強的斜坡式拋石潛堤結構，在堤頂高程較低、受波浪作用相對較小的的區段(-4.0～-9.0 m)，進行斜坡式拋石潛堤結構、重力式方塊直立堤結構、樁式直立堤結構、箱筒結構和半圓型沉箱結構五種結構方案的比選。

對于斜坡式拋石潛堤，現行規范[2]中缺少護面塊體、墊層塊石及護底塊石穩定重量的計算方法。為解決上述問題，在設計過程中，通過波浪潮流泥沙物理模型試驗和斷面物理模型試驗對結構設計方案進行驗證和優化，以下為模型試驗結果。

在本工程波浪潮流泥沙物理模型試驗[4]過程中，發現南、北防波擋沙堤的堤頭段存在局部沖刷，因此將堤頭段200 m 范圍內的護底塊石結構均加寬。在斜坡式拋石潛堤的斷面模型試驗[5]中，分別進行了不同堤頂高程（+5.0 m、-6.0 m、-6.8 m、-8.0 m）的斷面結構穩定性試驗。表1 為試驗結果。

表1 斜坡式拋石堤結構斷面穩定性試驗結果表

對于直立式潛堤結構，現行規范[2-3]中缺少護底塊石穩定重量和結構波浪力的計算方法。因此在設計過程中，通過直立堤斷面波浪物理模型試驗[4]對護底塊石穩定性進行驗證，同時對結構所受波浪力進行了測量。

根據物理模型試驗結果，進行了斜坡式拋石潛堤和各種直立式潛堤的斷面設計，具體結構斷面見第3 節水工結構方案比選。

3.水工結構方案比選

3.1 斜坡式拋石潛堤方案

拋石堤具有施工方便，且損壞后易修復的優點，是砂石料充足區域常用的防波擋沙結構。本工程區域砂石料充足，因此首先考慮該結構型式，鑒于工程區域的天然地基不能滿足結構整體穩定要求，需在斜坡堤上部結構施工前，對軟土層進行地基處理。對頂高程5.0～-6.8 m 區段，采用排水固結與土工織物加筋層相結合的方法進行地基處理，具體地基處理方法如下：在天然泥面上分層鋪設共 1.0 m 厚的砂被作為水平排水層，同時在地基中打設塑料排水板作為豎向排水層；在地基上鋪設一層300 kN 的高強土工格柵，其上鋪設一層二片石墊層。對于頂高程-6.8～-9.0 m 區段，根據相關計算，無需進行地基處理。

地基處理之后進行上部結構施工，堤心采用10～100 kg 塊石，兩側邊坡采用1:1.5，(5.0～-6.0 m)護面層采用12t 扭王字塊體，護面塊體與堤心石之間設有600～800 kg 塊石墊層。(-6.0～-9.0 m)護面層采用8 t 扭王字塊體，護面塊體與堤心石之間設有400～600 kg 塊石墊層。堤身兩側設有600～800 kg塊石壓腳棱體。為防止沖刷，坡腳設置150～200 kg護底塊石、二片石墊層及復合土工軟體排，護底結構寬度在堤頭段200 m 范圍內兩側均為50 m，其余部分兩側均為15 m。斜坡式潛堤結構方案斷面圖見圖2。

圖2 拋石斜坡式結構方案斷面圖（潛堤）

該結構方案具有堅固耐久，對地基沉降適應性強，損壞后易修復等優點，同時該結構混凝土用量小，工程造價較低（后文以該結構方案單延米造價為基數進行經濟比選）。對地基土采取打設塑料排水板進行排水固結的地基處理方案，該方案地基土中的淤泥只在原地進行加固處理，對周邊環境基本無影響；但水下插塑料排水板的施工作業受水深和天氣的影響較大，且打設排水板后地基土排水固結需要一定周期，故該方案施工工期相對較長，是一種犧牲一定的施工時間來換取較為經濟且對環境污染較小的軟弱地基土加固效果的地基處理方案。

