某港口城项目季风期水工结构防护方案分析

徐 杰，黄远明

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

通常情况下，处于施工阶段的防波堤护岸等水工结构无法在季风期来临前完全形成设计断面，需要对结构物进行适当的临时防护，以便安全度过季风期。某港口城项目实施期间需要经历2～3 个季风期，且据实测资料［1］，季风期工程海域有效波高将达到3.6 m以上，水上及陆上施工作业均难以开展，水工结构需要进行临时防护。本文针对2017年季风期情况，通过理论计算［2］，并结合波浪数模试验结果分析研究［3］出合理的临时防护方案，确保结构在施工期的稳定和安全［4］，大大降低了施工中存在的风险，确保了工期且达到了很好的防护效果，可供其他类似项目参考。

1 项目概况

某港口城项目位于海外某市中心，其中一期基础工程为大型围海造地工程，通过吹填为城市建设提供用地。工程主体由陆域吹填、内外防波堤、南北拦砂堤、游艇码头外护岸、游艇码头、运河护岸等结构组成，平面布置如图1所示。

港口城海域波浪主要由风浪和涌浪2 部分组成，风浪周期较短，一般处于3～8 s之间［5］，涌浪周期较长，为8～20 s，涌浪主要源自本项目南部深水海域，当波浪传播到项目所在地海域-20 m水深位置时波向变为225°。本项目所在地涌浪波向变化范围在200°～270°［6］，偏西方向波浪主要受较大周期的风浪影响［1］。每年的5～9 月为西南季风期，西南方向涌浪较大，防波堤等结构无法施工［7］。2017 年季风期来临前，项目已施工水工结构包括（见图2）：游艇码头外护岸（里程CH0～CH0+880）、南拦砂堤（里程CH0～CH0+278）、外防波堤（里程CH0～CH0+80），并根据结构和受风浪影响程度的不同，将防护区域分为4 个区域：区域1～区域4分层次进行防护，具体分区如图2所示。

图1 项目平面布置Fig.1 Layout of the Project

2 季风期波浪数学模型分析

季风期防波堤结构防护方案需要依据合理的波浪要素来确定，本项目根据项目所在地1992～2013 年期间实测资料［8］，并委托荷兰某咨询单位CDR 采用近岸浅海海浪模型Simulating Wave Nearshore（SWAN）进行数模分析［8］，可以得出季风期间工程海域的各结构部位的波浪情况和1 年，2 年，5 年及10 年一遇波浪要素，具体详如表1所示。其中波浪周期一般为9～11 s之间，防护设计波浪周期选取平均周期10 s。

图2 项目现场已施工水工结构平面布置与实景Fig.2 The Site of the Project Layout and Photo

表1 季风期波浪数模结果--各重现期Tab.1 Monsoon Wave Mathematical Results-Recurrence Periods（RP=Recurrence Period）

考虑到经济与实用性，为应对施工期间一个季风期的临时防护，保守起见，采用5年一遇的设计波浪要素。根据CDR 的数值模拟结果，可以得出不同区域（区域1～区域4）影响水工结构的控制波浪要素情况，波浪分布如图3所示，结果如表2所示。

3 季风期水工结构防护方案分析

综合考虑国内外各护面块石或块体计算公式的适用性和结构安全性，在本项目季风期水工结构防护方案中，选择Van der Meer公式［9］计算护面块体的稳定性计算，Hudson公式［10］用于计算护面块体的稳定性计算。

3.1 护面块石计算-采用Van der Meer公式

当波浪条件为卷破波ξm＜ξcr，计算公式如下：

图3 季风期水工结构附近海域波浪数模结果分布图（5年一遇、主导波向WSW）Fig.3 Distribution of Mathematical Results of Sea Waves Nnear the Offshore structure during the Monsoon Period（in 5-year Term，Main Wave Direction WSW）

当波浪条件为激破波时，ξm＞ξcr计算公式如下：

另考虑到波浪的斜向入射问题，参考Van Gent（2014）分析认为当波浪斜向入射时，防护块石的重量可以降低，并给出了斜向入射波条件下，护面块体稳定性计算的折减系数γB计算公式：

式中：β 为入射波峰线与推填的轴线夹角；cβ=0.35。

3.2 护面块体计算采用Hudson公式

3.3 垫层块石计算

根据文献［3］表5.36 中的垫层块石的取值，当护面块体采用扭王字块时，垫层块石重量应为扭王字块重量的0.07～0.14 之间；当护面块体采用块石时，垫层块石的重量应为护面块石重量的0.05～0.15。

3.4 防护结构形式的选择

表2 各区域季风期波浪条件（5年一遇）Tab.2 Wave Conditions during Monsoon Period（in 5-year Term）

综合考虑水工结构理坡坡比α、护面块体破坏等级Sd、波浪斜向入射等因素，水工结构各区域的防护优先考虑使用块石护面，鉴于大块石石料进场受限，季风期来临前，大块石的进场量可能无法满足全部断面的防护需求。根据实际情况，在大块石不充足的条件下，部分区域采用扭王字块进行防护（港口城项目永久结构防护块体有5 t、10 t、17 t等型号扭王字块，利用上述型号扭王字块在临时防护中成本相对较低，费用合理）。根据现场各种类石料和各型号扭王字块的存贮情况、防护结构安全系数和防护结构经济性。对比分析后择优选择，现场各个区域防护块体重量及垫层块石重量选择如表3所示。

本项目根据各个区域的特点和防护要求，选择的防护断面如图4所示。

4 结论

接近6 个月的季风期结束后，根据当地水文观测资料，本项目区域的有效波高达到3.5 m，接近十年一遇的设计波高。根据观测结果，大浪时存在越浪情况，但多为破碎波浪，能量较小（见图5）。总之，采用上述临时防护方案的水工结构物并没有出现结构性损坏，防护效果达到了预期。

季风期水工结构的临时防护对结构安全至关重要，在满足安全前提下，还要综合考虑项目施工进度和经济功能等方面的影响。本项目通过与世界知名的咨询机构合作，根据其波浪数学模型试验得到的施工海域波浪要素，再对比国内外设计规范计算防护块石重量，最终结合现场石料供应情况，分区域分析确定了已施工水工结构在季风期应采取的合适防护方案。本文的研究计算对其他类似工程结构防护方案设计具有指导借鉴意义。

图4 各区域水工结构防护方案断面Fig.4 Profile of the Structure during Monsoon Period

表3 季风期水工结构各区域防护结构方案Tab.3 Protect Methods for Structure during the Monsoon Period

图5 各区域水工结构成功抵御季风期下强涌浪的袭击Fig.5 Monsoon Period Photos of Each Structure