佟德勝，劉志遠，王海龍，侯樹強

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，中交海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；2.東營港建設投資有限責任公司，山東 東營 257091；3.中國核電工程有限公司，北京 100840）

1 概述

半圓形構(gòu)件已成功應用于天津港、長江口等工程，基于半圓形構(gòu)件混合堤的特點，為適應不同水文、地質(zhì)條件的要求，特別是軟土地基、砂石料短缺的情況，深入研究開發(fā)受力更為合理且施工更為方便的半圓形構(gòu)件混合堤是非常必要的。

在滿足長江南京以下12.5m深水航道一期工程建設需要的前提下，基于其研究成果，進一步深化研究探索波浪對半圓形構(gòu)件混合堤的影響及其波浪力的變化規(guī)律，以為一期工程和后續(xù)建設項目期間輔助性試驗驗證提供相應的技術支持和指導，具有推廣應用于其他類似工程建設的社會價值和較好的經(jīng)濟效益。

根據(jù)需要可在半圓形構(gòu)件拱圈的前、后半部或全部上開孔，在堤身內(nèi)部形成消浪室，以增強消浪效果。本次主要針對半圓形構(gòu)件不同方向、不同開孔部位、不同開孔率及不開孔等開展系列試驗研究。

2 試驗依據(jù)和條件

2.1 水位與波浪

不同開孔率半圓形混合堤結(jié)構(gòu)斷面設計波浪要素見表1。

表1 設計波浪要素Table1 Designwave parameter

2.2 波浪模擬

不規(guī)則波的頻譜采用JONSWAP譜型；規(guī)則波試驗中，則按照H1%波高和平均周期來進行模擬[1-3]。

3 半圓形構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)形式

1）單側(cè)開孔率10.4%半圓形構(gòu)件混合堤

半圓形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構(gòu)件迎（背）浪側(cè)高度方設排氣孔7行，孔徑φ400 mm，縱向開5列；單塊構(gòu)件縱長為6.40m，體積為73.13m3，重量為182.82 t，迎（背）浪側(cè)開孔率為10.4%，背（迎）浪側(cè)不開孔，結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 單側(cè)開孔率為10.4%的半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.1 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponentdykew ith 10.4%unilateralopening rate

2）單側(cè)開孔率20.1%半圓形構(gòu)件混合堤

半圓形空心構(gòu)件采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，且有前后趾；底板橫向開圓孔5行，底板縱向開圓形孔5列，孔徑φ500 mm，底板開孔率為11.0%；構(gòu)件迎（背）浪側(cè)高度方設排氣孔6行，孔徑φ600 mm，縱向開5列；單塊構(gòu)件縱長為6.40m，體積為71.09m3，重量為177.71 t，迎（背）浪側(cè)開孔率為20.1%，背（迎）浪側(cè)不開孔，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖2。

圖2 單側(cè)開孔率為20.1%的半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.2 Structuralsection of thesem i-circular hollow componentdykew ith 20.1%unilateralopening rate

3）不開孔半圓形構(gòu)件混合堤

不開孔半圓形空心構(gòu)件亦采用鋼筋混凝土制作，外圓半徑為4.00 m，內(nèi)圓半徑為3.50 m，底板厚度為0.60 m，無前后趾，底板及側(cè)壁均不開孔；單塊構(gòu)件縱長為6.40 m，體積為71.232 m3，重量為178.08 t，結(jié)構(gòu)斷面詳見圖3。

4 試驗研究內(nèi)容

1） 在給定水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，驗證各混合堤結(jié)構(gòu)斷面、墻身、護肩塊石、護坡塊石、拋石棱體的穩(wěn)定性；

2）同步量測不開孔及單側(cè)不同開孔率半圓形構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布，分別給出同步點壓力分布和總水平力及總垂直力；

不同開孔率及不開孔半圓形空心構(gòu)件重度均為2.5 t/m3。

圖3 不開孔半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.3 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponent dykew ith no opening rate

5 研究結(jié)果與分析

5.1 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤斷面穩(wěn)定性

在不同水位及相應波浪條件下，對不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤斷面的穩(wěn)定性進行了試驗研究，并對其進行了比較與分析，見表2。

試驗結(jié)果表明：

1）不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面，在不同計算水位，重現(xiàn)期為50 a一遇的不規(guī)則波及H1%規(guī)則波作用下，堤前200～300 kg護肩塊石表層極少量發(fā)生滾落，但塊石護肩整體穩(wěn)定，兩側(cè)100～200 kg護底塊石處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件混合堤結(jié)構(gòu)斷面穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 2 Structuralsection stability test resultsof the sem i-circular hollow com ponentdykew ith differentopening rates

