沈雪松，祁小輝，丁大志

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綜合

連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程

沈雪松1，祁小輝2，丁大志1

（1.連云港港30萬噸級航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

為了節(jié)省連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程投資和建設(shè)工期，采用方案比較方法，分析爆破擠淤堤、袋裝砂被堤及桶式防波堤等設(shè)計方案，根據(jù)波浪、潮流、泥沙、地質(zhì)條件、建材供應(yīng)以及施工技術(shù)等條件下建設(shè)的特點，再經(jīng)綜合比選，推薦出斜坡堤與新型桶式結(jié)構(gòu)組合的防波堤設(shè)計方案，為類似工程設(shè)計提供借鑒。

防波堤；斜坡堤；直立堤；桶式結(jié)構(gòu)

0　引言

根據(jù)《連云港港總體規(guī)劃》，連云港港將按照“一體兩翼”的總體發(fā)展思路，形成由港灣內(nèi)的連云港區(qū)、北翼的贛榆港區(qū)、前三島港區(qū)和南翼的徐圩港區(qū)、灌河港區(qū)組合的組合港[1-3]。徐圩港區(qū)地處淤泥質(zhì)海岸開敞海域，其開發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵是防波堤工程。受波浪、潮流、泥沙、地質(zhì)條件、建材供應(yīng)以及施工技術(shù)等條件的影響，防波堤工程技術(shù)方案經(jīng)綜合論證，選擇了斜坡堤與新型桶式結(jié)構(gòu)組合的方案，工程實踐證明了該方案的安全可靠性和經(jīng)濟合理性。本文重點介紹徐圩防波堤工程建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)選型、關(guān)鍵技術(shù)等方面的解決思路。

1　徐圩港區(qū)防波堤平面布置

根據(jù)港區(qū)水文、泥沙流條件以及港區(qū)規(guī)劃建設(shè)要求等，徐圩港區(qū)經(jīng)綜合比較選擇了大環(huán)抱的平面布置方案，防波堤口門位于該海域波浪破碎水深以外，約-5 m水深處，經(jīng)物模、數(shù)模研究分析論證，港內(nèi)水域掩護條件大大改善，回淤強度小。防波堤布置形態(tài)見圖1。

徐圩港區(qū)防波堤口門方向北偏東向，與港區(qū)進港航道平順銜接，按照進港航道雙向通航有效寬度取500 m的要求，防波堤口門寬度確定為1 200 m。港區(qū)防波堤工程分東、西防波堤，總長約21.77 km，其中，東防波堤長約12.2 km，西防波堤長約9.57 km。

圖1　防波堤總平面示意圖Fig.1　Schematic plan of the general layout of the breakwater

2　防波堤的建設(shè)條件

徐圩港區(qū)防波堤工程的建設(shè)條件較為復(fù)雜，其中地形地質(zhì)條件、建材供應(yīng)、海上施工條件以及建設(shè)要求是防波堤工程結(jié)構(gòu)方案確定必須重點考慮的因素。

2.1地形、地質(zhì)條件

徐圩港區(qū)地處淤泥質(zhì)海岸開敞海域，水下地形較為平緩，港區(qū)位于0～-5 m水域，是典型的淺水深用港區(qū)。防波堤區(qū)無島嶼、暗礁等，地勢上總體皆呈西南高東北低走勢[1-3]。

防波堤所在位置屬于淤泥質(zhì)海岸，淺部淤泥土層物理力學指標較差，下部黏土層、粉砂層物理力學指標相對較好。淤泥層厚度在10.0 m左右，底面標高在-13.0～-17.0 m之間；黏性土層與粉砂性土層交替出現(xiàn)，黏土層標貫擊數(shù)12擊，粉砂性土層標貫擊數(shù)23擊；鉆孔范圍內(nèi)未見基巖。防波堤結(jié)構(gòu)選型應(yīng)重點考慮表層淤泥土層的處理問題。

2.2建材供應(yīng)

徐圩防波堤工程量大，總長度約22 km。根據(jù)防波堤建材一般首選砂石料資源調(diào)查，當?shù)厣笆腺Y源較為緊張，可供本工程使用的砂石料有限，且資源不可控，砂石料價格的變動對工程投資影響較大。再考慮防波堤工程需要先行建設(shè)，工程進度要求高，工程的推進受到陸域交通制約較大，后方陸路交通和建材供應(yīng)狀況在防波堤結(jié)構(gòu)選型中必須重點考慮。

2.3海上施工條件

徐圩港區(qū)地處開敞海域，潮流強度總體不大，大潮漲急垂線平均流速在0.49～0.67 m/s，落急垂線平均流速0.37～0.73 m/s；中潮漲急垂線平均流速0.42～0.64 m/s，落急垂線平均流速0.34～0.71 m/s。該水域波況條件較差，水上施工主要受到臺風和季風影響，年作業(yè)天數(shù)約220 d。

2.4工程建設(shè)要求

徐圩港區(qū)防波堤工程是港區(qū)開發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵。根據(jù)港區(qū)開發(fā)建設(shè)的要求，防波堤工程建設(shè)工期為4 a。

