鄧濤，張昊

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230）

結(jié)合施工通道的某攔沙潛堤設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

鄧濤，張昊

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230）

斯里蘭卡港口城攔沙潛堤位于水面以下6 m，屬于潛堤結(jié)構(gòu)。為形成外防波堤陸上推進(jìn)施工條件，需沿?cái)r沙潛堤快速修建通往外防波堤的施工通道。文中提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案結(jié)合了永久攔沙潛堤和臨時(shí)施工通道的特點(diǎn)，應(yīng)用了國(guó)外潛堤塊石穩(wěn)定以及倒濾設(shè)計(jì)的研究成果，最大化地節(jié)省了石料用量，優(yōu)化了施工工序，節(jié)省了寶貴工期和工程造價(jià)。

攔沙潛堤；施工通道；幾何非封閉倒濾

1 工程概況

斯里蘭卡科倫坡港口城項(xiàng)目位于科倫坡市中心，規(guī)劃范圍北至科倫坡南港防波堤，東至現(xiàn)有海岸線高爾路。其中一期基礎(chǔ)工程為大型圍海造地工程，通過(guò)吹填為城市建設(shè)提供用地。工程主體由陸域回填、外防波堤、攔沙堤、潛堤、運(yùn)河護(hù)岸、游艇碼頭、游艇外護(hù)岸以及人工沙灘組成，其平面布置圖如圖1所示。

外防波堤位于水深-16~-20 m，距離后方陸域遠(yuǎn)，沿?cái)r沙潛堤快速修建施工通道通往外防波堤成為滿足工期要求且經(jīng)濟(jì)的選擇。

圖1 港口城平面布置圖Fig.1Plan layout of port city

2 主要設(shè)計(jì)條件

工程所處海域?qū)俨灰?guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象明顯。平均大潮高潮位0.7 m；平均小潮高潮位0.5 m；平均海平面0.4 m；平均大潮低潮位0.1 m。

科倫坡屬熱帶季風(fēng)氣候，流速相對(duì)較弱。海域風(fēng)浪常年存在，西南季風(fēng)期（5—9月），西南方向風(fēng)浪較大；東北季風(fēng)期（12—翌年2月），風(fēng)浪與涌浪方向差別較大。由于科倫坡位于斯里蘭卡的西海岸，熱帶氣旋影響相對(duì)較小。根據(jù)3D物模實(shí)測(cè)的波浪結(jié)果，攔沙潛堤頂面-6.0 m處200 a一遇設(shè)計(jì)波高Hs=4.02 m，周期TP=16 s，波長(zhǎng)Lp=185 m。

攔沙潛堤區(qū)域原泥面位于-14 m左右，工程區(qū)域表層分布松散砂，為砂質(zhì)海床。下方分布粉砂和砂性土，土體指標(biāo)較好，適合斜坡堤的建設(shè)。

3 EPC合同斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 EPC合同設(shè)計(jì)斷面

攔沙潛堤功能為保護(hù)堤后人工沙灘的回填砂，消減堤后波浪，以減少沙灘護(hù)岸的越浪，同時(shí)掩護(hù)游艇碼頭以滿足泊穩(wěn)要求。EPC方案采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤頂高程-5.0 m，選用5 t扭王塊護(hù)面，坡度1∶1.5，護(hù)面塊體下方設(shè)置300~500 kg的墊層塊石，堤心采用1~500 kg塊石，海側(cè)和陸側(cè)坡腳設(shè)置2~5 t拋石棱體，高程為-9.5 m，海測(cè)和陸側(cè)設(shè)置10 m寬的300~500 kg的護(hù)底塊石，回填砂從攔沙堤坡腳起坡，斷面見(jiàn)圖2所示。

圖2EPC合同設(shè)計(jì)斷面Fig.2Design typical section in EPC contract

3.2 堤頂高程和寬度設(shè)計(jì)

EPC合同要求攔沙潛堤原則上頂標(biāo)高不超過(guò)-5.0 m，堤頂標(biāo)高的確定需要滿足以下要求：

1）攔沙功能要求。即防止后方人工沙灘的回填砂流失。

2）游艇通航要求。攔沙潛堤作為游艇進(jìn)出通道，EPC合同要求攔沙潛堤和游艇港池底標(biāo)高均為-5 m，-5 m的游艇港池底標(biāo)高可允許更大船只停泊，如長(zhǎng)度約40 m，最大吃水4.2 m的機(jī)動(dòng)游艇，而-5 m的攔沙堤頂標(biāo)高則不能通航此類游艇，EPC設(shè)計(jì)存在功能不匹配從而降低游艇碼頭的使用價(jià)值。因此將攔沙堤頂標(biāo)高降為-6 m更經(jīng)濟(jì)。