3.2 重力式方塊直立堤方案

方塊直立堤具有結構簡單，施工方便，施工速度較快等優點，也是海岸工程中常用的碼頭及防波堤結構型式。針對本工程，首先采用淤泥固化的方式對地基軟土層進行處理，要求固化后土體的無側限抗壓強度≥0.5 MPa。地基處理完成后，鋪設1.5 m厚的10～100 kg 拋石基床。在基床上安裝預制好的混凝土方塊，方塊底寬8.0 m，最大單塊重約180 t，每層方塊之間通過型鋼豎向貫通連接以增強其結構整體性。為防止直立堤前沖刷，在基床兩側坡肩安放柵欄板護面，并在堤身兩側拋填60～100 kg 塊石及600～800 kg 護底塊石，護底寬度堤身段采用30 m，堤頭段采用50 m。重力式方塊直立堤結構方案斷面見圖3。

圖3 重力式方塊直立堤結構方案斷面圖

相較于拋石斜坡堤，重力式方塊直立堤斷面尺寸更小，結構整體性更好；但需要使用大量的混凝土及專門的混凝土塊體預制和堆存場地，對于本工程的軟土地基還需采用淤泥固化的方式進行地基處理，因此該結構方案工程造價較高，與斜坡式拋石潛堤結構方案的單延米造價之比約為1.87:1。

3.3 樁式直立堤方案

傳統的樁式堤多為樁基透空式防波堤[5-6],通過帶擋浪板的樁基承臺結構形成防波堤，擋浪板下部為透空結構，多用于出水堤。而對于潛堤，一方面，擋浪板下部不允許透水；另一方面，很難在水下澆筑鋼筋混凝土承臺形成潛堤結構，因此本工程提出了采用大直徑鋼管樁+鋼板樁的組合樁結構。每組組合樁由1 根大直徑鋼管樁（主樁）和一對“Z”型鋼板樁（輔樁）組成，鋼管樁及鋼板樁之間均通過專用連接件連接形成連續的直立式防浪擋沙堤身結構，樁身截面示意見圖4。

圖4 樁身截面示意圖

鋼管樁直徑采用1.6 m，壁厚根據堤頂高程不同，分區段分別采用24 mm、22 mm 和20 mm；鋼板樁采用AZ20-800 型。根據“踢腳”穩定性要求，堤身鋼管樁打設底高程為-34.0～-36.0 m“Z”型鋼板樁打設底高程采用-26.0m。在組合樁結構兩側分別拋填60～100 kg 塊石及600～800 kg 護底塊石，護底寬度堤身段采用30 m，堤頭段采用50 m。樁式直立堤結構方案斷面見圖5。

圖5 樁式直立堤結構方案斷面示意圖

該方案通過鋼管樁和板樁將作用力傳給地基，無需進行地基處理，可節省地基處理時間，但需要專業打樁船，打樁數量較多，施工條件要求較高，同時該結構耐久性較混凝土結構略差，該結構方案與斜坡式拋石潛堤結構方案的單延米造價之比約為1.49:1。

3.4 箱筒直立堤方案

箱型吸力基礎結構是一種結構穩定宜于滿足，施工速度快，且適用于軟土地基的結構型式[7][8]。本方案采用多組箱筒結構組成防波擋沙堤，每組箱筒結構由上下兩部分構成，下部為基礎筒，筒結構長和寬均為27.0 m，由四個基礎圓筒組成，插入到地基土中。單個圓筒外徑為11.8 m，內徑為11.2 m，壁厚為0.30 m，高約為10 m，相鄰兩組結構間的凈距為1.0 m。相鄰圓筒間采用連接墻、蓋板和圈梁等其他構件相連形成整體結構，連接墻寬為3.4 m，厚為0.5 m，高約為10 m，上部通過在基礎圓筒型構件的筒體間的蓋板上沿縱軸線并列2 個帶耳墻的上部圓筒型構件作為防浪擋沙結構，單個圓筒的外徑為12.1 m，內徑為11.3 m，壁厚為0.40 m，高為3.2～8.0 m。堤頂高程為-4.0～-9.0 m。每組箱筒結構重量控制在3 000 t 左右。為防止堤底沖刷，在箱筒型基礎結構兩側拋1.0 m 厚砂墊層，打設塑料排水板至-24.0～-26.0 m，其上拋200～300 kg 護底塊石。每組箱筒間拋100～200 kg 護底塊石。結構方案斷面見圖6。

