導樁式混凝土浮式防波堤在非洲某碼頭工程中的應用

路衛衛，張 軍，宋蘭芳，覃 杰，陳良志

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，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樁式和錨鏈式兩種。

關于浮式防波堤的研究，一般側重于透射系數和結構形式的研究。透射系數可采用理論推導、經驗公式、數值模擬3種方法。其中數值模擬主要采用Fluent[2]、Ansys AQWA[3]、Flow 3D[4]等軟件；結構形式研究，目前有單箱式、雙箱、浮箱加垂板、柔性結構等形式。

國內關于浮式防波堤的研究比較多，多數是從結構形式創新并進行模型試驗研究，或者通過模型試驗驗證理論計算，基本停留在理論階段，國內很少見到將浮式防波堤成功應用于實際工程的情況[5]。個別成功應用案例包括：港珠澳大橋工程通過錨鏈固定集裝箱做臨時浮式防波堤[6]和用于養殖的浮筏式防波堤等；三峽船閘浮式導航堤采用混凝土浮箱結構[7]，但不是作為防波堤使用。在國內更無成熟的、標準化的、規模生產的浮式防波堤成品。

本文通過非洲實際完工并成功應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、結構尺寸、消波性能、導樁及防波堤構造細節等，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

非洲某集裝箱碼頭位于波浪掩護良好的天然港灣內、回填陸域的西側，需要建設游艇碼頭配套防波堤。防波堤采用長150 m斜坡堤與長175 m浮式防波堤相結合的方案，斜坡堤阻攔北側從外海傳入灣內的涌浪，浮式防波堤阻攔灣內西南側風成浪。最終在浮式防波堤內側(東側)形成掩護區域，遠期布設游艇碼頭。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。采用波浪數學模型對工程區域1997—2013年后報波浪時間序列推算分析，堤頭涌浪有效波96%的時間不大于0.4 m，堤頭繞射至游艇停泊區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。采用波浪數模對工程區域1997—2013年的風浪進行后報獲得波浪時間序列，并進一步分析，得到風浪年最大波高一般不超過0.6 m，97%時間不大于0.3 m。風浪波高云圖見圖2b)。

2 防波堤方案比選

2.1 北側防波堤結構形式

北側防波堤需要掩護涌浪，所以需要采取斜坡式實體防波堤(浮式防波堤對涌浪幾乎沒有掩護作用)，長150 m實體防波堤基本掩護住了涌浪。北側防波堤設置后，仍有西側風浪，其風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，須建設應對西南向風浪的防波堤對游艇碼頭區域進行掩護。

2.2 西側防波堤結構形式

斜坡式防波堤與浮式防波堤的特點比較：1)對于波高相對較小的風浪，浮式防波堤比實體堤造價低；2)浮式防波堤頂部可以兼作通道，且內側可以兼靠游艇；3)游艇碼頭擴建時，浮式防波堤后期拆除和移位更加方便。

錨鏈式浮式防波堤與導樁式浮式防波堤的特點比較：1)工程位置水深較淺，潮位變化相對于與水深比值較大，不同水位時錨鏈對浮箱穩定性存在較大差異；2)考慮內側兼靠游艇船舶，導樁式浮式防波堤穩定性更好，且游艇停靠泊區域不受錨鏈影響。

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、吃水更深，特點為：1)穩定。混凝土浮箱采用整體式結構，單個浮箱寬2～10 m、長15～20 m、高1.0～1.8 m，穩定性能好，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)堅固。采用鋼筋混凝土結構。

經綜合考慮，導樁式混凝土浮式防波堤更適用于本工程。對于西側浮式防波堤的布置，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40 m左右。

