海岛透空式防波堤工程平面布置和结构选型研究

柴国威 吴曼涓

摘 要：针对大竹峙海岛旅游开发建设提供掩护条件，提出建设防波堤。为进行防波堤设计，结合海岛风、浪、流、泥沙、地形、地质等自然条件，布置不同的平面和结构方案，并通过建立数学模型进行试验研究进行方案比选分析，选定推进方案。

关键词：透空式防波堤;防波堤平面布置;桩基选型;

1 概述

温州市洞头区大竹峙岛位于洞头岛东侧海域，被列入国家海洋局公布的第一批可开发利用无居民海岛名录中，主导功能为旅游娱乐，是洞头区重点开发建设项目。大竹峙岛外海开敞，风浪较大。为了保证大竹峙旅游开发项目的客运码头安全运行和为岛上道路、景区建设提供掩护条件，将建设防波堤工程[1]。

综合考虑现场风浪、掩护要求、地质条件和成本要求，拟建防波堤将采用桩基透空式结构形式。本文通过分析不同位置防波堤建设后的波浪、掩护水域、潮流、泥沙淤积情况研究，确定防波堤平面布置方案，并通过潮流泥沙数学模型分析对平面布置比选，并对桩基选型进行分析。

2 自然条件

2.1  风况

本海区常风向为N～NE向，强风向为NNW向;风力大于6级出现的频率为0.36%。本海区受台风影响次数平均每年5.1次，持续时间平均为2天，极大风速为40m/s以上。

2.2  水文条件

（1）潮汐、潮流：本海区属于正规半日潮型，强潮海区，平均潮差约4.29m，最大潮差6.33m。潮流呈往复流运动，大潮平均流速为0.45～0.77 m/s，最大流速0.7～1.19m/s。

（2）波浪：据状元岙东端老鼠屿站统计资料，常浪向为SE向和NE向，频率分别占8.5%和8.4%，强浪向为NNE、SE向。实测最大H1/10波高分别为4.5m和2.8m，大浪主要发生在7月。

（3）泥沙：平均含沙量为0.163～0.77kg/m?，水域底质类型为粘土质粉砂，中值粒径在0.006～0.009 mm之间;分选系数在0.9～1.6之间，分选属较好和中常;粘土百分含量在27%～40%之间。本海域底质泥沙中值粒径、物质组成和悬沙基本一致，本海域水体含沙量主要来自岸滩泥沙就地悬浮起动。。

（4）地形、地貌及海床稳定性：洞头列岛沿岸多为沉降地形，以低丘流水地貌和海岸地貌组成的地貌类型。海域东侧和南侧5m和10m等深线的位置和形状变化不大，北侧处于微淤的环境，海床基本稳定。

2.3  地质条件

拟建工程所处地貌单元为山前水下岸坡，土层主要分为淤泥、含粉砂淤泥、淤泥、淤泥质粉质黏土、砾砂、强风化凝灰岩等组成。表层软土厚度10～20m。

3 平面方案研究

通过对大竹峙地形进行分析，结合海域的风浪情况，选择海岛北侧和西侧布置两个平面方案，通过建立波浪和泥沙数学模型对两个平面方案的掩护效果、潮流和泥沙回淤情况进行仿真分析，进行方案比选。

3.1 平面布置方案

3.1.1平面方案一：海岛北侧

防波堤利用大竹峙岛北侧的凹槽，采用梳式桩基透空式，形状成折线形。口门位于西北侧，堤轴线海床床面沿高程-9m～-10m左右布置。防波堤总长度为263m，堤顶标高4.0m（85国家高程，以下同），堤顶挡浪墙标高6.0m，宽度为4.0m，近岸段为5m。形成港区水域面积约3.45万m2。内侧-7.2m等深线左右布置一座综合码头。

3.1.2平面方案二：海岛西侧

防波堤利用大竹峙岛西侧的凹槽，采用梳式桩基透空式，形状成折线形。口门位于西南侧，堤轴线海床床面沿高程-10m～-12.5m左右布置。防波堤总长度为293m，堤顶标高4.0m，堤顶挡浪墙标高6.0m，宽度为4.0m，近岸段为5m。形成港区水域面积约4.07万m2。内侧-7.2m等深线左右布置一座综合码头。

3.2 平面方案掩护效果分析

根据不同的防波堤结构方案，建立港内波浪数学模型，计算了两种防波堤平面布置情形下不同方向、波浪重现期等组合条件下的波高分布，得出不同组合时港内的波高分布情况如下[2]。

（1）与无防波堤的情况相比，有防波堤时，防波堤掩护区内港域的波高明显减小。

（2）两种平面方案计算表明，平面方案一码头前主要受NNW方向的波浪影响，码头前的最大波高H1%为2.93m;平面方案二码头前主要受SSW～SW方向的波浪影响，码头前的最大波高H1%为3.61m。

（3）不同方案港内波浪计算表明，平面方案一港内波浪小于平面方案二的波浪，平面方案一港内大部分水域的2年一遇波高H4%小于0.64m，平面方案二港内2年一遇的波高H4%小于1.02m。