3　防波堤結(jié)構(gòu)選型

結(jié)合防波堤建設(shè)條件分析，可供選擇的技術(shù)方案為斜坡堤方案、直立堤方案和斜坡堤與直立堤組合的技術(shù)方案。

3.1斜坡堤結(jié)構(gòu)

1）爆破擠淤堤

爆破擠淤法是利用炸藥爆炸將淤泥排開，以石料置換淤泥，一般適合于后方陸域石料供應(yīng)充足，石料進場方便、海域周邊允許爆破施工的情況下筑堤。爆破擠淤法通過陸上拋石和爆破推進形成堤身（圖2），一般爆破推進速度6～8 m/d。該法施工為單向推進，不需清淤挖泥，不需大型施工機械和復(fù)雜的施工技術(shù)，軟基處理深度一般可達到10～15 m。隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)斷面大，需要石方量大，延米造價高。該方案施工期主要受石料供應(yīng)的制約，由于施工單向推進，全部采用爆破擠淤方案，工期也難以滿足要求。

2）塑料排水板+袋裝砂堤芯堤

本方案通過對天然地基打設(shè)排水板，形成豎向排水通道，再分層填筑袋裝砂被和拋石（圖3），使土體中孔隙水排出逐漸固結(jié)，土體強度逐步提高，主要解決沉降問題和穩(wěn)定問題。該方案水上施工時間較長，堤身需要分級加載。本工程地處開敞海域，袋裝砂堤芯抗風浪能力差，袋裝砂堤芯施工后必須立即進行防護，因此現(xiàn)場必須具備石料供應(yīng)的條件。隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)斷面大，需要砂石方量大，延米造價高。受現(xiàn)場石料砂料來源、水上施工作業(yè)時間長、抗風浪要求高等影響，防波堤全部采用該方案存在不足。

圖2　爆破擠淤堤斷面Fig.2　Section of the embankment disposed of mud displacement by blasting

圖3　塑料排水板+袋裝砂堤芯堤斷面Fig.3　Section of the sand bag quilt dike with plastic drainage plates

3.2直立堤

結(jié)合連云港徐圩港區(qū)建設(shè)條件，設(shè)計提出了一種新型直立式防波堤結(jié)構(gòu)，即桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)[4-6]。桶式防波堤結(jié)構(gòu)主要由桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元組成。每一組結(jié)構(gòu)單元由1個基礎(chǔ)桶體和2個上部筒體組成（圖4）；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過隔板劃分為9個隔倉；2個上部筒體坐落在基礎(chǔ)桶體頂板上，相鄰兩組桶間安裝間距為1.0 m。

圖4　桶式防波堤結(jié)構(gòu)斷面Fig.4　Section of the bucket-based breakwater

該結(jié)構(gòu)形式的桶式結(jié)構(gòu)單元可以工廠化預(yù)制，半潛駁運輸，現(xiàn)場定位后抽水抽氣下沉，施工速度快，可以多作業(yè)面同時開工建設(shè)，不需進行地基加固，工期有保障，工程投資較省。但是該結(jié)構(gòu)單元施工時需要考慮桶體的運輸對于水深的要求，當水深不滿足要求時，需考慮挖泥。對于徐圩防波堤工程而言，由于近岸水深較淺，采用該方案存在水下疏浚工程量較大等不足。

3.3斜坡堤與直立堤組合結(jié)構(gòu)

本防波堤工程所在區(qū)域泥面標高在0.0～-5.0 m之間，離岸越遠水越深，表層普遍存在7～15 m淤泥。如防波堤全部采用斜坡堤結(jié)構(gòu)，在離岸較遠水深較深、淤泥較厚處，拋石（砂被）堤斷面大，工程量大，且受陸域來料約束大，以及施工期風浪影響較大。如防波堤全部采用桶式直立堤結(jié)構(gòu)，則在近岸水深較淺處，需要人工開挖形成桶式結(jié)構(gòu)運輸通道，工程量較大。因此，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，設(shè)計在水深-4.5 m以外區(qū)域，采用桶式基礎(chǔ)直立堤結(jié)構(gòu)，而在水深較淺處采用斜坡堤結(jié)構(gòu)。這樣可以滿足防波堤工程施工進度、砂石料供應(yīng)和造堤經(jīng)濟性等要求。

考慮到徐圩港區(qū)后方石料來源、運輸通道以及水上施工環(huán)境等要求，斜坡堤結(jié)構(gòu)采用塑料排水板+袋裝砂堤芯堤。根據(jù)地形，徐圩港區(qū)東防波堤工程的直立堤段長度約為4.2 km，斜坡堤約為8 km；西防波堤工程的直立堤段長度2.7 km，斜坡堤約6.8 km。

4　桶式防波堤工程關(guān)鍵技術(shù)研究

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)-地基靜動力相互作用、波流與桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用、桶式基礎(chǔ)設(shè)計方法、桶式基礎(chǔ)施工工藝關(guān)鍵技術(shù)、桶式基礎(chǔ)監(jiān)測和檢測技術(shù)等。

