《深水港建设技术研讨会》论文集新型梳式防波堤.pdf

深水港建设技术研讨会 论文集 新型梳式防波堤 牛恩宗马德堂孙绍晨 中交水运规划设计院 大连理工大学 摘 共梳式防波堤是一种新型直立防波堤 国内外属首创 它具有消浪 轻型 便于透流等特点 示范工程 一国家重点工程大连港大窑湾一期岛堤工程采用了这种结构 水平向波浪力消减了2 7 节省工 程投资2 4 5 6 4 3 5 万元 本文介绍了消浪结构防 波堤国 外发展概况 梳式防波堤开发 和示范工 程实 施惰况 给出了 水平 波 浪力折减系数和反射系数经验公式 为结构断面的初步确定提供了依据 1 前言 随着我国国民经济的发展 港口建设突飞猛进 七五 计划开始 国家在大连市大窑湾 开辟了新港区 根据远期规划 大窑湾湾口 将建设三座防波堤一南防波堤 简称南堤 岛式防 波堤 简称岛堤 北防波堤 简称北堤 届时三堤可掩护全湾近百个泊位 近期的一期工程 列入 七五 八五 国家 重点工程 建设南堤和岛堤 见图1 一防波堤布局图 大窑湾防波堤的建设引起了口门处流速的变化 工程前大窑湾湾口 最大流速 0 5 7 m s 按 传统直墙实体型式 全部防波堤工程完成后南北口门流速将分别为1 3 m s 1 5 2 m s 横流流速 分别为0 5 7 m s 和0 6 7 m s 左右 国际航运界普遍认为口门允许横流流速小于 4 m s 顺流流 速小于1 3 m s 大连港引水要求在大窑湾具体情况下的口门流速不超过0 7 7 m s 老港区口门流 速仅0 2 5 m s 可 见按传统结构建设防波堤己 不能保证航行安全 大窑湾港区大型船舶深水航道的建设引起了防波堤周围波态的变化 设计波高将增加 5 0 大窑 湾湾口 岛 堤持力 层下卧软弱红色次 生亚粘土层 采用传统结构要大挖大填 这些 因素导致工程投资大幅度增加 为了在保证防波堤使用功能的前提下大幅度降低造价 进行了梳式防波堤结构的开发研 究 该开发研究和大窑湾港区岛堤作为 深水防波堤建设技术研究 课题的专题和示范工程列 入 九五 国家重点科技项目 攻关 计划 现已经交通部鉴定和国家验收 交通部鉴定意见 为 梳式防波堤结构消减波浪力2 7 3 8 节省工程投资2 4 5 6 4 3 5 万元 总体上达到了国 际领先水平 气 2 国外发展概况 直立式防波 堤在亚 洲和 欧洲比 较多 特别是 意大利和日 本 美国 多采用 斜波堤 2 1 其原因 有 可利用的天然资源 历史背景 工程习惯和施工设各不同等 例如在日本 海岸可做防波 堤的石料很缺乏 因此就向预制人工块体和直立式防波堤或混合堤方向发展 在直立式防波堤 中 半个世纪以来向着消浪 透流 轻型方向发展的趋势非常明显 中国土木工程学会 港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 六 资 翔 父 二 O 气 飞 成 办汗价甘 卜介外 厂 斗 犷 飞 oF k 盛玉 厂 一 讥 竺 4 7 4 乡书 犷 I1月 叮 声 J 厂 z 护 图 I防波堤布局图 1 9 6 1 年加拿大人加兰 J a r l a n 根据吸音板的原理开发了多孔式沉箱直立堤 并于 1 9 6 4 年 在加拿大克毛港 C o m e a u 建成 在此之后开孔沉箱直立堤和与其原理相同的消浪结构发展很 快 这方面的 研究日 本在国际上是 领先的 颇具 代表 性13 1 1 0 年代以来日 本的港湾工程发展迅速 国家和地方研究部门 高等学校等纷纷开发各种各 样的消 浪防波堤结构 13 1 日 本原运输省 港湾局专门 成立了 研究协议 会和新型防波 堤开发工作组 从事研究开发并编写新型防波堤开发报告书和设计指南 到目 前为止 研究开发的直立式防波 堤有 半圆型堤 多孔凹型曲面堤 波浪自稳防波堤 曲面纵向开孔堤 防冲击型堤 驹型纵 向 开孔堤 直立开 孔沉箱堤 钢管 桩透空堤 遮帘式 透空 堤 软基 着底式轻型 堤等1 1 1 日 