长江12.5 m深水航道一期工程整治建筑物堤身新型构件试验研究

佟德胜，毕琳，侯树强，王海龙

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；2.中国核电工程有限公司，北京 100840；3.东营港建设投资有限责任公司，山东 东营 257091）

1 概述

长江南京以下12.5 m深水航道建设工程包括潜堤、齿坝和护滩，潜堤总长约17.5 km，拟建处水深约为2.0～-11.5 m。为缓解大宗石料供应难度，加快工程进度，节省工程投资，其导堤、齿坝除采用传统抛石斜坡堤外，还引入长江口深水航道治理工程所采用的混合堤结构形式。新型构件混合堤结构有半圆形空心构件和齿形构件等不同形式。

2 试验研究的依据和条件

2.1 试验水位与波浪

试验采用设计水位（国家85高程，下同）及波浪要素具体可见表1，波向NW，重现期50 a一遇。

表1 设计水位及波浪要素Table 1 Thedesign level and wave parameter

2.2 波浪模拟

不规则波的频谱采用JONSWAP谱型；规则波试验中，按H1%波高和平均周期进行模拟[1-2]。

3 不同新型构件结构形式

1）齿形构件及优化：“齿形”构件的设计创意来自河道整治建筑物中导堤与齿坝的整体布置形状，中间的纵肋与导堤轴线一致，“齿形”构件抗浪、减流和促淤固沙作用强，且整个构件无需配置钢筋，对预制场地要求不高，施工方便。此构件适用于中等水深区，可按起吊重量要求设计构件长度，可减少安装数量。

齿形构件采用混凝土制作，设计为“丰”字形对称形块体，墙体高度为3.50 m，底宽为6.00 m，纵肋宽度为1.50 m，单块构件纵长为6.00 m，两侧各有3个齿，齿高为1.00 m，单个构件体积为66.6 m3，重量为159.84 t。

齿形优化构件由原齿形构件“丰”字形，改为“╪”形，也为对称形块体，墙体高度由原3.50 m增加到4.00 m，底宽为6.00 m，纵肋顶宽为1.50 m，底宽为2.00 m；单块构件纵长为6.20 m，两侧各有两个齿，齿高为1.00 m，单个构件体积为64.858 m3，重量为149.20 t，相对于原单个构件重量减少了10.64 t。齿形构件混合堤结构断面详见图1，齿形优化构件混合堤结构断面详见图2所示。

图1 齿形构件混合堤结构断面Fig.1 Structural section of the composite dike with tooth structure components

图2 齿形优化构件混合堤结构断面Fig.2 Structural section of the composite dike with optimized tooth structure components

2）品字形空心构件：品字形空心构件采用钢筋混凝土制作，设计为“品”字形，墙体高度为5.00 m，底宽为8.00 m，顶宽为3.00 m，壁厚为0.40 m；底板横向开长方形孔（1.10 m×1.30 m）3行，底板纵向开长方形孔3列；构件迎浪侧上部和下部结构沿高度方向各设排气孔2行，孔径φ200 mm，纵向开2列，下部中间箱格各开排气孔2行，分别前、后、上部箱格连通，其形式、孔径、孔高均同迎浪侧下部结构；单块构件纵长为6.00 m，体积为73.63 m3，重量为184.10 t。品字形空心构件混合堤结构断面详见图3。

图3 品字形空心构件混合堤结构断面Fig.3 Structural section of the compositedike with triangle hollow components

3）半圆拱肋空心构件：半圆拱肋空心构件受力小，抗浪性能好，且构件强度与传统半圆形构件相当，但单宽材料用量减少；在拱板面上采用梯形肋板形成肋格，以增加构件的糙率，对消浪和水流作用均有利，但构件预制较复杂。半圆拱肋空心构件采用钢筋混凝土制作，外圆半径为3.30 m，内圆半径为2.90 m，设计在半圆形构件基础上，将半圆外侧设为环形肋板，肋板高度为0.70 m，纵向中部设一条肋板，环向肋板间距为3.00 m，底板厚度为0.60 m；底板横向开圆孔4行，底板纵向开圆形孔4列，孔径φ800 mm；构件迎浪侧高度方向各设排气孔5行，孔径φ200 mm，纵向开4列；单块构件纵长为6.00 m，体积为61.6 m3，重量为153.9 t。半圆拱肋空心构件混合堤结构断面详见图4。

图4 半圆拱肋空心构件混合堤结构断面Fig.4 Structural section of the composite dike with semicircular arch rib hollow components

4）半圆形空心构件：半圆形空心构件底板开设泄压孔，以减小底板的浮托力。其特点为弧形空心轻型结构，景观效果好，适用于软土地基；构件受力好，抗浪性能佳，堤前反射较小，结构形式简单，施工方便，构件自身稳定性较强。

半圆形空心构件采用钢筋混凝土制作，外圆半径为4.00 m，内圆半径为3.50 m，底板厚度为0.60 m，且无前后趾；底板横向开圆孔5行，底板纵向开圆形孔5列，孔径φ500 mm；构件迎浪侧高度方向设排气孔5行，孔径φ240 mm，纵向开6列，背浪侧设排气孔1行，孔径φ240 mm，纵向开6列；单块构件纵长为6.00 m，体积为63.05 m3，重量为157.63 t。半圆形空心构件混合堤结构断面详见图5。

图5 半圆形空心构件混合堤结构断面Fig.5 Structural section of the composite dike with semicircular hollow components