圍繞這些關(guān)鍵技術(shù)，在工程建設(shè)之初，建設(shè)單位組織開展了試驗研究、數(shù)值分析、現(xiàn)場觀測等一系列研究工作，包括：“連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面波浪模型試驗”，“潮流泥沙定床物理模型試驗研究波浪局部整體物理模型試驗研究”，“桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)整體工程特性的數(shù)值分析”，“新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮運穩(wěn)定試驗”，“連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程離心模型試驗”，“防波堤沿線、堤頭沖刷及防護試驗研究”，“桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及內(nèi)力研究”，“新型桶式基礎(chǔ)防波堤與地基動力相互作用數(shù)值模擬研究”，“連云港港徐圩港區(qū)地基土在波浪荷載作用下土體軟化特性及現(xiàn)場旁壓試驗研究”，“1∶6模型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工工藝研究”等[4-6]。通過上述研究，在桶式防波堤設(shè)計和施工方面獲得了一系列技術(shù)成果。

1）提出了一種適合于在軟土地基建設(shè)防波堤、導流堤、護岸等工程的新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2）建立了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗滑、抗傾等穩(wěn)定驗算方法，計算方法簡便。

3）創(chuàng)建了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮穩(wěn)定計算公式，計算方法適合于單隔倉或多隔倉桶式結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定的計算。

4）研發(fā)了桶式結(jié)構(gòu)施工的成套工藝技術(shù)。提出了大型無底薄壁混凝土新型預(yù)制工藝，薄壁構(gòu)件防開裂的混凝土澆筑技術(shù)，陸域運輸工藝，水上氣浮拖運運輸工藝，負壓下沉施工工藝，結(jié)構(gòu)糾偏施工工藝等。

通過這些研究，掌握了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性，建立了新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工方法等應(yīng)用技術(shù)，形成了桶式結(jié)構(gòu)成套設(shè)計施工技術(shù)以及檢驗標準等，為徐圩港區(qū)防波堤工程的順利建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

5　結(jié)語

連云港徐圩防波堤工程位于淤泥質(zhì)開敞海域，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，選用了桶式防波堤結(jié)構(gòu)與砂被+拋石堤結(jié)構(gòu)的組合方案。桶式結(jié)構(gòu)作為一種新型防波堤結(jié)構(gòu)，在徐圩港區(qū)防波堤工程中得到成功應(yīng)用，每月可安裝20～22個桶，建設(shè)速度快，工程質(zhì)量優(yōu)，實際造價在18萬元以內(nèi)。工程建設(shè)效果見圖5。

圖5　徐圩港區(qū)直立式防波堤建設(shè)效果Fig.5　Scenes of the up-right breakwater in Xuwei District

連云港港徐圩港區(qū)桶式防波堤工程建設(shè)的創(chuàng)新與實踐，極大地豐富了我國水運工程的建設(shè)技術(shù)，特別是在桶式防波堤結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和豎向承載力的驗算方法、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及強度計算、結(jié)構(gòu)運輸技術(shù)等設(shè)計應(yīng)用技術(shù)方面，以及無底薄壁混凝土結(jié)構(gòu)陸域運輸、海上氣浮運輸及結(jié)構(gòu)定位下沉、糾偏施工等方面所開發(fā)的應(yīng)用技術(shù)，通過工程實際檢驗是成功的。連云港徐圩港區(qū)防波堤工程應(yīng)用技術(shù)研究成果具有十分重要的推廣應(yīng)用價值。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[3]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)斜坡式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east slopping mound breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[4]天津大學.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面波浪模型試驗[R].2011. Tianjin University.Wave model test of bucket based structure sections in the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2011.

[5]南京水利科學研究院.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程離心模型試驗[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Centrifugal modeling test of breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[6]南京水利科學研究院.新型桶式基礎(chǔ)防波堤與地基動力相互作用數(shù)值模擬研究[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Numerical simulation of the dynamic interactions between bucket-based breakwater and the ground[R].2012.

Breakwater project of Xuwei District in Lianyungang Port

SHEN Xue-song1,QI Xiao-hui2,DING Da-zhi1
（1.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

To reduce the investment and shorten the construction period for the breakwater project of Xuwei District in Lianyungang Port,we made the contrastive analysis of three design schemes,namely embankment disposed of mud displacement by blasting,sand bag quilt dike and bucket-based breakwater.After considering the in-site conditions of wave, tide,sediment,geology,material supplies and construction techniques,the combination design of slopping mound breakwater and the bucket-based structure is selected as the final engineering scheme.The structure will provide much reference for other similar projects.

breakwater;slopping mound breakwater;upright breakwater;bucket-based structure

U656.21；U656.22

A

2095-7874（2016）03-0001-05

10.7640/zggwjs201603001

2016-01-05

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

沈雪松（1960—），男，江蘇泰興人，工程碩士，市港口管理局總工，研究員，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：lygshenxuesong@163.com