圖6 箱筒結構方案斷面示意圖

該方案相較斜坡式拋石潛堤方案和方塊直立堤方案，地基處理工程量相對較少，但需要專門的箱筒預制和堆存場地及出運碼頭，且圓筒預制，拖運和下沉工藝稍復雜，施工難度較大。同時該結構方案工程費用較高，與斜坡式拋石潛堤結構方案的單延米造價之比約為1.66:1。

3.5 半圓型沉箱堤

半圓型防波堤[9-10]得益于堤面圓弧型設計，具有波浪水平力小，且波浪力方向通過圓心，整體傾覆力矩小的特點，因此在相同波浪條件下，較輕的質量便可滿足抗滑抗傾覆要求，是一種適用于軟基的防波堤結構型式。本方案參考半圓型防波堤提出了一種半圓型沉箱與拋石斜坡堤復合結構，堤身下部為斜坡式拋石結構并兼作基床，堤身上部為半圓型沉箱結構。根據地基承載力要求，堤身下部拋石斜坡式結構采用和斜坡式拋石潛堤方案類似的排水固結和加筋墊層結合的地基處理方法，同時開挖換填10～100 kg 塊石作為堤身，該結構同時作為上部半圓型沉箱的基床，基床兩側拋填10～100 kg 塊石和600～800 kg 護底塊石。堤身上部采用半圓型沉箱作為防浪擋沙結構，在堤頂高程-4.0～-7.0 m 區段半圓型沉箱半徑采用6.0 m，在堤頂高程-7.0～-9.0 m 區段半徑采用4.6 m。根據堤身抗滑穩定性要求，在半圓型沉箱內回填砂以增加堤身穩定性。方案斷面見圖7。

圖7 半圓型沉箱結構方案斷面示意圖

該方案相較于方塊直立堤可節省混凝土用量，但同樣需要專門的預制和堆放場地，且沉箱預制，拖運和下沉工藝稍復雜，施工難度較大，且工程費用較高，與斜坡式拋石潛堤方案每延米造價之比約為1.86:1。

3.6 方案比較

根據自然條件、材料來源、使用要求、施工條件和結構方案的特點等對五種形式的防波堤結構設計方案進行了技術經濟比較，比較結果詳見表2。

表2 結構方案比選表

上述五種結構方案，技術上均可行，施工工藝成熟。經綜合比較，推薦結構方案采用拋石斜坡堤結構方案。

4 結語

本文在物理模型試驗研究的基礎上，對東營港東營港區方波擋沙堤的潛堤段進行了斜坡式拋石潛堤結構、重力式方塊直立堤結構、樁式直立堤結構、箱筒結構和半圓型沉箱結構五種結構方案的設計，并對所提方案進行了技術經濟比選。通過比選得出以下結論：

1）本次研究在理論計算的基礎上，通過必要的模型試驗，提出了既能滿足使用性和耐久性，又滿足經濟性和適用性的科學、合理的防波擋沙堤結構型式。在本文研究的5 種結構型式的潛堤結構設計方案中，斜坡式拋石潛堤的工程造價最低，且耐久性好，損壞后易修復，是保證結構安全并能夠有效降低工程投資的首選結構設計方案。

2）隨著我國港口建設事業的發展，目前部分港區防波堤的建設條件相比以往愈加惡劣，且當前社會各界對環境保護的認識越來越深刻，港口建設過程中也要深入貫徹綠色發展理念，減少對不可再生資源的大規模使用，比如減少大規模開山取石等，故相關建設中預制結構的使用越來越多，以后同類項目中可能會偏重于直立式結構的開發和利用。本文的研究成果表明，在本文研究的拋石斜坡堤之外的其它4 種防波堤結構方案中，樁式直立堤造價最低，且不需要進行額外的地基處理，為直立堤中的推薦方案。

3）目前國際國內對于潛堤的研究尚不成熟，相關的計算理論和計算公式均尚不完善，在實際工程設計過程中，設計人員經常會囿于理論和公式的缺乏，在項目的前期研究工作中尤其是沒有相關試驗資料支撐的情況下，無法確定合理的潛堤結構形式及結構斷面尺度，更無從選取推薦結構方案；根據這種情況，本文的研究成果對于類似條件下潛堤結構形式的選取提供了有益借鑒，可以供廣大工程設計人員在實際工作中予以參考。