深水直立堤明基床護坡和護肩塊體設計

王 軍，曾 冬，沈迪州

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

1 工程概況

阿爾及利亞Bethioua礦石碼頭項目位于阿爾及利亞Arzew港的Bethioua港區，是Arzew港務局為后方鋼鐵廠提供的配套碼頭工程[1]。本工程建設內容包括一個15萬噸級的礦石卸船泊位和接岸引堤，碼頭和引堤的軸線采用一字形布置，軸線方向為北偏東30°，平面布置見圖1。

圖1 項目平面布置及波浪特征點位置

工程碼頭結構兼做防波堤，采用雙排圓筒沉箱方案，碼頭典型斷面見圖2。圓筒外徑15 m、壁厚0.5 m，底板垂直碼頭前沿方向長17.5 m(含趾)、沿碼頭前沿方向寬16 m(含趾)、底板厚1.05 m，沉箱底高程-20.50 m。沉箱內回填開山石，沉箱外回填10～100 kg塊石，沉箱間接縫采用模袋混凝土填充。

碼頭基礎持力層選用泥灰巖層，基床頂高程-20.5 m。碼頭港側護底采用0.5 m厚格賓墊，海側護底采用3～6 t塊石。

圖2 碼頭典型斷面(尺寸：mm；高程：m)

2 設計條件

2.1 水位

本工程設計水位如下(NGA基面)：極端高水位0.70 m，極端低水位-0.60 m，設計高水位0.34 m，設計低水位-0.26 m。

2.2 水文條件

碼頭設計波浪重現期為100 a，依據項目波浪數值模型報告[2]，碼頭海側設計波浪見表1，波浪特征點位置見圖1。

表1 100 a一遇碼頭海側設計波浪

3 明基床護坡塊體的計算方法

3.1 JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》方法

直立堤明基床坡面塊體穩定質量可按JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》[3]附錄E確定(圖3)。其中，d1為基床頂面水深，d為堤前水深，H為設計波高，采用波高累計頻率為5%的波高H5%，L為計算波長。由d1/d和d/L查得系數K，可根據圖3查得塊體穩定質量，也可由公式W=KH3(t)求得塊體穩定質量。堤頭段基床坡面塊體質量應適當加強。

圖3 JTS 154—2018明基床基肩和坡面塊體穩定質量計算

3.2 改進的Tanimoto公式

日標OCDI[4]和美標CEM(EM1110-2-1100)[5]中，直立堤明基床護坡塊石穩定質量均采用改進的Tanimoto公式計算，見式(1)～(5)。該公式適用于堤身護坡塊石穩定質量的確定(波浪入射角≤60°)。

(1)

BM/L′<0.25

(2)

κ=κ1(κ2)B

(3)

(4)

(κ2)B=max[αssin2βcos2(2πlcosβ/L′)，

cos2βsin2(2πlcosβ/L′)]

(5)

圖4 日標OCDI典型的直立堤護肩和護坡塊體設置斷面

堤頭明基床護坡塊石的穩定質量計算，需要修正速度系數κ，見式(6)(7)，其穩定質量不宜小于堤身護坡塊石穩定質量的1.5倍。

κ=κ1(κ2)T

(6)

(κ2)T=0.22

(7)

根據改進的Tanimoto公式，入射角度會對堤身護坡塊體穩定質量產生較大影響，見圖5。

注：HS=8.81 m；TP=14.77 s。

3.3 護坡塊體穩定質量計算結果

本工程采用國標JTS 154—2018和改進的Tanimoto公式計算的明基床護坡塊石質量見表2。

表2 明基床護坡塊體(塊石)的穩定質量計算結果

4 明基床護肩塊體的計算方法

4.1 JTS 154—2018《防波堤和護岸設計規范》法

國標JTS 154—2018中對明基床護肩無特別的規定，設計中可采用護坡塊體的穩定質量。

4.2 日標OCDI法

日標OCDI規定直立堤海側至少擺放2排護肩塊體(矩形開孔塊體)、港側至少擺放1排護肩塊體，典型直立堤的護肩塊體和護腳塊體的布置見圖4。

根據OCDI，直立式結構護腳塊體的穩定質量取決于所需厚度t，計算公式為：

t/H1/3=df(h′/h)-0.787

(8)

