结合施工通道的某拦沙潜堤设计优化分析

邓涛，张昊

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）

结合施工通道的某拦沙潜堤设计优化分析

邓涛，张昊

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）

斯里兰卡港口城拦沙潜堤位于水面以下6 m，属于潜堤结构。为形成外防波堤陆上推进施工条件，需沿拦沙潜堤快速修建通往外防波堤的施工通道。文中提出的优化设计方案结合了永久拦沙潜堤和临时施工通道的特点，应用了国外潜堤块石稳定以及倒滤设计的研究成果，最大化地节省了石料用量，优化了施工工序，节省了宝贵工期和工程造价。

拦沙潜堤；施工通道；几何非封闭倒滤

1 工程概况

斯里兰卡科伦坡港口城项目位于科伦坡市中心，规划范围北至科伦坡南港防波堤，东至现有海岸线高尔路。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。工程主体由陆域回填、外防波堤、拦沙堤、潜堤、运河护岸、游艇码头、游艇外护岸以及人工沙滩组成，其平面布置图如图1所示。

外防波堤位于水深-16~-20 m，距离后方陆域远，沿拦沙潜堤快速修建施工通道通往外防波堤成为满足工期要求且经济的选择。

图1 港口城平面布置图Fig.1Plan layout of port city

2 主要设计条件

工程所处海域属不规则半日潮，日潮不等现象明显。平均大潮高潮位0.7 m；平均小潮高潮位0.5 m；平均海平面0.4 m；平均大潮低潮位0.1 m。

科伦坡属热带季风气候，流速相对较弱。海域风浪常年存在，西南季风期（5—9月），西南方向风浪较大；东北季风期（12—翌年2月），风浪与涌浪方向差别较大。由于科伦坡位于斯里兰卡的西海岸，热带气旋影响相对较小。根据3D物模实测的波浪结果，拦沙潜堤顶面-6.0 m处200 a一遇设计波高Hs=4.02 m，周期TP=16 s，波长Lp=185 m。

拦沙潜堤区域原泥面位于-14 m左右，工程区域表层分布松散砂，为砂质海床。下方分布粉砂和砂性土，土体指标较好，适合斜坡堤的建设。

3 EPC合同断面优化设计

3.1 EPC合同设计断面

拦沙潜堤功能为保护堤后人工沙滩的回填砂，消减堤后波浪，以减少沙滩护岸的越浪，同时掩护游艇码头以满足泊稳要求。EPC方案采用抛石斜坡堤结构，堤顶高程-5.0 m，选用5 t扭王块护面，坡度1∶1.5，护面块体下方设置300~500 kg的垫层块石，堤心采用1~500 kg块石，海侧和陆侧坡脚设置2~5 t抛石棱体，高程为-9.5 m，海测和陆侧设置10 m宽的300~500 kg的护底块石，回填砂从拦沙堤坡脚起坡，断面见图2所示。

图2EPC合同设计断面Fig.2Design typical section in EPC contract

3.2 堤顶高程和宽度设计

EPC合同要求拦沙潜堤原则上顶标高不超过-5.0 m，堤顶标高的确定需要满足以下要求：

1）拦沙功能要求。即防止后方人工沙滩的回填砂流失。

2）游艇通航要求。拦沙潜堤作为游艇进出通道，EPC合同要求拦沙潜堤和游艇港池底标高均为-5 m，-5 m的游艇港池底标高可允许更大船只停泊，如长度约40 m，最大吃水4.2 m的机动游艇，而-5 m的拦沙堤顶标高则不能通航此类游艇，EPC设计存在功能不匹配从而降低游艇码头的使用价值。因此将拦沙堤顶标高降为-6 m更经济。

3）游艇码头泊稳要求。通过拦沙潜堤波浪会对游艇码头泊稳产生影响，如游艇码头的顶标高降低过多，会导致进入游艇码头区域的波高变大，影响游艇码头使用。3D物模实测波浪数据表明[1]，高程由-5 m降低到-6 m对波浪影响基本可以忽略，不会对码头泊稳造成影响。