4 试验研究内容

1）在给定水位，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，验证各混合堤结构断面、墙身、护肩块石、护坡块石、抛石棱体的稳定性；

2）在平均水位、设计低水位和极端低水位及相应周期一定的情况下，进行新型构件破坏性试验，给出新型构件处于临界稳定时的极限波高；

3）在给定水位，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，同步测定各新型构件内外侧波压力及底部浮托力的大小和分布情况，要求分别给出同步点压力分布和总水平力及总垂直力；

4） 齿形混凝土构件重度为2.3 t/m3，钢筋混凝土品字形及半圆拱肋空心构件及半圆形构件重度均为2.5 t/m3。

5 研究结果与分析

5.1 相同波浪条件下新型构件混合堤断面稳定性试验

试验是在不同水位及相应波浪条件下，对5种新型构件混合堤断面的稳定性进行了试验研究，并对其进行了比较与分析，见表2。试验研究结果表明[3]：

表2 5种新型构件混合堤结构断面稳定性试验结果Table2 Stability test resultsof thecompositedikewith fivenew typecomponents

1）不同新型构件混合堤结构断面，仅在平均水位0.80 m、设计低水位-0.69 m及极端低水位-1.59 m，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，两侧200～300 kg护肩块石有不同程度的冲刷现象，不规则波持续作用2.50 h（原型），两侧200～300 kg块石护肩表层变形不明显，整体处于稳定状态。

2）齿形及齿形优化构件混合堤结构断面在不同水位，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，齿形及齿形优化构件均处于稳定状态；在破坏性试验波浪作用下，两构件虽有振动现象，但无位移，处于稳定状态。

3）品字形空心构件混合堤结构断面，在极端高水位4.71 m、设计高水位2.67 m及相应重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，品字形空心构件处于稳定状态；在平均水位0.80 m及相应重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，品字形空心构件有移动趋势，但无位移，处于临界稳定状态；而在设计低水位-0.69 m、极端低水位-1.59 m及相应重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，品字形空心构件均有不同程度的位移发生，构件失稳。

4）半圆形及半圆拱肋空心构件混合堤结构断面在不同水位，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，半圆形及半圆拱肋空心构件有振动现象，但无位移，处于稳定状态。在平均水位0.80 m，H13%=3.00 m、T =5.69 s；设计低水位-0.69 m，H13%=2.40 m、T =5.44 s的不规则波破坏性试验时，两构件均有不同程度的位移发生；而在极端低水位-1.59 m，H13%=2.00m、T =5.21 s的不规则波破坏性试验时，两构件虽有振动现象，但无位移，均处于稳定状态。半圆拱肋空心构件稍好于半圆形空心构件。

5.2 相同波浪条件下新型构件的波浪力试验

试验是在不同水位及相应波浪条件下，同步量测了5种新型构件内外侧波压力及底部浮托力的大小和分布情况，并对其进行了比较与分析，见表3。

表3 5种新型构件点压力合成总力测试结果对比Table 3 Test resultscontrast of theforce of point pressure of fivenew type components

试验研究结果表明[3]：

1） 对于各构件与基床块石间的摩擦系数f，依据JTS154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[4]规定，一般取f=0.60，而模型上也测定了基床块石与各构件间的摩擦系数为0.53左右。在波浪力分析中，抗滑稳定系数是按规范规定的摩擦系数0.60来计算的。

2）各新型构件波浪力试验与稳定性试验结果吻合的较好；

3）无论是在不规则波作用下，还是在H1%规则波作用下，实测新型构件波浪力结果随着水深的变化规律基本为：随着水深的降低，水平力最大时刻同步点压力合成总水平力FHmax及垂向浮托力最大时刻同步点压力合成总垂直力FVmax逐渐增大，最小抗滑稳定安全系数KSmin逐渐减小。而半圆形构件随着水深的降低，垂向浮托力最大时刻同步点压力合成总垂直力FVmax逐渐增大。

4） 在相同水位条件下，不规则波作用下的KSmin实测值均相应稍小于规则波作用下的试验结果，而FHmax和FVmax均稍大于规则波作用下的试验结果。说明不规则波对新型构件的作用稍强于相应规则波。

6 结语

基于本工程平面组合布置多样、综合功能多、水流及地形变化复杂、大宗石料短缺等特点，在满足构件稳定性的前提下，适宜的堤段可采用齿形（优化）构件和半圆形空心构件混合堤结构形式，但半圆形空心构件底板应适当加厚，以增强构件的稳定性。这有利于缓解大宗石料供应难度，加快施工进度，节约工程投资，降低施工风险。

新型齿形优化构件和半圆形构件混合堤已成功应用于长江南京以下12.5 m深水航道建设一期整治工程，根据应用效果，将从半圆形构件到齿形构件混合堤受力特点的变化和功能效果进一步深化研究，并将其研究成果推广应用于其他航道整治工程建设。

[1]JTJ/T 234—2001，波浪模型试验规程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[2]JTS145-2—2013，海港水文规范[S].JTS145-2—2013,Codeof hydrology for seaharbor[S].

[3] 佟德胜.长江南京以下12.5 m深水航道建设工程一期工程（太仓—南通段）导堤断面物理模型试验研究报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2014.TONGDe-sheng.Physical model test report on the cross section of jetty in phaseⅠproject(Taicang-Nantong section)of 12.5 m deepwater navigation channel from Nanjing in the Yangtze River[R].Tianjin:CCCCTianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2014.

[4]JTS154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S].JTS154-1—2011，Code of design and construction of breakwaters[S].