3）游艇碼頭泊穩(wěn)要求。通過(guò)攔沙潛堤波浪會(huì)對(duì)游艇碼頭泊穩(wěn)產(chǎn)生影響，如游艇碼頭的頂標(biāo)高降低過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入游艇碼頭區(qū)域的波高變大，影響游艇碼頭使用。3D物模實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)表明[1]，高程由-5 m降低到-6 m對(duì)波浪影響基本可以忽略，不會(huì)對(duì)碼頭泊穩(wěn)造成影響。

綜上所述，選取攔沙潛堤的頂標(biāo)高為-6 m。 The Rock Manual[2]要求堤頂在構(gòu)造上至少允許放置3~4塊塊石，根據(jù)護(hù)面塊石規(guī)格大小，選定攔沙潛堤堤頂寬度為4.8 m（4塊塊石）。

3.3 護(hù)面塊石設(shè)計(jì)

EPC合同提供的方案中，攔沙潛堤的護(hù)面采用了5 t扭王塊，扭王塊水上安裝困難且很難保證其水下的嚙合。分析攔沙潛堤結(jié)構(gòu)位于水面以下6 m深度，隨著淹沒(méi)水深的增加，護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)顯著增強(qiáng)，因此可優(yōu)化為大塊石護(hù)面。

The Rock Manual[2]給出了以下2種情況的計(jì)算公式：1）堤頂在水面附近的潛堤，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要受越浪和波浪破碎影響；2）近海床的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)堤頂高程很低，基本不受波浪破碎的影響。

本項(xiàng)目攔沙潛堤的高程位于-6 m，波浪破碎（HS=4.02 m）仍然對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有一定影響，但堤頂又不在水面附近，在上述2種情況適用范圍之外。The Rock Manual中關(guān)于潛堤的計(jì)算公式（式5.167）最大適用范圍為-2.9

對(duì)于類似攔沙潛堤這種水下結(jié)構(gòu)物在波浪作用下的穩(wěn)定性尚未有成熟的理論計(jì)算，Van der Meer[3-4]提出的式（1）統(tǒng)計(jì)了大量物模試驗(yàn)結(jié)果，提出基于相對(duì)高度hc′/h的計(jì)算公式，該公式可用于初步估算所需塊石穩(wěn)定重量大小。

所需的塊石中值粒徑可以根據(jù)式（2）求得：式中：hc′為堤頂距海底的高度；h為堤前水深；NS*為穩(wěn)定系數(shù)；S為損壞程度參數(shù)；Δ為塊石于水的相對(duì)密度；Hs為有效波高；Lp為采用譜峰周期計(jì)算得到的波長(zhǎng)。圖3為所需護(hù)面塊石的中值質(zhì)量M50隨損壞程度參數(shù)S的關(guān)系曲線，當(dāng)S=1（2代表開(kāi)始損壞）時(shí)，M50接近3.2 t。

圖3 護(hù)面塊石穩(wěn)定重量計(jì)算結(jié)果Fig.3Stabilized weight calculation results of armour rock

物模驗(yàn)證結(jié)果[1]表明，3~5 t（M50=4 t）護(hù)面塊石在不同水位以及200 a一遇波高組合工況下，在6 h后，滿足了穩(wěn)定要求（沒(méi)有塊石滾動(dòng)）。式（1）和式（2）計(jì)算結(jié)果與物模試驗(yàn)結(jié)果較接近，反映了該公式適用于本項(xiàng)目攔沙潛堤的情況。結(jié)合3D物理模型試驗(yàn)結(jié)果，坡度選用1∶1.5，護(hù)面塊石重量?jī)?yōu)化為3~5 t塊石。

3.4 墊層塊石設(shè)計(jì)

為保證大小塊石之間過(guò)渡，通常在大塊石下方設(shè)置墊層塊石，The Rock Manual[2]規(guī)定墊層塊石重量可取護(hù)面塊石重量的1/15~1/10，則在護(hù)面塊石和堤心石之間需設(shè)置300~500 kg墊層塊石。BS-6349《海工建筑》第七分冊(cè)[5]規(guī)定大小塊石之間過(guò)渡時(shí)，相應(yīng)的級(jí)配應(yīng)滿足Terzaghi倒濾準(zhǔn)則。