3 浮式防波堤結構

混凝土浮式防波堤的浮箱頂部、側壁、倉隔采用C50混凝土，倉隔內填充聚苯乙烯泡沫。

單個浮箱寬4 m、長20 m、高1.4 m，浮箱吃水0.8 m。單個浮箱采用2根導樁在側面固定，浮箱結構見圖3。

圖3 單個浮箱結構

4 透射系數計算

采用Macagno、Wiegel、Ruol公式[9]對導樁式箱式混凝土浮箱透射系數Ct進行計算。

Macagno公式：

(1)

Wiegel公式：

(2)

Ruol公式：

(3)

式中：Ct為波浪透射系數；B為結構寬度；D為結構吃水；d為水深；L為波長；Tp為波浪譜峰周期；ki為入射波波數；β(χ)為修正系數；χ、χ0為無量綱系數；σ為無量綱系數，取0.192 2；Ct，Macagno為Macagno公式計算的透射系數。

波浪透射系數計算結果見表1。

表1 各公式計算得到的浮式防波堤透射系數

可以看出，Macagno公式計算的波浪透射系數與Ruol公式接近，為0.2～0.5，Wiegel公式計算透射系數為0.45～0.66。

國內有多位專家學者進行了導樁式浮式防波堤透射系數物理模型試驗，試驗結果都證明實際透射系數小于Macagno公式的計算結果。例如，根據劉韜等[10]的試驗數據可知，在B/L為0.36、有效波高為0.5 m時，波浪透射系數為0.35，見圖4a)；根據董華洋等[11]試驗數據可知，在B/L為0.3、有效波高為2 m時，波浪透射系數為0.4，見圖4b)。

圖4 其他研究者的試驗數據

另外，根據Inter Boat Marinas廠家提供的產品數據，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，消浪系數為0.62，即透射系數0.38，見圖5，小于前述公式的計算結果。

圖5 廠家提供的浮箱產品消浪系數

根據公式的計算結果、其他研究者的試驗數據、部分廠家提供的產品性能數據綜合可知，采用Macagno公式計算垂直導樁式浮式防波堤的透射系數基本合理，但相對較保守。在B/L為0.36時，Macagno公式計算的透射系數為0.5，實際可取0.4。

綜上所述，本工程采用寬4 m的浮式防波堤，堤后100 a一遇極端風浪的有效波高在0.3 m以下，平時堤后大部分時間風浪有效波高不大于0.1 m。

最終采用Lindley公司的QMF4000型浮式防波堤，單個浮箱尺寸為寬4 m、長20 m、高1.2 m，浮箱吃水0.8 m。

5 導樁選取及浮箱細部構造

5.1 導樁選取

結合當地地質條件，導樁采用灌注樁。導樁的計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。經計算，單個浮箱需要2根直徑0.8 m的灌注樁，使用2根樁比單樁更穩定，并能減少浮箱之間連接構件的受力。

5.2 浮箱細部構造

導樁施工完成后，帶凹槽的浮箱漂浮下推靠近樁基，使樁基進入固定結構內，最后完成最外側鋼結構固定構件對凹槽的封閉。抱樁導向裝置由橡膠塊和聚乙烯塑料塊構成，塑料塊與樁接觸。抱箍結構見圖6a)。為保證浮箱不出現上下錯動和構成整體受力，浮箱之間通過螺栓進行連接。浮箱接口位置預埋鋼構件，2個浮箱預埋鋼構件之間用螺栓連接，螺栓之間采用橡膠塊。浮箱連接構件見圖6b)、c)。

圖6 浮箱細部構造

目前，本工程已竣工運營2 a，浮式防波堤消浪效果良好，見圖7。

圖7 工程使用效果

6 結論

1)在風浪的波高和周期較小時，導樁式混凝土浮式防波堤具有較好的應用效果，除具有消浪作用外，還具有頂部通行、內側靠泊游艇等功能，且后期防波堤拆除和移位時較方便。

2)對于導樁式浮式防波堤的透射系數，Macagno公式計算結果比較合理且計算簡單，可以應用于初期的方案設計階段。后續將對其開展進一步的物理模型試驗論證。