本在破碎波消浪研究方面是有显著成果的 在非破碎波研究方面则不显著 日本消浪结 构的研究表明 作用于开孔消浪结构防波堤的最大波浪总力 在波浪发生破碎时可比一般直立 堤减少6 0 在 发生立 波的情况下 最大波浪总力与一 般直立堤相同 或略微减小 Ic l 另外 在日本研究开发多 实际用于工程的则很少 其原因是工程费用没有明显降低 3梳式防波堤的 试脸研究 梳式防波堤是传统的方沉箱防波堤中的方沉箱按着适当比例取出代之以沉箱翼板 在平面 上形成梳齿状的直立防波堤 梳式防 波堤平面图见图2 沉箱主体断面图见图3 翼 板断面图见图4 中国土木工程学会港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 票 七 lo ws Izo o 瀚内 三 招 裂 A小 一乙一尖A 兰 l 0 m 卜 外海 图2 梳式结构平面图 1 0 mO m 吃 井月 洛 内 t d it lit fA 1d 4 00 0 44几泪 甲 译甲 尸U 呀 W M 图3 沉箱主体断面图 咤 外份 谈 计 肠 泳 位 o0 X3 000 8m 2 0 0 0 0 图4 翼板断面图 这种新型防波堤是针对大连港大窑湾岛堤的特殊工程条件提出来的 针对性研究 此岛 堤必须集国外发展趋势的消浪 透流 轻型为一体方能达到工程目的 这在国内外均无可借鉴 的先例 交通部组织了 设计 科研 院校进行了 大量调查 研究 理论分析 模拟计算 模型试 验 经过了 多方案对比 筛选 反复多次修改 最后决定采用梳式结构 在针对性研究的基础上 根据攻关计划要求进行了 系统性研究 系统性研究证明梳式防波 堤是一种性能良好 造价低廉的防波堤 品 k S a 3 画 芬 事 一2 55 a 深水港建设技术研讨会 论文集 水力学试验是在大连理工大学海岸和近海工程国 家重点实 验室的波浪水槽中进行的 水槽 长6 9 m 宽2 m 高1 8 m 水槽的一端配有美国M T S 公司生产的不规则波造波系统 另一段设有 消浪装置 波高测量采用该重点实验室研制的波高 应变 滤波合一测试仪 示范工程翼板力 学特性分析是大连理工大学土木建筑学院结构实验室在赵国藩院士指导下进行的 3 1 水平波浪力 在防波堤设计中水平波浪力是控制荷载 因此 水平波浪力的确定至关重要 梳式防波堤单宽水平波浪力是规范计算的直墙式建筑物 传统直立堤 所受的单宽水平波 浪力乘以单宽水平波浪力折减系数 单宽水平波浪力折减系数是梳式防波堤所受的单宽水平波浪力与直墙式建筑物所受的水 平波浪力之比 为了 求得折减系数K 分别测定了 梳式结构和传统实体直墙结 构 具有与梳式结构相同的 胸墙 所受的水平波浪力 根据大量试验资料分析 可以发现波峰和波谷作用时折减系数K 与波浪周期 波长 波高 水深 梳齿宽度 沉箱主体长度 梳齿间距 翼板位置 翼板底距海底高度具有良 好的线性相 关性 可归纳出如下公式 一 二 俘 aa 久 卜 H 1 as 0 bA a L ay d a1 d 式中 9 重 力加速度 9 8 1 m S T 一波浪周期 S L 一波长 耽 H 一波高 m d 堤前水深 m A 一梳齿宽度 m a 一梳齿间距 m b 翼板位置 m c 翼板底距海底高度 利用测得的3 3 0 个试验数据进行最小二乘法拟合可得出以下经验公式 二 8 9 8 陌 一 0 9 8 二 一 0 6 1 b Hd 2 一 0 2 6 1 二 0 0 3 1 d 该线性拟合公式的相关系数 K O 6 1 1 根据回归方程的相关性要求 当数据点数大于 3 0 0 时 相关系数大于0 1 1 3 显然式 2 远远满足要求 试验数据表明 当c 0 翼板伸至海底 不透浪 时 K 值可达到0 8 或更小 即梳式结构所受的水平波浪力比 传统实体直墙结构减小 2 0 以下 中国土木工程学会港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 