【摘 要】随着我国港口建设的发展，港址已由天然条件较好的港湾向波浪条件更为恶劣的外海发展。防波堤作为抵御外海波浪侵入、为港内水域提供平稳作业条件的重要水工建筑物，其设计方法和理念一直受到水运行业的高度重视和不断研究。因此，本文主要对防波堤结构的优化设计进行分析探讨。
【关键词】防波堤；结构；优化设计
引言：防波堤具有较多的种类，能够有效防范海浪对海域所带来的侵袭，有效维持港内水域的平稳性，确保船舶停靠的平稳性，保证正常的装卸及旅客上下需要。同时防波堤能有效减少港内淤积的发生，避免大量流冰进入港内，部分防波堤还能够兼作码头使用。近年来，港口工程建设技术取得了较快发展，随着新技术、新结构及新工艺应用于防波堤工程，需对防波堤结构进行优化设计，确保更好的保护港口作业的安全性。
一、工程概况
文中以某一港口防波堤具体建设工程为例，对防波堤结构设计进行具体的阐述。该拟建的防波堤总长为420米，主要是对东向及东北向的波浪进行阻挡。防波堤设计水位及设计波浪需要根据相关的规范要求进行计算。同时拟建防波堤以细砂混淤泥、砂混粘性土、粉质粘土、风化石英岩为主。
二、防波堤初始设计
由于防波堤工程具有较强的复杂性和专业性特点，在该项工程中，根据水深、潮差、波浪及地质、施工条件等因素选择斜坡式结构，并对外坡坡度、护面及块体下块石垫层重量等都进行了确定。在防波堤顶设置防浪墙，根据工程的具体情况来对墙高、底宽及顶宽进行设计。同时以块石作为防波堤内、外坡脚外侧的护底，对滩面标高进行设计。
1、护面块体的选取
国内外常用的护面块体有扭工字块、扭王字块、四角空心方块、A-JACK等。四角空心方块不适用于波高较大的海域，同时根据印度洋海域其他防波堤工程的建设经验，扭工字块及A-JACK的支腿均有较为细长的特点，在使用过程中，对垫层块石理坡要求很高，若理坡达不到施工质量要求，遇到大浪时则容易出现断肢的现象，因此同样不宜采用。考虑到扭王字块在国外的专利使用权已过期，总包商最终选定了中交一航院发明的双联块体，其稳定系数与扭王字块接近，同时其支腿断面也较为粗短，适用于长周期波的海域。
2、堤身宽度
国内规范中关于斜坡堤堤顶宽度取值要求为1.10～1.25倍设计波高值，同时要求至少能并列随机安放3块人工块体，对于陆上推进的斜坡堤，需考虑施工机械要求。由于印度洋海域波高大，设计采用护面块体质量也较大，因此施工时需采用起吊能力强的大型吊机。该类吊机履带宽度通常在7～8m，考虑到施工时还有钩机、石料运输设备等，堤身设计时应宽大为宜。尽管宽堤身会增加堤心石工程量，然而其具备以下优点:（1）为施工带来很大的便利，大幅缩短工期。（2）由于长周期波的穿透性很强，宽堤身有利于减弱透浪;（3）宽堤身可有效减少越浪量。综合考虑各种因素，宽堤身的设计对于长周期波海域更为适合。
3、堤身结构断面
根据业主标书功能要求，在设计高水位及50a一遇的波浪条件下，防波堤越浪量要求较高，需小于50L N(m·s)，因此防波堤设计类型为基本不越浪防波堤，堤身采用1～800kg块石推填而成，根据美标波浪爬高及越浪量的计算，堤顶高程为9.70m，堤顶设混凝土挡浪墙。防波堤海侧护面块体采用18.0t双联块体，护面块体下设置1600mm厚的900～1800kg块石垫层，坡底设2层12t双联块体压脚。为方便防波堤的维护并考虑二期防波堤的施工，港池侧预留一条行车通道，行车通道根据二期施工吊机履带宽度定为7m，港池护面采用900～1800kg块石，护面块石下设置800mm厚的100～200kg块石垫层。护底设600mm二片石垫层及1000mm400～500kg护底块石。
4、首次优化断面
