双侧挡浪板桩基透空式防波堤宽度设计优化

双侧挡浪板桩基透空式防波堤宽度设计优化

周科1.2

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090;2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200090)

关键词：双侧挡浪板 透空式防波堤 透浪系数 堤宽

前言

桩基挡板式防波堤主要利用桩基和挡浪板的组合，达到对波浪能量削减的最佳效果。该结构型式的防波堤在国际上时常被采用，适用于波浪不太大，波周期较短的水域。

桩基透空式防波堤在我国的应用起始较晚，也不乏应用的案例，但与传统的实体式防波堤相比，运用实例和研究都较少。其结构与高桩码头类似，下部基础为桩基结构，上部为承台或梁板结构，结构迎浪侧或迎浪、背浪两侧布置直立板挡浪，水体上部完全被挡浪板遮挡，透空部分集中在一定水深之下。同实体堤比较，桩基础由于透水性好，对水动力环境以及生态环境的影响有所减少，港池内外的水体交换条件较好，具有良好的环保效果。

本文依托的背景工程为海口市国家帆船基地公共码头工程。采用通用的结构有限元软件Robot对桩基透空式防波堤结构进行数值计算，研究了在本工程的环境条件下，桩基透空式防波堤设计堤宽对消浪能力、桩基受力、以及工程投资的影响。

1 工程概况

1.1 工程概况

海口市国家帆船基地公共码头项目位于海口滨海大道上，向北隔琼州海峡与广东省相望，是海口西海岸海滩的起点，东侧靠近海口秀英港码头。码头拥有610个泊位，是目前亚洲规模最大的公共游艇码头。本工程包括长约1100m的西防波堤和450m的东防波堤，二者环抱形成约27万平方米的内港池。

帆船游艇泊位对泊稳条件的要求50年一遇设计波高顺浪不大于1.1m，横浪不大于0.5m[1],而本工程地处外海，所有泊位的正常运行完全依赖于东西防波堤的保护。

本工程位于海口市旅游资源集中的区域，工程对环境的要求很高。根据前期泥沙数模的结论，采用桩基透空式防波堤对于防止泥沙淤积，维持海岸稳定有较好效果。并且从环境影响、使用功能、以及工程造价方面比较桩基透空式防波堤均优于传统的实体式防波堤。因此，本工程防波堤结构拟采用桩基透空式防波堤结构

图1 工程平面布置图

1.2 工程地质

经勘探查明，工程海域地层自上而下依次为）、③层淤泥质粉质粘土、④层粗砂、⑤层中砂、⑥层

厚不厚，承载力小。地层总体标贯较高，承载力较好，⑤层以下均适宜作为桩基持力层，但同时地层

1.3 工程泥沙

工程海域悬沙浓度较低。从悬沙含量的垂线变化来看变化较小，表底层悬沙含量变化不明显。从平面分布来看，工程东侧海域悬沙含量大于其他方向。本工程采用海域泥沙数模推演年回淤量。预测港内年回淤强度0.1～0.15m。

1.4 设计波浪

本工程东侧地理上受秀英港掩护，强浪向和常浪向主要是N，NNW。本工程中，采用SWAN波浪数学模型[2]对工程区域波浪进行模拟，推算出设计波浪要素如表1。

表1 波浪要素

2 防波堤宽度设计初步方案

桩基透空式防波堤宽度的确定有几个基本原则。首先必须满足功能及工艺需求；其次从工程结构上需要做到安全、可靠、耐久、创新、节约；最后本工程的特殊地理位置需要工程建成后要与周边景观相协调，做到大气、美观。

《防波堤与护岸设计规范》[3]建议当透空堤采用单侧挡浪板结构时，堤宽与波长之比不宜小于0.25。本工程设计波长47m左右，推算本工程的防波堤堤宽宜不小于47/4=11.5m。刘韬等人[4]通过物理模型试验、数据分析并与既有文献成果的对比分析提出桩基透空堤功效θ与堤宽B的关系式：

从（1）式可以看出，堤宽越大，计算得的θ越小，代表防波堤的功效越好。但堤宽对功效的影响并不是线性的，因此堤宽越大，其增量对功效的影响就不再明显。

文献[5]中，通过物理模型试验分析所作的图表可以看出B/L>0.29时，透浪系数变化率已经较小。考虑到经济性，继续增大堤宽显然意义不大。因此考虑采用单侧挡浪板的透空堤时，防波堤宽度初定为11~14m。

根据规范[3]中的透空式防波堤透浪系数计算公式，如果仅采用单侧挡浪板，在本工程的设计波高条件下是不能满足游艇码头泊稳条件需求的。因此，本工程拟采用双侧挡浪板的结构形式。至于双侧挡浪板防波堤在技术经济上最优的堤宽是否与单侧挡浪板时一致，本工程的最优堤宽是多少则是本文研究的重点。

