艾萨拉姆港防波堤平面结构验证优化试验研究

熊洪峰，许振东，栾英妮，胡杰龙，姜宁林

(1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；3.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430060)

近年来，随着经济的发展和人们安全意识的提高，越来越多的港口工程通过三维整体物理模型试验验证港口工程整体稳定性，防波堤和护岸作为港口工程的重要防护措施，其造价和重要程度都相对较高，姜云鹏和周枝荣等[1-2]通过总结规范条款和具体工程案例说明了三维稳定试验对港口工程设计和安全的重要性。一般先通过对工程海域的波浪、潮流、泥沙及地质条件等进行分析，再结合项目要求和工程目的进行港口平面结构验证和优化研究，杨会利、许欣[3-6]等通过物理模型试验和理论分析等手段对影响防波堤稳定性的水动力因素以及防波堤稳定性对水动力条件的敏感性进行了深入研究；戈龙仔、刘海源和高峰[7-12]等结合国内外实际工程案例，通过三维物理模型试验探讨了改善防波堤工程稳定性的一系列工程措施。这些研究都为明确港口工程平面结构优化需要关注的条件和需要解决的关键问题提供了基础。

本文通过分析影响孟加拉国艾萨拉姆港港口平面布置的主要自然因素，结合电厂营运需求，通过三维物理模型试验对设计方案进行验证，并提出优化方案以保证港口工程的安全，同时降低其工程造价，为艾萨拉姆港港口工程的设计和建设提供依据。

1 工程概况

孟加拉国艾萨拉姆港 2×660 MW燃煤火力发电厂是孟加拉国最大的单容量火电机组和最大容量燃煤电厂，位于孟加拉湾东北海岸和孟加拉国东海岸。项目区毗邻Kutubdia岛东北部和Kutubdia水道，海底地形地貌复杂，从海岸线到深海水域，依次为缓坡浅滩、潮道、沙脊和深海，受河流冲击影响，工程区水动力和泥沙条件复杂。电站配套工程包括煤炭码头、临时码头、进港航道、排水管道等，为抵御复杂的水流泥沙条件保证港口工程安全，在港口区域布置南北两条防波堤。

2 优化设计关键问题

本次研究目的是通过三维整体物理模型试验对设计方案进行验证和优化，保证港口水域工作环境的安全性，主要对以下关键问题进行试验：(1)防波堤和护岸的稳定性；(2)防波堤越浪量测量。

3 主要影响因素

3.1 试验水位

在本次研究中，采用了五个试验水位(CD基面)：设计高水位+4.91 m、设计低水位+0.43 m、极端高水位+9.51 m、中高水位+6.7 m和与防波堤高程齐平的水位+8.3 m。

3.2 波浪

根据水文调查和波浪数值研究报告[13-15]，选择南防波堤和北防波堤堤头的波浪要素作为物理模型试验的波浪条件，如表1所示。波浪最不利方向为SW、W和WNW向，选择重现期为100 a和50 a的波浪进行试验，验证防波堤稳定性及越浪量测量。

表1 试验波浪条件

3.3 试验比尺

根据试验范围和场地，选择试验比尺为70。

4 布置方案对比

4.1 设计方案

4.1.1 设计方案平面布置

该项目布置在一个垂直于海岸的封闭港池中，南防波堤长2 521 m，堤头底高程-5.6 m，由长1 775 m的斜坡防波堤和长746 m的板桩防波堤组成，堤头护面块体为35 t的扭王字块，向岸延伸段斜坡式结构的护面块体分别为30 t和20 t，垂直接近岸线段采用板桩结构长度为746 m，其中带斜撑和独立的板桩防波堤长分别为420 m和326 m。防波堤顶部高程从堤头的+8.3 m，经+8.1 m、+7.7 m过渡至板桩防波堤+7.0 m。

北防波堤总长2 190 m，由长1 211 m的斜坡防波堤和长979 m的板桩防波堤组成，北堤堤头的底高程为-3.5 m，堤头护面为35 t 扭王字块，向岸延伸段斜坡堤护面块体分别为30 t和20 t，垂直接近岸线段采用板桩结构长度为979 m，其中带斜撑的和独立板桩防波堤长度分别为270 m和709 m。防波堤顶高程由堤头处+8.3 m，经+8.1 m、+7.7 m过渡至板桩防波堤处+6.0 m。

航道开挖至-6.4 m，有2个6 000 DWT煤码头和1个1 200 DWT灰船码头，总长199 m，采用高桩结构，顶标高+12.60 m，码头前沿开挖至-6.4 m，引桥全长约490 m，顶标高+(14.00～15.20)m。工程平面图如图1所示。南防波堤有6种断面结构，其中斜坡式4种、板桩式2种；北防波堤有6种断面结构，其中斜坡式4种、板桩式2种，每个截面的长度和主要参数如表2所示。

表2 防波堤分段参数

图1 平面布置

4.1.2 设计方案试验结果

在SW向、W向和WNW向波浪条件下，完成了对设计方案防波堤稳定性和越浪量等关键参数的测量。

(1)防波堤稳定性试验。

①SW波向：在设计低水位，波浪重现期为100 a和50 a作用下，南堤堤头K0+A段和北堤堤头K1+A段，波浪在堤头处破碎并形成强烈的破碎水流，护底块石发生滚动并被破碎水流带到堤头两侧，失去护底功能，堤头处压脚块石和35 t的扭王字块随之发生滚动，断面失稳；南防波堤K0+B段，护底块石被破波水流带走，堤脚块石和扭王字块在原位发生晃动；南堤K0+C剖面中段为弧形段，在波浪作用下，护底块石沿堤身滚动失去护底功能，压脚块石和扭王字块发生大片的滚落，断面失稳；防波堤其他位置结构可以保持稳定。