式中：D為塊石的名義尺寸（等效立方體），下標(biāo)15和85指通過(guò)某粒徑百分比，u和c分別表示墊層塊石和堤心石。根據(jù)Terzaghi倒濾準(zhǔn)則，計(jì)算3~5 t可以直接放置于堤心石上，而不必在之間額外設(shè)置墊層塊石過(guò)渡，國(guó)外也有4~6 t的大塊石直接放置于堤心石上成功的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

3.5 寬級(jí)配塊石在護(hù)底設(shè)計(jì)中應(yīng)用

受到海洋動(dòng)力作用，為防止砂質(zhì)海底的沖刷，JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[6]規(guī)定在護(hù)底塊石和砂質(zhì)海底之間應(yīng)設(shè)置倒濾層，BS-6349《海工建筑》第七分冊(cè)[5]也規(guī)定不同塊石之間級(jí)配應(yīng)滿足Terzaghi倒濾準(zhǔn)則。

以上規(guī)定均為對(duì)倒濾層設(shè)置必要性的定性認(rèn)識(shí)，并未針對(duì)不同部位海洋動(dòng)力大小不同而進(jìn)行區(qū)分，均要求采用級(jí)配要求嚴(yán)格設(shè)置倒濾層，該傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，可稱之為幾何封閉的倒濾設(shè)計(jì)理念。The Rock Manual[2]指出對(duì)于海洋動(dòng)力較弱的區(qū)域，該原則往往過(guò)于保守和不經(jīng)濟(jì)，可結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選用幾何非封閉的倒濾設(shè)計(jì)理念。

根據(jù)計(jì)算攔沙潛堤的護(hù)底塊石M50約為300 kg塊石，1~500 kg堤心石存在滿足穩(wěn)定要求塊石，1~500 kg塊石表層小顆粒塊石可能會(huì)被水流力帶走，但滿足穩(wěn)定要求的大塊石會(huì)留下來(lái)，阻止了下方堤心石進(jìn)一步流失，最終會(huì)形成大塊石和堤心石組合雙層倒濾結(jié)構(gòu)。

滿足倒濾功能的1~500 kg的厚度采用CUR223[7]的研究成果，計(jì)算公式為：

式中：Df為倒濾層厚度，m；d為塊石的名義尺寸（等效立方體）；下標(biāo)15和50指通過(guò)某粒徑百分比，下標(biāo)f、b分別表示倒濾層和基礎(chǔ)層，Δ為材料水下相對(duì)重度；γ為傳輸參數(shù)，取0.69；Ψcf、Ψcb分別為倒濾層和基礎(chǔ)層的臨界Shield參數(shù)；αk為與湍流強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù)（高湍流條件為0.5）；VGf、VGb分別為倒濾層和基礎(chǔ)層的不均勻系數(shù)。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，砂質(zhì)海床的db85為0.8 mm，db50為0.4 mm，Shield參數(shù)Ψcb取0.015。3種不同級(jí)配堤心石作為倒濾層的厚度，結(jié)果見(jiàn)表1。計(jì)算滿足倒濾要求的厚度Df在1.5~2.3 m之間，其厚度與堤心石中細(xì)顆粒含量有關(guān)，細(xì)顆粒含量越多，計(jì)算所需厚度越小。對(duì)于深水區(qū)波浪作用較小的區(qū)域采用半封閉倒濾原則，護(hù)底可采用3.0 m厚堤心石作為砂質(zhì)海床的護(hù)底塊石。

表13 種不同級(jí)配的幾何非封閉倒濾層計(jì)算厚度Table 1Calculated layer thickness for a granular open filter for three different gradation m

3.6 結(jié)合施工通道的優(yōu)化斷面擬定

為加快外防波堤的推進(jìn)速度，需沿?cái)r沙潛堤快速修建通往外防波堤的臨時(shí)通道，結(jié)合臨時(shí)通道結(jié)構(gòu)對(duì)EPC設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案斷面圖見(jiàn)圖4，攔沙潛堤頂高程由-5 m優(yōu)化為-6 m，頂寬為4.6 m；護(hù)面塊石由5 t扭王塊優(yōu)化為3~5 t塊石，坡度1∶1.5；堤心采用1~500 kg塊石，海側(cè)壓腳高程為-9.5 m；陸側(cè)2層護(hù)底結(jié)構(gòu)優(yōu)化為單層3 m厚堤心石以滿足砂質(zhì)海床的倒濾要求。

