长江南京以下12.5m深水航道一期工程半圆形构件混合堤深化研究

佟德胜，刘志远，王海龙，侯树强

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

1 概述

半圆形构件已成功应用于天津港、长江口等工程，基于半圆形构件混合堤的特点，为适应不同水文、地质条件的要求，特别是软土地基、砂石料短缺的情况，深入研究开发受力更为合理且施工更为方便的半圆形构件混合堤是非常必要的。

在满足长江南京以下12.5m深水航道一期工程建设需要的前提下，基于其研究成果，进一步深化研究探索波浪对半圆形构件混合堤的影响及其波浪力的变化规律，以为一期工程和后续建设项目期间辅助性试验验证提供相应的技术支持和指导，具有推广应用于其他类似工程建设的社会价值和较好的经济效益。

根据需要可在半圆形构件拱圈的前、后半部或全部上开孔，在堤身内部形成消浪室，以增强消浪效果。本次主要针对半圆形构件不同方向、不同开孔部位、不同开孔率及不开孔等开展系列试验研究。

2 试验依据和条件

2.1 水位与波浪

不同开孔率半圆形混合堤结构断面设计波浪要素见表1。

表1 设计波浪要素Table1 Designwave 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，则按照H1%波高和平均周期来进行模拟[1-3]。

3 半圆形构件混合堤结构形式

1）单侧开孔率10.4%半圆形构件混合堤

半圆形空心构件采用钢筋混凝土制作，外圆半径为4.00m，内圆半径为3.50 m，底板厚度为0.60 m，且有前后趾；底板横向开圆孔5行，底板纵向开圆形孔5列，孔径φ500 mm，底板开孔率为11.0%；构件迎（背）浪侧高度方设排气孔7行，孔径φ400 mm，纵向开5列；单块构件纵长为6.40m，体积为73.13m3，重量为182.82 t，迎（背）浪侧开孔率为10.4%，背（迎）浪侧不开孔，结构断面见图1。

图1 单侧开孔率为10.4%的半圆形空心构件混合堤结构断面Fig.1 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponentdykew ith 10.4%unilateralopening rate

2）单侧开孔率20.1%半圆形构件混合堤

半圆形空心构件采用钢筋混凝土制作，外圆半径为4.00m，内圆半径为3.50 m，底板厚度为0.60 m，且有前后趾；底板横向开圆孔5行，底板纵向开圆形孔5列，孔径φ500 mm，底板开孔率为11.0%；构件迎（背）浪侧高度方设排气孔6行，孔径φ600 mm，纵向开5列；单块构件纵长为6.40m，体积为71.09m3，重量为177.71 t，迎（背）浪侧开孔率为20.1%，背（迎）浪侧不开孔，结构断面详见图2。

图2 单侧开孔率为20.1%的半圆形空心构件混合堤结构断面Fig.2 Structuralsection of thesem i-circular hollow componentdykew ith 20.1%unilateralopening rate

3）不开孔半圆形构件混合堤

不开孔半圆形空心构件亦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，无前后趾，底板及侧壁均不开孔；单块构件纵长为6.40 m，体积为71.232 m3，重量为178.08 t，结构断面详见图3。

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）同步量测不开孔及单侧不同开孔率半圆形构件内外侧波压力及底部浮托力的大小和分布，分别给出同步点压力分布和总水平力及总垂直力；

不同开孔率及不开孔半圆形空心构件重度均为2.5 t/m3。

图3 不开孔半圆形空心构件混合堤结构断面Fig.3 Structuralsection of the sem i-circular hollow com ponent dykew ith no opening rate

5 研究结果与分析

5.1 相同波浪条件下不同开孔率半圆形空心构件混合堤断面稳定性

在不同水位及相应波浪条件下，对不同开孔率半圆形空心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。

试验结果表明：

1）不同开孔率半圆形空心构件混合堤结构断面，在不同计算水位，重现期为50 a一遇的不规则波及H1%规则波作用下，堤前200～300 kg护肩块石表层极少量发生滚落，但块石护肩整体稳定，两侧100～200 kg护底块石处于稳定状态。

表2 不同开孔率半圆形空心构件混合堤结构断面稳定性试验结果Table 2 Structuralsection stability test resultsof the sem i-circular hollow com ponentdykew ith differentopening rates

