導(dǎo)樁式混凝土浮式防波堤在非洲某碼頭工程中的應(yīng)用

路衛(wèi)衛(wèi)，張 軍，宋蘭芳，覃 杰，陳良志

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)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(dǎo)樁式和錨鏈?zhǔn)絻煞N。

關(guān)于浮式防波堤的研究，一般側(cè)重于透射系數(shù)和結(jié)構(gòu)形式的研究。透射系數(shù)可采用理論推導(dǎo)、經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬3種方法。其中數(shù)值模擬主要采用Fluent[2]、Ansys AQWA[3]、Flow 3D[4]等軟件；結(jié)構(gòu)形式研究，目前有單箱式、雙箱、浮箱加垂板、柔性結(jié)構(gòu)等形式。

國內(nèi)關(guān)于浮式防波堤的研究比較多，多數(shù)是從結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)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(nèi)很少見到將浮式防波堤成功應(yīng)用于實際工程的情況[5]。個別成功應(yīng)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(yǎng)殖的浮筏式防波堤等；三峽船閘浮式導(dǎo)航堤采用混凝土浮箱結(jié)構(gòu)[7]，但不是作為防波堤使用。在國內(nèi)更無成熟的、標(biāo)準(zhǔn)化的、規(guī)模生產(chǎn)的浮式防波堤成品。

本文通過非洲實際完工并成功應(yīng)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(jié)構(gòu)尺寸、消波性能、導(dǎo)樁及防波堤構(gòu)造細節(jié)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(nèi)、回填陸域的西側(cè)，需要建設(shè)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(jié)合的方案，斜坡堤阻攔北側(cè)從外海傳入灣內(nèi)的涌浪，浮式防波堤阻攔灣內(nèi)西南側(cè)風(fēng)成浪。最終在浮式防波堤內(nèi)側(cè)(東側(cè))形成掩護區(qū)域，遠期布設(shè)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(shù)學(xué)模型對工程區(qū)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(qū)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(fēng)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(shù)模對工程區(qū)域1997—2013年的風(fēng)浪進行后報獲得波浪時間序列，并進一步分析，得到風(fēng)浪年最大波高一般不超過0.6 m，97%時間不大于0.3 m。風(fēng)浪波高云圖見圖2b)。

2 防波堤方案比選

2.1 北側(cè)防波堤結(jié)構(gòu)形式

北側(cè)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(cè)防波堤設(shè)置后，仍有西側(cè)風(fēng)浪，其風(fēng)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(shè)應(yīng)對西南向風(fēng)浪的防波堤對游艇碼頭區(qū)域進行掩護。

2.2 西側(cè)防波堤結(jié)構(gòu)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(fēng)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(nèi)側(cè)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?zhǔn)礁∈椒啦ǖ膛c導(dǎo)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(wěn)定性存在較大差異；2)考慮內(nèi)側(cè)兼靠游艇船舶，導(dǎo)樁式浮式防波堤穩(wěn)定性更好，且游艇停靠泊區(qū)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(wěn)定?；炷粮∠洳捎谜w式結(jié)構(gòu)，單個浮箱寬2～10 m、長15～20 m、高1.0～1.8 m，穩(wěn)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(jié)構(gòu)。

經(jīng)綜合考慮，導(dǎo)樁式混凝土浮式防波堤更適用于本工程。對于西側(cè)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(jié)構(gòu)

混凝土浮式防波堤的浮箱頂部、側(cè)壁、倉隔采用C50混凝土，倉隔內(nèi)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(dǎo)樁在側(cè)面固定，浮箱結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 單個浮箱結(jié)構(gòu)

4 透射系數(shù)計算

采用Macagno、Wiegel、Ruol公式[9]對導(dǎo)樁式箱式混凝土浮箱透射系數(shù)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(shù)；B為結(jié)構(gòu)寬度；D為結(jié)構(gòu)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(shù)；β(χ)為修正系數(shù)；χ、χ0為無量綱系數(shù)；σ為無量綱系數(shù)，取0.192 2；Ct，Macagno為Macagno公式計算的透射系數(shù)。

波浪透射系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 各公式計算得到的浮式防波堤透射系數(shù)

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

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

圖4 其他研究者的試驗數(shù)據(jù)

另外，根據(jù)Inter Boat Marinas廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，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(shù)為0.62，即透射系數(shù)0.38，見圖5，小于前述公式的計算結(jié)果。

圖5 廠家提供的浮箱產(chǎn)品消浪系數(shù)

根據(jù)公式的計算結(jié)果、其他研究者的試驗數(shù)據(jù)、部分廠家提供的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)綜合可知，采用Macagno公式計算垂直導(dǎo)樁式浮式防波堤的透射系數(shù)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(shù)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(fēng)浪的有效波高在0.3 m以下，平時堤后大部分時間風(fēng)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(dǎo)樁選取及浮箱細部構(gòu)造

5.1 導(dǎo)樁選取

結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，導(dǎo)樁采用灌注樁。導(dǎo)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(jīng)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(wěn)定，并能減少浮箱之間連接構(gòu)件的受力。

5.2 浮箱細部構(gòu)造

導(dǎo)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(jié)構(gòu)內(nèi)，最后完成最外側(cè)鋼結(jié)構(gòu)固定構(gòu)件對凹槽的封閉。抱樁導(dǎo)向裝置由橡膠塊和聚乙烯塑料塊構(gòu)成，塑料塊與樁接觸。抱箍結(jié)構(gòu)見圖6a)。為保證浮箱不出現(xiàn)上下錯動和構(gòu)成整體受力，浮箱之間通過螺栓進行連接。浮箱接口位置預(yù)埋鋼構(gòu)件，2個浮箱預(yù)埋鋼構(gòu)件之間用螺栓連接，螺栓之間采用橡膠塊。浮箱連接構(gòu)件見圖6b)、c)。

圖6 浮箱細部構(gòu)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(jié)論

1)在風(fēng)浪的波高和周期較小時，導(dǎo)樁式混凝土浮式防波堤具有較好的應(yīng)用效果，除具有消浪作用外，還具有頂部通行、內(nèi)側(cè)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(dǎo)樁式浮式防波堤的透射系數(shù)，Macagno公式計算結(jié)果比較合理且計算簡單，可以應(yīng)用于初期的方案設(shè)計階段。后續(xù)將對其開展進一步的物理模型試驗論證。