3 防波堤宽度对消浪性能的影响

由于规范[3]中的透浪系数公式并不能体现堤宽对透浪系数的影响，因此，本工程采用物理模型对各种堤宽防波堤透浪系数进行了研究。显然，减小堤宽能够节省工程量，但挡浪板由单侧增加为双侧后，是否可以适当减小堤宽而不影响透浪系数，或者大幅度的减小堤宽也不影响透浪系数，是本工程物模试验需要研究问题之一。试验中，针对堤宽6m、10m、12m、14m的双侧挡浪板式透空堤进行波浪作用模拟。试验中，各防波堤设计泥面、挡浪板设置等条件均相同，仅调整防波堤堤宽。所得透浪系数如表2、表3：

表2 +3.19水位时各防波堤透浪系数模拟值

表3 -0.55水位时各防波堤透浪系数模拟值

由表2、表3可知，堤宽为10m~14m时，透浪系数随堤宽增大而增大，但增幅不明显，但从10m减小到6m的过程中透浪系数有明显增大。因此，堤宽取10~14m比较合理。

图2 透空式防波堤结构图

4 防波堤宽度对结构受力的影响分析

从结构受力分析，透空式防波堤主要依靠斜桩来承受波浪力作用于堤身后产生的桩基上拔力。前期经过简单的成本测算确定桩基均采用PHC-800管桩。根据物模计算得到的波浪水平力，初步测算，每个排架需布置2对叉桩，排架间距5m左右。对本工程最优化的堤身宽度主要有两个衡量标准：首先，节省工程量，经济最优化；其次，减小施工及后期维护难度。

堤宽对防波堤工程量的直接影响有三个方面：第一，堤宽越大，上部结构所需混凝土量越多，造价越高；第二，堤宽越大，堤身自重加大，桩基抗拔力加大，桩长可减少，造价减少；第三，堤宽加大，桩基布置更趋合理，桩基扭角可减小，排架间距可加大，造价减少。总之，堤宽对工程造价的影响并非单一的线性关系，具体影响多大，需通过详细的受力计算，确定具体的结构尺度，桩基数量、长度等，再作分析。

本工程中，拟采用通用的三维结构有限元软件Robot对桩基透空式防波堤结构进行数值计算，计算模型如图3

图3 透空式防波堤结构计算模型

对计算结果的分析整理汇总于表4

表4 透空式防波堤模型计算结果分析

由表3可知，堤宽对桩基透空式防波堤受力性能的影响，同时受到所选桩基形式的影响。在本工程所采用的PHC-800管桩的条件小，当堤宽小于12m时，需要通过调节斜桩扭角达到合理布桩、避免碰桩的设计要求，不利用充分发挥管桩的抗拔性能，需要加密桩基，防波堤设计的经济性减小；超过12m堤宽，堤身及桩基的受力性能明显改善，施工难度降低，桩长可减短，但由于混凝土量增加，防波堤延米造价也有所增加。因此，类似条件的桩基透空式防波堤，若采用PHC管桩基础，推荐最合理的堤身宽度，应为12m左右。

5 结论

本文结合当地自然条件，通过物理模型、有限元计算等方法对桩基透空式防波堤的设计进行了优化，得到了最优的防波堤设计宽度值，对其他类似项目的实施具有很好的参考价值。本文主要结论如下：

（1）防波堤透浪系数与堤宽波长比（B/L）相关，B/L<0.21时，B/L值越小透浪系数越大；B/L>0.21时，B/L值的改变对透浪系数影响不大。因此，类似本工程条件下，确定堤宽时，建议B/L>0.21。

（2）防波堤宽度越小对桩基性能的发挥越不利，也不利于施工。

（3）B/L>0.21时，受地质条件、桩型等因素制约，堤宽增加时，防波堤造价先减后增。本工程中，防波堤造价最低时对应的B/L为0.255。

参考文献

[1] 青岛造船厂（搬迁改造工程）码头和防波堤工程断面

波浪物理模型试验报告. 交通部天津水运工程科学研

究所，2007.

[2] JTJ213-98，海港水文规范[S].交通部，1998.

[3] JTJ298-98，防波堤设计与施工规范[S].交通部，1998.

[4] 刘韬，戈国庆，钟瑚穗. 桩基透空式防波堤功效评判. 水运工程. 2013年2月， 第2期

[5] 颜宏,王云球. 温岭市石塘渔港二期防波堤工程结构方案研讨. 中国港湾建设. 2003年 第1期

附：

作者：周科；工作单位：中船第九设计研究院工程有限公司；通信地址：上海市河间路1280号8楼；邮编：200090；E-mail：zhouke@ndri.sh.cn；TEL：15801929506

作者简介：男、1982年11月、高级工程师、本科、注册土木工程师（港口航道工程）。