长周期波作用下防波堤结构优化及施工分析

徐 阳 ，聂家雯

1.中国港湾西部非洲区域公司，科特迪瓦 999063 KTDW

2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510000

1 工程概况

渔港防波堤工程位于西非沿海，濒临几内亚湾北侧。新建防波堤为斜坡式抛石结构，典型防波堤护面规格随着水深变化，包含1～3t、2～5t及3～6t等不同规格护面块石。堤顶宽度3～4m，斜坡坡比1∶2。防波堤设计采用英标BS6349，设计堤顶较窄，给机械交叉施工带来一定困难。

2 波浪水文

风浪有季节性，分旱季和雨季，11月中旬到次年4月中旬左右为旱季，其余为雨季。波向以S～SW为主，涌浪来自西南的大西洋，波高往往低于1m，但周期都较长，在10～16s。深水区涌浪波长为100～350m，平均波长为225m。防波堤典型断面设计波浪要素如表1所示。

表1 典型断面设计波浪要素

3 潮位及设计水位

潮位特征值分布如表2所示，设计水位取+1.92m（LAT基面）。

表2 潮位特征值分布单位：m

4 设计优化

4.1 初始断面

考虑到工程合同中防波堤石料要求来自工程所在国当地石场的限制及工程造价，在石料来源可行的情况下，抛石斜堤结构作为防波堤设计首选，护面则采用相较于混凝土块体更为经济的规格石。同时，为尽可能多地利用石场爆破所产生的石料级配，以防止过度爆破和材料浪费，在已知采石曲线的基础上对防波堤结构进行优化。防波堤的顶标高，要求在正常情况下，人员、车辆和港口设备能够安全使用码头；在极端风暴条件下，码头和防波堤禁止人员和车辆进入，但建筑物必须在设计年限50年下保存而没有损坏。堤顶标高由允许越浪量结合波浪破碎和不破碎的极端条件下的最保守的有效波高HS和平均波能周期Tm-1,0组合共同决定。堤身宽度取3～5倍护面块石的中值粒径，垫层及护面层厚度取2倍规格的石中值粒径。防波堤越浪量要求小于70L/s·m[1]。

针对不同水深，防波堤护面块石规格不同，从1～3t，2～5t到3～6t由小到大变化。以3～6t规格石作为护面的典型断面为例，初始设计断面如图1所示。3～6t块石中值粒径为1.2m，堤顶宽度取4m。为减少块石重量和增加抗滑稳定性，坡度取1∶2，堤心石采用0～40kg。为避免冲刷，护面及堤心石之间采用两层垫层石，规格分别为10～60kg及300～1000kg。

图1 初始设计断面

4.2 优化断面

工程海域长期受长周期波作用，初始设计采用的0～40kg堤心料在推填后极易被涌浪冲刷带走，无法高效稳定形成堤心断面。为保护堤心，需尽快完成垫层石抛填。频繁的工序衔接和转换不利于石料有序供应，增加了施工组织和现场管理的难度。除了堤心和垫层，原设计断面中还包含2层垫层，设计层数过多，施工难度大且验收烦琐，导致长周期波影响下小规格石料暴露时间加长，一定程度上增加了施工风险，造成施工效率低，使施工效益大打折扣。

初始设计虽然能有效利用石场爆破的石料，避免石料浪费，但工程所在国当地石场爆破能力不足，且石料挑选效率低及挑选意愿不强，不利于石料的高效持续供应。当地石场主要经营业务为生产级配碎石，未利用的石料可用于碎石生产。因此，对工程防波堤初始设计进行优化，具有重要的现实和经济意义[2]。

断面优化需满足两个前提条件：（1）满足合同及技术规格书中关于防波堤的倒滤、稳定性等各项要求；（2）优化后的断面轮廓线需与原设计断面保持一致，护面块石规格保持不变，即防波堤堤顶高程、堤顶宽度和坡度等不变，以保证防波堤的使用功能。

根据设计经验，堤心石采用更易于生产和挑选的1～1000kg石料代替0～40kg石料，1～1000kg相较于0～40kg石料在长周期波作用下更稳定，可为施工工序的衔接带来更多时间上的富余，同时1～1000kg堤心石均匀系数需不小于3。级配包络线如图2所示，Coarser bound对应粗颗粒边界，Finer bound对应细颗粒边界。采用300～500kg石料代替2层垫层石（10～60kg石料、300～1000kg石料），可减少施工工序，300～500kg石料相较于300～1000kg石料更易抛理。

图2 1～1000kg堤心料级配包络线

5 施工管理

长周期波在防波堤施工过程中对结构的稳定性造成诸多不利影响，尤其是堤头位置，易受长周期波作用而失稳淘刷。因此，防波堤施工过程中汇总合理的施工组织及计划尤为必要。

5.1 工序衔接

工程施工海域水深较浅，无法使用船舶进行海上抛填，防波堤施工通过长臂与短臂挖机配合作业进行。堤顶宽度不足以保证石料自卸车及挖机交叉通行作业，推填过程中，需在港池侧推填错车平台，保障作业正常进行。考虑到长周期波的不利影响，堤心石推填及海侧垫层石抛填需在同一天完成，以保证堤心料不被波浪淘刷。在石料供应充足的情况下，每20m作为一个施工段，堤心推填理坡后即报验验收，将海侧垫层石抛理完成，并抛填护面块体，保证已施工防波堤部分海侧及堤头的稳定性[3]。

5.2 因时制宜

在该工程施工中常遇10～16s长周期波浪作用，不同于短周期的风浪，具有较大能量的长周期波对施工过程中的防波堤的破坏力大，给防波堤施工带来较大困扰。对此可根据如全球潮汐等软件或相关网站预报的波浪和潮汐数据，合理安排作业时间，及时调整当日施工段长度，保证当日完成防波堤防护工作，同时应尽量避免在大潮高潮时间段进行防波堤堤心及垫层理坡作业。

6 结束语

对于受长周期波影响的防波堤工程，尤其是石料开采能力有限的非洲区域的工程，在不影响防波堤使用功能和结构安全稳定的基础上，进行适当的设计断面优化，合理地组织施工，可有效提高施工效率，缩短工期，减少施工费用，提升经济效益。文章结合工程实例，对长周期波作用下的防波堤结构优化及施工管理经验进行了分析，对类似波况及区域的工程设计及施工具有一定的参考作用。