r范工程甲 T 9 4 s L 9 9 7 m H 7 8 7 m d 1 4 m A 1 2 m a 6 m 6 7 6 m c 7 m 计 算K 值为0 7 9 即胸墙采用系统研究的型式 水平波浪力可减少2 1 针对性研究得出 胸墙 采用阶梯型结构 实测水平波浪力可减少 2 7 示范工程采用此胸墙 采用透空式结构 水 平 波 浪 力 可 减 少3 8 以上为规则 波作用时的折减系数 实 验证明 不规则波作用时单宽折减系数为规则波作用 时的0 7 2 倍 32 波浪反射系数 波浪反射率是消浪结构另一项重要指标 它不仅对波浪力有影响 同时对堤前行驶的船舶 也有很大影响 对于规则波 根据波浪理论 入射波水面波动方程为 77 a c o s k x c o s 0 砂 s in B 一 P 3 反射波水面波动方程可为 1 a c o s k x c o s B 砂s in B 一 叉 4 式中 a分别为入射波和反射波的波幅 W W 分别为入射波和反射波的相位角 k 为 波数 e 为入射波与x 轴 防波堤轴线 之间的夹角 为波浪圆频率 测试时 在结构物之前布置两个波高仪 其坐标为 X 1 Y l 和 X z Y 2 根据文献 6 的 方法 入射波和反射波的波幅为 a 二 2 Is in r 一 x k c o s q B c o s D一 A s i n 几 一 B c o s D 凡s i n D A c o s D B s i n D 一 A c o s D B s i n D 5 二 全 Isin x x ytcoso A sin q 一 cost 一 儿si n C B c o s C 4 c o s C B s i n C 一 A c o s C 一 B s i n C 2 r 6 式中 A a c o s V a c o s q B a s i n V a s i n 4p A 2 a c o s r7 a c o s v 2 B a s i n q 7 s i n 9 2 V il 杯c o s B 如 s i n O 傲 舜 故c o s e 十 权 s i n B 十 傲 Y I2 帆c o s o 彻 s in O 巴 舜 一 版 z C O S B 砂 s i n O 哭 中国土木工程学会港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 c k s c o s B十 砂 s i n e D l k r c o s B 十 如 s in B C k x c o s B k v s in B D k r c o s 0 彻a s i n 0 则 反 射 系 数 为 k 一 a a 7 对于不规则波 其波谱由不同频率的组成波线性叠加而得 对于每一个组成波可以 采用上 式方法求得其反射系数 而后由不同组成波的能量分配比例关系求得整个频谱的反射系数 分析表明 反射系数主要与翼板位置b与波长L之比b L 有关 而与梳齿间距 a及波高H 的关系不大 通过回归分析 可得反射系数与b L的相关方程 k 3 2 4 2 6 L 丫 一 1 1 3 2 6 L 1 3 7 8 3 3 翼板的力学特性 对于一般防波堤沉箱构件只按静力学进行强度 裂缝计算并配筋 不再进行其他验算 由 于翼板是梳式结构的重要构件因此进行了一系列的计算分析 计有 线弹性有限元分析 非 线性有限元分析 疲劳分析 自由 振动分析等 通过分析得出以下结论 为翼板设计提供了根 据 1 按经典薄板理论 计算的 应力值比按考虑了 横向剪切变形厚板理论应力值相比 前者偏 大 2 线弹性分析E 匕 非线性分析在应力和配筋等方面偏于安全 非线性分析考虑了混凝土开 裂 压碎 钢筋屈服 考虑了当混凝土的应力超过极限强度时不平衡力要释放给相邻单元 从 而削弱了应力的集中 并且开裂区的裂缝在分布上趋向平衡 3 按规范计算的波压力荷载与按模型试验实测的波压力相比 前者偏大 4 