2）无论半圆形空心构件迎浪侧开孔、背浪侧不开孔，还是背浪侧开孔、迎浪侧不开孔，以及底板和侧壁均不开孔半圆形空心构件，在设计给定的波浪要素作用下，不同开孔率半圆形空心构件均有在相应水位下发生位移，构件失稳[4]。

5.2 相同波浪条件下不同开孔率半圆形空心构件的波浪力

在不同水位及相应波浪条件下，同步量测了不同开孔率半圆形空心构件内外侧波压力及底部浮托力的大小和分布，并对其进行了比较与分析，见表3。

试验结果表明：

1）由稳定性试验和波浪力试验结果来看，二者吻合较好；

2）在相同水位、相同波浪作用下，单侧开孔半圆形空心构件底板开孔率大于10%时，随着迎浪侧开孔率的增大，作用在半圆形拱圈里侧方向向外的波压力逐渐增大，不利于构件稳定，平顶及以上水位时较明显；

3）在堤顶以下一倍波高处水位、相同波浪作用下，单侧开孔半圆形空心构件底板开孔率大于10%时，随着迎浪侧（或背浪侧）开孔率的增大，构件逐渐失稳；不开孔半圆形构件更不稳定；

4）在平顶及以上水位、相同波浪作用下，单侧开孔半圆形空心构件（底板开孔率大于10%）、背浪侧开孔（迎浪侧不开孔）时，波吸力对构件作用较为明显，即构件向堤前方向位移；而不开孔半圆形构件反之，即控制工况为波峰[4]。

5.3 相同波浪条件下不同开孔率半圆形空心构件抗滑稳定性对比分析

不同开孔率半圆形构件在设计给定的波浪要素作用下，实测了各半圆形构件抗滑系数最小时刻的波浪总水平力、总垂直力及最小滑动稳定安全系数，并对其进行了比较与分析，见表4。

表3 不同开孔率半圆形空心构件点压力合成总力测试结果对比Table3 Results contrastof the total force composeof point pressure from the sem i-circular hollow component w ith differentopening rates

表4 不同开孔率半圆形空心构件抗滑稳定性对比Table 4 Contrastof the stability againstsliding of the sem i-circular hollow com ponentw ith differentopening rates

对比分析结果表明：

1）大浪波峰作用时，迎浪侧开孔和底板、侧壁均不开孔半圆形构件抗滑系数最小，此时同步总垂直力方向向上，尤其平顶水位总垂直力达到最大，更不利于构件稳定。

2）在平顶及以上水位条件下，背浪侧开孔半圆形构件抗滑系数最小时刻为负向水平力最大时刻，此时波谷为控制工况，同步总垂直力方向也是向上，不利于构件稳定；在堤顶以下一倍波高处水位条件下，大浪波峰作用时，背浪侧开孔半圆形构件抗滑系数最小。

3）背浪侧开孔半圆形构件抗滑能力强于迎浪侧开孔及底板和侧壁均不开孔情况。在平顶及以上水位时，背浪侧开孔10.4%半圆形构件抗滑稳定性好于背浪侧开20.1%、底板和侧壁均不开孔、迎浪侧开孔10.4%、迎浪侧开孔20.1%情况；在堤顶以下一倍波高处水位时，迎浪侧开孔半圆形构件抗滑稳定性好于背浪侧开孔及不开孔情况，开孔率小时较稳定[4]。

6 结语

1）无论半圆形空心构件迎浪侧开孔，还是背浪侧开孔，开孔率越大，构件易失稳；当侧壁和底板均不开孔时，也不利于半圆形空心构件稳定。

2）在相同水位、相同波浪作用时，半圆形构件底板开孔、迎浪侧开泄压小孔及背浪侧开排气孔时抗滑稳定性及受力状况较好。该成果已应用于长江南京以下12.5 m深水航道建设一期整治工程半圆形构件混合堤的设计和施工。

[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,Codeofhydrology for seaharbor[S].

[3]JTS154-1—2011，防波堤设计与施工规范[S].JTS 154-1—2011,Code ofdesign and construction of breakwaters[S].

[4]佟德胜.长江南京以下12.5m深水航道建设工程一期工程整治建筑物堤身结构新型构件断面波浪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.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.