圖4 優(yōu)化后設(shè)計(jì)斷面Fig.4Optimized section

優(yōu)化方案的施工工序?yàn)椋?）攔沙潛堤的堤心石水上拋填和護(hù)面塊石安裝；2）將形成攔沙潛堤作為后方擋沙結(jié)構(gòu)，水上回填-7 m以下臨時(shí)通道的堤心砂結(jié)構(gòu)；3）陸上推填臨時(shí)通道結(jié)構(gòu)堤心砂上方的塊石，完成臨時(shí)通道結(jié)構(gòu)的施工；4）臨時(shí)通道完成使命后，為滿足通航要求，需陸上挖除-7 m以上的塊石并二次利用，-7 m以下的回填砂維持現(xiàn)狀無(wú)需挖除。

優(yōu)化后的攔沙潛堤避免了水上安裝扭王塊，優(yōu)化了施工工序，最大化利用回填砂以減少臨時(shí)通道塊石用量，海側(cè)護(hù)面塊石可在施工通道形成后轉(zhuǎn)換為陸上施工。在滿足合同和規(guī)范要求前提下，優(yōu)化方案可節(jié)省工期并顯著減少工程造價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下：

1）對(duì)于堤頂位于水面一定深度且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定仍受波浪破碎影響，建議按照式（1）進(jìn)行初步估算，并結(jié)合物模試驗(yàn)確定塊石所需規(guī)格。

2）常規(guī)的幾何封閉的倒濾設(shè)計(jì)理念被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)中，但對(duì)于海洋動(dòng)力較弱的區(qū)域，該原則往往過(guò)于保守和不經(jīng)濟(jì)，可結(jié)合倒濾研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)采用幾何非封閉的倒濾設(shè)計(jì)理念。3）在滿足EPC合同以及規(guī)范要求前提下，

本文優(yōu)化方案結(jié)合永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)施工通道的特點(diǎn)，應(yīng)用了國(guó)外潛堤塊石穩(wěn)定以及幾何非封閉的倒濾設(shè)計(jì)的研究成果。滿足了現(xiàn)場(chǎng)快速施工的要求，避免了水上扭王塊安裝施工，優(yōu)化大量塊石和反挖工程量，可供其他類似工程項(xiàng)目參考。

[1]周益人.斯里蘭卡科倫坡港口城項(xiàng)目南口門局部整體波浪泥沙物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2015. ZHOU Yi-ren.3-D physical model test on local integral wave sediment at the southern entrance of Colombo Port City Development Project[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

[2]ESCARAMEIA Manuela.The rockmanual-the use of rock in hydraulic engineering[M].2nd ed.London:CIRIA,2007.

[3]VAN DER MEER J W,PILARCZYK K W.Stability of low-crested and reef breakwaters[J].American Society of Civil Engineers,1990: 1 375-1 388.

[4]VAN DER MEER J W,DAEMEN Ivar F R.Stability and wave transmission at low-crested rubble-mound structures[J].Journal of Waterway Port Coastal&Ocean Engineering,1994,120(1):1-19.

[5]BS 6349-7,Guide to the design and construction of breakwaters[S].

[6]JTS 154-1—2011，防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S]. JTS 154-1—2011,Codeofdesignandconstructionofbreakwaters[S]. [7]CUR.Interface stability of granular filter structures[M].The Netherlands:CUR Building&Infrastructure,2010.

Analyses and optimization design of submerged sand barrier combined with temporary access road

DENG Tao,ZHANG Hao
（CCCC FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

The submerged sand barrier of Sri Lanka port city have their crest below water of 6 m,belonging to submerged structure.In order to create land-based construction condition for breakwater,the temporary access road leading to the breakwaters should be constructed with high-speed along submerged sand barrier.In this paper,we proposed the optimization design combines the feature of the permanent submerged sand barrier and temporary access road,and applied worldwide research results for submerged-stone stability formula and geometrically open filter rules in design.The optimized design can save large quantity of rock,optimize construction process,and shorten the construction period and save the project cost.

submerged sand barrier;temporary access road;geometrically open filters

U656.2

A

2095-7874（2017）07-0053-04

10.7640/zggwjs201707012

2016-11-09

2017-02-11

鄧濤（1985—），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事港口與航道工程工作。E-mail：dengt@fhdigz.com