深水直立堤明基床护坡和护肩块体设计

王 军，曾 冬，沈迪州

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

1 工程概况

阿尔及利亚Bethioua矿石码头项目位于阿尔及利亚Arzew港的Bethioua港区，是Arzew港务局为后方钢铁厂提供的配套码头工程[1]。本工程建设内容包括一个15万吨级的矿石卸船泊位和接岸引堤，码头和引堤的轴线采用一字形布置，轴线方向为北偏东30°，平面布置见图1。

图1 项目平面布置及波浪特征点位置

工程码头结构兼做防波堤，采用双排圆筒沉箱方案，码头典型断面见图2。圆筒外径15 m、壁厚0.5 m，底板垂直码头前沿方向长17.5 m(含趾)、沿码头前沿方向宽16 m(含趾)、底板厚1.05 m，沉箱底高程-20.50 m。沉箱内回填开山石，沉箱外回填10～100 kg块石，沉箱间接缝采用模袋混凝土填充。

码头基础持力层选用泥灰岩层，基床顶高程-20.5 m。码头港侧护底采用0.5 m厚格宾垫，海侧护底采用3～6 t块石。

图2 码头典型断面(尺寸：mm；高程：m)

2 设计条件

2.1 水位

本工程设计水位如下(NGA基面)：极端高水位0.70 m，极端低水位-0.60 m，设计高水位0.34 m，设计低水位-0.26 m。

2.2 水文条件

码头设计波浪重现期为100 a，依据项目波浪数值模型报告[2]，码头海侧设计波浪见表1，波浪特征点位置见图1。

表1 100 a一遇码头海侧设计波浪

3 明基床护坡块体的计算方法

3.1 JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》方法

直立堤明基床坡面块体稳定质量可按JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》[3]附录E确定(图3)。其中，d1为基床顶面水深，d为堤前水深，H为设计波高，采用波高累计频率为5%的波高H5%，L为计算波长。由d1/d和d/L查得系数K，可根据图3查得块体稳定质量，也可由公式W=KH3(t)求得块体稳定质量。堤头段基床坡面块体质量应适当加强。

图3 JTS 154—2018明基床基肩和坡面块体稳定质量计算

3.2 改进的Tanimoto公式

日标OCDI[4]和美标CEM(EM1110-2-1100)[5]中，直立堤明基床护坡块石稳定质量均采用改进的Tanimoto公式计算，见式(1)～(5)。该公式适用于堤身护坡块石稳定质量的确定(波浪入射角≤60°)。

(1)

BM/L′<0.25

(2)

κ=κ1(κ2)B

(3)

(4)

(κ2)B=max[αssin2βcos2(2πlcosβ/L′)，

cos2βsin2(2πlcosβ/L′)]

(5)

图4 日标OCDI典型的直立堤护肩和护坡块体设置断面

堤头明基床护坡块石的稳定质量计算，需要修正速度系数κ，见式(6)(7)，其稳定质量不宜小于堤身护坡块石稳定质量的1.5倍。

κ=κ1(κ2)T

(6)

(κ2)T=0.22

(7)

根据改进的Tanimoto公式，入射角度会对堤身护坡块体稳定质量产生较大影响，见图5。

注：HS=8.81 m；TP=14.77 s。

3.3 护坡块体稳定质量计算结果

本工程采用国标JTS 154—2018和改进的Tanimoto公式计算的明基床护坡块石质量见表2。

表2 明基床护坡块体(块石)的稳定质量计算结果

4 明基床护肩块体的计算方法

4.1 JTS 154—2018《防波堤和护岸设计规范》法

国标JTS 154—2018中对明基床护肩无特别的规定，设计中可采用护坡块体的稳定质量。

4.2 日标OCDI法

日标OCDI规定直立堤海侧至少摆放2排护肩块体(矩形开孔块体)、港侧至少摆放1排护肩块体，典型直立堤的护肩块体和护脚块体的布置见图4。

根据OCDI，直立式结构护脚块体的稳定质量取决于所需厚度t，计算公式为：

t/H1/3=df(h′/h)-0.787

(8)

式中：t为所需护肩块体的厚度；df为系数，堤头取0.21，堤身取0.18；h为直立堤前水深；h′为基床顶水深(不考虑护坡块体厚度)。公式适用范围h′/h= 0.4～1.0。

确定所需护肩块体厚度后，可按照表3选择护肩块体的尺寸。

4.3 CEM法

美标CEM(EM1110-2-1100)采用Takahashi(1996)图表确定护肩块体的稳定厚度，见图6，其中：t′为护肩块体的厚度；H为设计波高，建议取1.8H1/3；hb为护肩块体顶面水深；hs为直立堤前水深。

图6 CEM护肩块体设计

4.4 护肩块体计算结果

表4对比日标OCDI和美标CEM的明基床护肩块体的稳定质量计算结果。

表4 明基床护肩块体的稳定质量计算结果

5 理模型试验

本工程的2D和3D物理模型试验在阿尔及利亚海洋研究实验室完成[6-7]，以验证设计方案的合理性。码头(兼做直立堤)的2D断面物理模型和3D物理模型均为正态模型，按照弗劳德相似准则设计，2D和3D物理模型的试验几何比尺分别为1/56、1/68。试验采用的波浪要素见表5、6。

表5 -22 m水深处折射后2D物理模型试验波浪数据

表6 -26 m水深处3D物理模型试验波浪数据

为充分论证直立堤明基床护坡和护肩设计方案的合理性，本工程设计了多种护坡方案在2D和3D物理模型试验中验证稳定性，这些方案的试验结果见表7。

表7 2D和3D物理模型试验护坡方案

根据物理模型试验结果，本工程最终确定的设计方案见表8。

表8 本工程施工图阶段直立堤的护坡和护肩设计方案

图7 护坡单层12 t Antifer物理模型试验照片

6 结论

1)国标JTS 154—2018在长周期大波浪(Hs=8.81 m，Tp=14.77 s)条件下，计算所得的护坡块石质量(31.33 t)偏大，说明国标的计算方法在该波浪条件下已经不再适用。

2)正向浪条件下(波浪入射角0°)，根据改进的Tanimoto公式计算所得堤身护坡块体稳定质量为1.97 t，在2D物模试验中1～3 t块石(中值为2 t)并不稳定，说明该方法在正向波浪条件下计算的结果偏小，设计中需要适当的保守考虑。

3)斜向浪条件下，根据改进的Tanimoto公式，随着波浪入射角(<90°)增大，堤身护坡块体的稳定质量显著增大。本工程直立堤堤身的护坡块石稳定质量计算值为3.4 t，在3D物模试验中验证2～4 t块石(中值为3 t)也是稳定的，公式计算和试验较吻合。但由于在其他大角度下，护坡块石的计算值明显偏大(如Hs=8.81 m，β=60°时，公式计算值9.51 t，3D物模没有模拟该工况)，因此波浪入射角对护坡块石稳定质量的影响有待进一步研究。

4)根据改进的Tanimoto公式，堤头护坡块石稳定质量计算值为4.97 t，3D物模试验中，3～6 t护坡块石(中值4.5 t)稳定，公式计算值和试验结果较吻合。

5)对于护肩块体，日标OCDI计算所得的稳定厚度比较保守。OCDI中提到护肩块体的主要作用是防止基床碎石被淘刷。本工程堤身取消护肩块体，通过在基床块石外设置格宾垫来防止淘刷，通过了物模试验的验证。

6)国内外的计算方法与2D & 3D物模试验结果均存在一定偏差，建议重要工程通过物模试验验证设计方案的合理性。