就防波堤對港内波浪的掩护来看，平面方案一要优于平面方案二。

3.3  防波堤对潮流、泥沙的影响

根据不同的防波堤结构方案，建立港内潮流泥沙数学模型，计算了两种防波堤平面布置情形下，对流场的影响、方案的海域流速的变化、港池内的回淤情况分析结果如下[3]。

（1）两个方案实施后，大范围海域潮流场特征没有变化，流速变化仅局限在工程附近局部水域。

（2）工程水域为涨潮流的背流面和落潮流的迎流面，流态较为复杂，存在回流，且流速较为微弱。平面方案一位置全潮平均流速在0.15m/s以内，最大流速在0.30 m/s以内;平面方案二位置全潮平均流速在0.20m/s以内，最大流速在0.40 m/s以内。

（3）二种方案实施后，进港航道最大横流分别为0.31 m/s和 0.28m/s，港内航段横流小于港外航段。码头前沿最大横流均不大。

（4）达到冲淤平衡状态时，二种方案港内淤厚分别介于0.7～1.5m、0.7～1.6m。方案一和方案二实施后，防波堤外侧局部水域最大冲深分别为1.6m和1.8m。

就防波堤建设对流场的影响、港池内的回淤情况来看，平面方案一要优于平面方案二。

3.4 方案比选及推荐方案

总平面布置的二个方案在技术上都是可行的，方案比较如下表1：

2、北侧较易与岛上交通道路对接。

3、工程位于北侧，口门朝向本岛，船舶进出港比较顺畅、方便。 1、防波堤位置水深较北侧更深，桩长相对北侧较大。

2、西侧需要考虑建设隧道接岛交通道路。

3、布置在西侧，距离本岛较远，从口门朝向上，船舶进出港需稍作绕行。

经综合比较，保证海岛旅游可持续性发展，平面布置推荐采用平面方案一，同比造价较低，挡浪效果较好。

4 结构选型研究

4.1 结构方案设计

本工程的地基土主要为淤泥质土、砾砂、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。防波堤结构可采用重力式或桩基透空式结构，由于本工程非避风港，且考虑到景观需求，结构采用梳式桩基透空式结构[4]。防波堤长263m，按堤身基础又可分为预制桩段、灌注桩段及实体接岸段，堤身上部结构采用现浇墩台加挡浪墙的结构。其中灌注桩段由于透浪率较大，在挡浪墙下方加挂挡浪板，桩基础采用?1200mm灌注嵌岩桩，梅花形布置。接岸实体段为重力式挡墙结构，基础坐于中风化凝灰岩上，挡墙与岩基之间植筋锚固。

本次设计中重点对预制桩段桩基采用?800mmPHC桩与800×800mm预应力混凝土空心方桩进行比选。预制桩段前排桩间距为1.0m，竖向斜度采用10：1，后排桩间距为1.2m。

4.2  结构方案比选

防波堤两个结构方案从技术上都是可行的，均为梳式桩基透空结构。比选的重点是桩基类型的选择，桩基在本防波堤结构中既是工程断面的主体，也是消浪主体，在造价上也是占了总投资的绝大部分，故本防波的结构比选已优选桩基为主要方向。比选结果如下：

（1）两个方案上部结构均采用现浇墩体加挡浪墙的结构，能满足结构受力和防波堤消浪使用的要求，在技术上是可行的。

（2）两个方案的桩基均属于先张法高强预应力桩，预应力管桩与预应力空心方桩的生产工艺相似，两种桩基都适用于桩基承载力要求高，持力层较深，桩长长的工况，适用面广，结构强度高。

（3）PHC管桩面世早，目前市场上生产厂家多，应用广泛，价格同比较低，预应力空心方桩是近几年的新推桩型，同比方桩的承载力略高，但市场单价同比也略高。

（4）?800mmPHC桩的截面是圆形，用于本工程防波堤其透浪率相对于方桩较大， 800×800mm预应力空心方桩，其截面是方形，透浪率同比较小，对消浪更优。

（5）PHC管桩的单节桩长一般是30m，还可以采用整桩预制，单根桩长可以做到60m以上;预应力空心方桩的单节桩长一般是15m，用于本工程需接桩且其接桩位置会在泥面以上。

（6）800×800mm预应力混凝土空心方桩的每米的单价要高于?800mmPHC桩。

综合比较，本工程推荐结构方案一。

5 总结

（1）综合考虑港区掩护效果、泥沙回淤、流场变化、施工难度、建设成本等，结合海岛地形条件，在海岛北侧建设防波堤的方案优于西侧，最终确定为北侧方案为平面布置方案;

（2）根据工程区域地质条件、施工便利性、景观需求，结构采用桩基透空式结构，经过方案比选选择?800mmPHC桩承台式结构、

（3）桩基透空式防波堤具有自重轻、透空性好、对原有地形影响小、成本低等特点，适用于软土层较厚的地形、水深较大环境恶劣的海域，对防波堤建设具有重要意义。

参考文献：

[1] 浙江省洞头区大竹峙岛保护与开发利用示范项目防波堤工程初步设计报告[R]，中交四航局港湾工程设计院有限公司，2016.8.

[2]洞头大竹峙岛保护与开发项目防波堤与码头波浪数模计算报告[R]， 南京水利科学研究院，2016.5.

[3]洞头县大竹屿岛保护与开发利用示范项目防波堤与码头工程潮流泥沙数模分析报告[R]，南京水利科学研究院，2016.6.

[4]李嚴，琚烈红，冯卫兵.桩基透空堤上部结构形式对防浪特性影响[J].水运工程，2015（05）：77-83.