式中：t為所需護肩塊體的厚度；df為系數，堤頭取0.21，堤身取0.18；h為直立堤前水深；h′為基床頂水深(不考慮護坡塊體厚度)。公式適用范圍h′/h= 0.4～1.0。

確定所需護肩塊體厚度后，可按照表3選擇護肩塊體的尺寸。

4.3 CEM法

美標CEM(EM1110-2-1100)采用Takahashi(1996)圖表確定護肩塊體的穩定厚度，見圖6，其中：t′為護肩塊體的厚度；H為設計波高，建議取1.8H1/3；hb為護肩塊體頂面水深；hs為直立堤前水深。

圖6 CEM護肩塊體設計

4.4 護肩塊體計算結果

表4對比日標OCDI和美標CEM的明基床護肩塊體的穩定質量計算結果。

表4 明基床護肩塊體的穩定質量計算結果

5 理模型試驗

本工程的2D和3D物理模型試驗在阿爾及利亞海洋研究實驗室完成[6-7]，以驗證設計方案的合理性。碼頭(兼做直立堤)的2D斷面物理模型和3D物理模型均為正態模型，按照弗勞德相似準則設計，2D和3D物理模型的試驗幾何比尺分別為1/56、1/68。試驗采用的波浪要素見表5、6。

表5 -22 m水深處折射后2D物理模型試驗波浪數據

表6 -26 m水深處3D物理模型試驗波浪數據

為充分論證直立堤明基床護坡和護肩設計方案的合理性，本工程設計了多種護坡方案在2D和3D物理模型試驗中驗證穩定性，這些方案的試驗結果見表7。

表7 2D和3D物理模型試驗護坡方案

根據物理模型試驗結果，本工程最終確定的設計方案見表8。

表8 本工程施工圖階段直立堤的護坡和護肩設計方案

圖7 護坡單層12 t Antifer物理模型試驗照片

6 結論

1)國標JTS 154—2018在長周期大波浪(Hs=8.81 m，Tp=14.77 s)條件下，計算所得的護坡塊石質量(31.33 t)偏大，說明國標的計算方法在該波浪條件下已經不再適用。

2)正向浪條件下(波浪入射角0°)，根據改進的Tanimoto公式計算所得堤身護坡塊體穩定質量為1.97 t，在2D物模試驗中1～3 t塊石(中值為2 t)并不穩定，說明該方法在正向波浪條件下計算的結果偏小，設計中需要適當的保守考慮。

3)斜向浪條件下，根據改進的Tanimoto公式，隨著波浪入射角(<90°)增大，堤身護坡塊體的穩定質量顯著增大。本工程直立堤堤身的護坡塊石穩定質量計算值為3.4 t，在3D物模試驗中驗證2～4 t塊石(中值為3 t)也是穩定的，公式計算和試驗較吻合。但由于在其他大角度下，護坡塊石的計算值明顯偏大(如Hs=8.81 m，β=60°時，公式計算值9.51 t，3D物模沒有模擬該工況)，因此波浪入射角對護坡塊石穩定質量的影響有待進一步研究。

4)根據改進的Tanimoto公式，堤頭護坡塊石穩定質量計算值為4.97 t，3D物模試驗中，3～6 t護坡塊石(中值4.5 t)穩定，公式計算值和試驗結果較吻合。

5)對于護肩塊體，日標OCDI計算所得的穩定厚度比較保守。OCDI中提到護肩塊體的主要作用是防止基床碎石被淘刷。本工程堤身取消護肩塊體，通過在基床塊石外設置格賓墊來防止淘刷，通過了物模試驗的驗證。

6)國內外的計算方法與2D & 3D物模試驗結果均存在一定偏差，建議重要工程通過物模試驗驗證設計方案的合理性。