当按规范计算的波压力进行疲劳验算时 波峰作用下钢筋的疲劳应力为较大的正 值 波谷作用下钢筋应力为负值 因而存在疲劳问题 当以模型试验实测值对翼板进行疲劳验算时 波峰作用下钢筋的疲劳应力为较小的正值 波谷作用下钢筋疲劳应力为负值 不存在疲劳问题 5 疲劳问题出现时 为简化计算 翼板配筋可用现行交通部港口工程混凝土结构设计规 范J T J 2 6 7 s 8 计算的 钢筋量乘以1 2 的扩大系数 可不再进行 疲劳验算 6 翼板的自 振周期较小 一般为0 0 1 0 0 2 秒 与波浪周期相差甚远 动力反应很小 不会发生共振 4 示范工程 为了将科学技术迅速转化为生产力 国家重点科技项目 攻关 要求有示范工程 该示范 工程选定为大连港大窑湾岛堤工程 4 1 自 然条件 大窑湾位于辽东半岛南端 濒临北黄海 与大连湾以大孤山 半岛相隔 湾口朝向东南 岛 2 8 中国土木工程学会港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 堤位于湾口中部 见图1 大窑湾岛堤设计高水位4 0 0 m 设计低水位0 4 4 m 校核高水位5 lm 设计高水位时岛堤前波浪要素为 周期T 9 4 s 波长L 9 9 7 m 波高H q 7 8 7 m 岛堤区海底土质可大致分为三层 表层为全新世海相沉积 中层为更新世陆相洪坡积层 主要为砂卵石 砾石 砾砂 层位连续平均厚度3 二 左右 是梳式防波堤的持力层 对实体直墙 式防波堤此层不能做持力层 需挖掉 下层为基岩 相当一部分强风化残积物形成次生红色亚 粘土层 允 许承 载力只 有1 5 0 2 0 0 K p a e 4 2 工程概况 大窑湾梳式岛堤长6 4 3 7 5 m 堤顶高程9 0 m 堤底高程一 1 1 0 堤身主体采用矩形钢筋 混凝土沉箱 沉箱主尺度 长 堤轴线方向 X宽X高 1 2 O X1 6 O X1 4 O m 两侧各设宽3 O m 翼板 板顶与箱顶齐平 板底标高 3 0 m 箱体自 重1 6 0 0 t 翼板底至海底7 m 即形成6 X 7 m 的 空 洞 由 于 波 浪能 量的9 8 集中 在水 面下3 倍 波高 范 围 内 7 空 洞的 存在 对防 止 波能 进入 港 内影响不大 为了消除此影响 保证防波堤的使用功能 堤项加高 l m 但总水平力却大为降低 但可以透流 降低口门流速和进行水体交换保护海洋环境 沉箱顶标高 3 0 m 其上设现浇混 凝土胸墙 胸墙采用阶梯形 沉箱底下设抛石基床至砂卵石持力层顶面 持力层下卧次生红色亚粘土原状保留 大连港大窑湾岛堤断面图见图6 4 3结构设计比较 梳式岛堤结构沉箱主尺度为 1 2 O X1 6 O X1 4 O m 箱身间隔 不计翼板 6 m 与其受力 稳定情况相同的传统沉箱结构主尺度为1 8 4 Xl 6 4 X1 4 O m 自重1 9 3 0 t 两者仅钢筋混凝土即 相差3 3 0 t 基床顶最大应力几乎相同 但梳式结构地基应力扩散属空间问题 地基不需处理 传统沉箱方案地基应力扩散属平面问题 地基必须处理 计算成果见下表 表中 K s 为基床顶抗滑安全系数 K s 为基床底抗滑安全系数 K o 为抗倾安全系数 o 为 基床顶最大应力 为基床顶最小应力 K s K s K 按交通部港口 工程技术规范 1 9 8 7 规 定最小值分别为1 3 1 3 1 6 计算成果表 R e s u l t o f C a l c u l a t i o n ko fl 方 沉 箱 梳式 校核高水位设计高水位 校核高水位设计高水位 K s1 3 6 1 4 7 1 4 41 5 7 K s 1 3 6 1 4 5 1 5 71 6 8 K c1 5 4 1 6 91 5 3 1 6 8 o 6 6 2 16 0 6 0 6 6 2 0 6 0 1 5 0 200 0 0 中国土木工程学会港口 分会 深水港建设技术研讨会 论文集 4 4 施工 梳式防波堤与传统沉箱防波