2）無論半圓形空心構(gòu)件迎浪側(cè)開孔、背浪側(cè)不開孔，還是背浪側(cè)開孔、迎浪側(cè)不開孔，以及底板和側(cè)壁均不開孔半圓形空心構(gòu)件，在設計給定的波浪要素作用下，不同開孔率半圓形空心構(gòu)件均有在相應水位下發(fā)生位移，構(gòu)件失穩(wěn)[4]。

5.2 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件的波浪力

在不同水位及相應波浪條件下，同步量測了不同開孔率半圓形空心構(gòu)件內(nèi)外側(cè)波壓力及底部浮托力的大小和分布，并對其進行了比較與分析，見表3。

試驗結(jié)果表明：

1）由穩(wěn)定性試驗和波浪力試驗結(jié)果來看，二者吻合較好；

2）在相同水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件底板開孔率大于10%時，隨著迎浪側(cè)開孔率的增大，作用在半圓形拱圈里側(cè)方向向外的波壓力逐漸增大，不利于構(gòu)件穩(wěn)定，平頂及以上水位時較明顯；

3）在堤頂以下一倍波高處水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件底板開孔率大于10%時，隨著迎浪側(cè)（或背浪側(cè)）開孔率的增大，構(gòu)件逐漸失穩(wěn)；不開孔半圓形構(gòu)件更不穩(wěn)定；

4）在平頂及以上水位、相同波浪作用下，單側(cè)開孔半圓形空心構(gòu)件（底板開孔率大于10%）、背浪側(cè)開孔（迎浪側(cè)不開孔）時，波吸力對構(gòu)件作用較為明顯，即構(gòu)件向堤前方向位移；而不開孔半圓形構(gòu)件反之，即控制工況為波峰[4]。

5.3 相同波浪條件下不同開孔率半圓形空心構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性對比分析

不同開孔率半圓形構(gòu)件在設計給定的波浪要素作用下，實測了各半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小時刻的波浪總水平力、總垂直力及最小滑動穩(wěn)定安全系數(shù)，并對其進行了比較與分析，見表4。

表3 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件點壓力合成總力測試結(jié)果對比Table3 Results contrastof the total force composeof point pressure from the sem i-circular hollow component w ith differentopening rates

表4 不同開孔率半圓形空心構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性對比Table 4 Contrastof the stability againstsliding of the sem i-circular hollow com ponentw ith differentopening rates

對比分析結(jié)果表明：

1）大浪波峰作用時，迎浪側(cè)開孔和底板、側(cè)壁均不開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小，此時同步總垂直力方向向上，尤其平頂水位總垂直力達到最大，更不利于構(gòu)件穩(wěn)定。

2）在平頂及以上水位條件下，背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小時刻為負向水平力最大時刻，此時波谷為控制工況，同步總垂直力方向也是向上，不利于構(gòu)件穩(wěn)定；在堤頂以下一倍波高處水位條件下，大浪波峰作用時，背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑系數(shù)最小。

3）背浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑能力強于迎浪側(cè)開孔及底板和側(cè)壁均不開孔情況。在平頂及以上水位時，背浪側(cè)開孔10.4%半圓形構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性好于背浪側(cè)開20.1%、底板和側(cè)壁均不開孔、迎浪側(cè)開孔10.4%、迎浪側(cè)開孔20.1%情況；在堤頂以下一倍波高處水位時，迎浪側(cè)開孔半圓形構(gòu)件抗滑穩(wěn)定性好于背浪側(cè)開孔及不開孔情況，開孔率小時較穩(wěn)定[4]。

6 結(jié)語

1）無論半圓形空心構(gòu)件迎浪側(cè)開孔，還是背浪側(cè)開孔，開孔率越大，構(gòu)件易失穩(wěn)；當側(cè)壁和底板均不開孔時，也不利于半圓形空心構(gòu)件穩(wěn)定。

2）在相同水位、相同波浪作用時，半圓形構(gòu)件底板開孔、迎浪側(cè)開泄壓小孔及背浪側(cè)開排氣孔時抗滑穩(wěn)定性及受力狀況較好。該成果已應用于長江南京以下12.5 m深水航道建設一期整治工程半圓形構(gòu)件混合堤的設計和施工。

[1] JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS145-2—2013，海港水文規(guī)范[S].JTS145-2—2013,Codeofhydrology for seaharbor[S].

[3]JTS154-1—2011，防波堤設計與施工規(guī)范[S].JTS 154-1—2011,Code ofdesign and construction of breakwaters[S].

[4]佟德勝.長江南京以下12.5m深水航道建設工程一期工程整治建筑物堤身結(jié)構(gòu)新型構(gòu)件斷面波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2014.TONG De-sheng.Wave physical model test study on new type componentofdikebody of regulating structure in phase Iprojectof 12.5m deep-water navigation channel from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin：CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2014.