由于该区域设计波高大，周期长，导致挡浪墙断面较大，每延米混凝土用量为15.2m3，每延米质量为35t，施工时若采用预制吊装，则对施工设备的起吊能力要求很高，从而使施工成本费用上升。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另一方面，由于本工程工期紧，若采用现浇挡浪墙，施工时需选择浪小的施工条件，工期无法保证。与此同时，根据总包方反映，现场石料非常充足且价格低廉，因此，经设计组研究，决定采用护面块体替代挡浪墙作为内坡防护。用护面块体代替挡浪墙具有如下优点：（1）护面块体可直接预制，同时相比较预制挡浪墙，安装时无需更大型的起吊设备；（2）节约挡浪墙的模板，而护面块体模板可直接重复利用外坡块体模板；（3）节约挡浪墙的构造钢筋；（4）若防波堤遭遇罕见大浪导致破坏，挡浪墙结构容易出现整体破坏，不易维修，而全护面块体的结构更加易以维护；（5）虽然断面加大，石头量有所增加，然而护面块体的混凝土用量较挡浪墙更小，每延米混凝土用量为11.6m3，综合施工费、材料费及工期，总体测算造价更低；（6）断面增大可减少长周期波的透浪，对港池泊稳更加有利。
三、防波堤结构优化设计
1、护底块石。对于护底块石的稳定重量需要根据规范公式以堤前最大波浪底流速来进行确定。针对于试验中外坡护底块石在设计低水位下存在个别滚动的情况，需要对护底块石稳定性与坡脚扭王字块体的稳定性进行充分考虑，为了避免其可能会对整体防波堤护面稳定性带来的影响，则需要增加外坡护底块石的重量，确保护底块石在各水位下具有较好的稳定性。
2、内侧坡护面。由于内坡不会受到外海波浪的直接影响，因此在缺乏越顶波浪水流具体数值的情况下根据以往经验采用厚度80厘米的插砌条石家护面形式。但在试验过程中，在五十年一遇极端高水位与相应水位的五十年一遇波浪组合时，内侧上坡的插砌条石在越顶波浪水流冲击下会出现松动情况，存在多块条石被抽出的现象。在对设计进行优化时，需要加大条石的长度，但这样必然会导致工程造价增加，而且该工程量较大，利用人工插砌条石存在着费工费时的问题，因此可以采用砼框架与掺石砼护面的形式，并预留好排水孔，确保内侧坡护面具有较好的稳定性。
3、防浪墙。在初始设计时，防浪墙顶高程是按照基本不越浪标准来确定的，而且防浪墙的抗倾抗滑性能也能够有效的满足规范上关于稳定性的要求。在试验中各个设计水位下堤顶防浪墙都具有较好的稳定性。但防浪墙顶的高程直接关系到堤顶越浪量的大小，会对内坡的工作环境带来直接的影响，因此需要对内坡肩台附近进行有效调整。通过对防浪墙顶标高和底标高进行调整，将挑浪嘴增设在墙顶部外侧，从而有效的减少越浪量，对内坡平台的工作环境进行有效的改善。
4、内侧肩台。在试验过程中内坡平台抛填块石存在着滚动及被冲走的现象，同时预制砼镇脚块存在着外移的问题。针对施工技术及经济性方面考虑，在调整时可以采用抬高防浪墙的顶高程的办法，这样即使在极端高水位下，预制砼镇脚块也能够保持稳定状态，平台抛镇块石也能够保持基本稳定。对于局部不稳定情况，可以增加预制砼镇脚宽度，将平台抛填块石改为平台理砌块石，有效的提高坡护面的稳定性，从而确保防浪墙及防波堤整体稳定性。
四、结束语
防波堤工程作为港口工程中非常重要的组成部分，属于港口重要的水工建筑物，其具有较多的类型，而且在科学技术水平不断提高的新形势下，一些新型的防波堤也不断的涌现出来，在港口工程施工过程中有了更多的选择。但在具体防波堤设计时，需要遵循技术先进、经济合理、结构安全及适用且耐久等原则，有效的保证港内水域的泊稳条件，满足船舶停泊及码头装卸作业等需求，确保港口的安全性和稳定性。
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论文作者:张恩铭
论文发表刊物:《低碳地产》2016年7月第14期
论文发表时间:2016/11/4
标签：防波堤论文; 块体论文; 波浪论文; 结构论文; 水位论文; 稳定性论文; 工程论文; 《低碳地产》2016年7月第14期论文;