在设计高水位和极端高水位时，波浪重现期为100 a和50 a作用下，除已发生失稳的部位外，其他位置均可以保持稳定。

3-a 北堤堤头K1+A段 3-b 南堤堤身K0+B段 3-c 南堤堤身K0+C段

②W和WNW波向：在所有工况条件下，南、北防波堤均保持稳定。

(2)防波堤越浪量。

在SW波向设计低水位，波浪重现期50 a一遇和100 a一遇条件下，南北防波堤均无越浪现象出现。设计高水位，波浪重现期50 a一遇和100 a一遇条件下，南防波堤的漫顶范围为S+000～S+488。

在W和WNW波向设计低水位和设计高水位，波浪重现期为50 a和100 a情况下，南防波堤和北防波堤段均无越浪。

4.2 优化方案

4.2.1 堤头优化

根据设计方案的试验结果，在设计低水位和设计高水位50 a和100 a重现期的作用下，设计方案的南、北防波堤堤头和南防波堤K0+B段不稳定。因此，对不稳定部分进行了局部加固，共提出了四种优化方案：

(1)优化方案1：在设计方案的基础上，将堤头处护底块石的重量从400～800 kg增加到800～1 200 kg，护底块石下铺设土工布和土工格栅，在三维物理模型试验中仅对土工布进行了模拟。

在设计低水位重现期50 a波浪作用下，护底块石被波浪冲刷带走后土工布露出并破坏，扭王字块滚动到堤头两侧，导致北堤堤头的失稳。试验前后北堤堤头如图4所示。

4-a 试验前 4-b 试验后

(2)优化方案2：在南、北防波堤堤头处用35 t的扭王字块替代设计方案中3～6 t的压脚块石，并将护底块石的重量加大至800～1 200 kg，护底块石的顶高程与海底持平。

在设计低水位和设计高水位、重现期为50 a和100 a的波浪作用下进行稳定性试验，试验结果表明，北堤堤头堤脚处的3块35 t的扭王字块发生滚动，脱离堤身，但未造成北堤堤头的破坏，判断为临界稳定。南堤堤头处块体保持稳定，南堤堤身K0+B段弯段部分堤脚处的块体在波浪作用下发生晃动，但未滚动失稳，判断为临界稳定。北堤堤头和南堤堤头处试验前后对比如图5和图6所示。

5-a 试验前 5-b 试验后

(3)优化方案3：在设计方案基础上，增加压脚块石的重量，将3～6 t块石加大为6～10 t块石，同时将压脚块石的防护范围从3 m扩大到5 m，护底块石防护范围从15 m扩大到20 m。试验结果表明，在各个工况条件下，优化方案3防波堤断面均保持稳定，增大的防护范围有效地抵抗了波浪破碎后水流的冲刷作用。

(4)优化方案4：在设计方案的基础上将压脚块石替换为2块4 t的扭王字块，护底块石范围由15 m加宽至20 m。进行设计高水位重现期50 a波浪作用下稳定性试验，在波浪作用40 min后(原体值)，南堤堤头处4 t的扭王字块全部滚落，堤身35 t的扭王字块失去底部支撑后也发生滚动。北堤堤头处现象相似，如图7和图8所示。试验结果表明，优化方案4稳定性较差。

7-a 试验前 7-b 试验后

4.2.2 堤身优化

根据设计方案的试验结果，从经济优化降低工程造价角度出发，对北防波堤K1+D段和南防波堤K0+D段的护面块体重量进行了优化。优化方案如图9所示。在北防波堤的N1、N2、N3和N4段，将设计中的20 t护面块体优化为8 t 块体；南防波堤在S1、S2、S3和S4段，将设计中的20 t护面块体优化为8 t块体。每段的起始位置和长度如表3所示。在设计低水位至极端高水位重现期50 a和100 a波浪作用后，南防波堤和北防波堤均保持稳定。

图9 防波堤堤身优化方案

表3 优化截面起始位置和长度信息

4.2.3 护底优化

根据优化方案的试验结果，在南防波堤K0+D段、北防波堤K1+D和K1+C段减小护底块石的防护宽度，具体的优化参数如表4所示。试验结果表明，优化后的护底块石可以保持稳定。

表4 护底块石优化参数

5 结论

通过三维整体稳定性物理模型试验，在SW、W、WNW向入射波浪作用下，研究优化孟加拉国艾萨拉姆港的平面布置及结构稳定性，试验中针对防波堤各部位的稳定性和越浪量等进行了测量，并对设计方案的防波堤结构进行了优化，得出以下结论：(1)设计方案防波堤堤头稳定性较差，主要表现为在波浪破碎水流作用下，护底块石失去护底功能后的破坏现象。针对不稳定部分的结构进行了加固，将堤头设计方案的3～6 t压脚块石加大至6～10 t，并增加护底块石的重量至800～1 200 kg，同时增大防护范围，试验验证优化方案可以保持稳定；(2)从经济角度出发，兼顾稳定性的同时降低工程造价，缩短了南防波堤和北防波堤K0+D和K1+C、K1+D段护底块石的宽度，对防波堤护面块体的重量进行了优化，将南北防波堤K0+D和K1+D段的20 t扭王字块体优化为8 t，试验证明优化方案稳定性良好。