综上所述，选取拦沙潜堤的顶标高为-6 m。 The Rock Manual[2]要求堤顶在构造上至少允许放置3~4块块石，根据护面块石规格大小，选定拦沙潜堤堤顶宽度为4.8 m（4块块石）。

3.3 护面块石设计

EPC合同提供的方案中，拦沙潜堤的护面采用了5 t扭王块，扭王块水上安装困难且很难保证其水下的啮合。分析拦沙潜堤结构位于水面以下6 m深度，随着淹没水深的增加，护面块体结构的稳定性也会显著增强，因此可优化为大块石护面。

The Rock Manual[2]给出了以下2种情况的计算公式：1）堤顶在水面附近的潜堤，结构稳定主要受越浪和波浪破碎影响；2）近海床的结构，这种结构堤顶高程很低，基本不受波浪破碎的影响。

本项目拦沙潜堤的高程位于-6 m，波浪破碎（HS=4.02 m）仍然对结构稳定有一定影响，但堤顶又不在水面附近，在上述2种情况适用范围之外。The Rock Manual中关于潜堤的计算公式（式5.167）最大适用范围为-2.9

对于类似拦沙潜堤这种水下结构物在波浪作用下的稳定性尚未有成熟的理论计算，Van der Meer[3-4]提出的式（1）统计了大量物模试验结果，提出基于相对高度hc′/h的计算公式，该公式可用于初步估算所需块石稳定重量大小。

所需的块石中值粒径可以根据式（2）求得：式中：hc′为堤顶距海底的高度；h为堤前水深；NS*为稳定系数；S为损坏程度参数；Δ为块石于水的相对密度；Hs为有效波高；Lp为采用谱峰周期计算得到的波长。图3为所需护面块石的中值质量M50随损坏程度参数S的关系曲线，当S=1（2代表开始损坏）时，M50接近3.2 t。

图3 护面块石稳定重量计算结果Fig.3Stabilized weight calculation results of armour rock

物模验证结果[1]表明，3~5 t（M50=4 t）护面块石在不同水位以及200 a一遇波高组合工况下，在6 h后，满足了稳定要求（没有块石滚动）。式（1）和式（2）计算结果与物模试验结果较接近，反映了该公式适用于本项目拦沙潜堤的情况。结合3D物理模型试验结果，坡度选用1∶1.5，护面块石重量优化为3~5 t块石。

3.4 垫层块石设计

为保证大小块石之间过渡，通常在大块石下方设置垫层块石，The Rock Manual[2]规定垫层块石重量可取护面块石重量的1/15~1/10，则在护面块石和堤心石之间需设置300~500 kg垫层块石。BS-6349《海工建筑》第七分册[5]规定大小块石之间过渡时，相应的级配应满足Terzaghi倒滤准则。

式中：D为块石的名义尺寸（等效立方体），下标15和85指通过某粒径百分比，u和c分别表示垫层块石和堤心石。根据Terzaghi倒滤准则，计算3~5 t可以直接放置于堤心石上，而不必在之间额外设置垫层块石过渡，国外也有4~6 t的大块石直接放置于堤心石上成功的实施经验。

3.5 宽级配块石在护底设计中应用

受到海洋动力作用，为防止砂质海底的冲刷，JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[6]规定在护底块石和砂质海底之间应设置倒滤层，BS-6349《海工建筑》第七分册[5]也规定不同块石之间级配应满足Terzaghi倒滤准则。

以上规定均为对倒滤层设置必要性的定性认识，并未针对不同部位海洋动力大小不同而进行区分，均要求采用级配要求严格设置倒滤层，该传统设计理念，可称之为几何封闭的倒滤设计理念。The Rock Manual[2]指出对于海洋动力较弱的区域，该原则往往过于保守和不经济，可结合经验选用几何非封闭的倒滤设计理念。

根据计算拦沙潜堤的护底块石M50约为300 kg块石，1~500 kg堤心石存在满足稳定要求块石，1~500 kg块石表层小颗粒块石可能会被水流力带走，但满足稳定要求的大块石会留下来，阻止了下方堤心石进一步流失，最终会形成大块石和堤心石组合双层倒滤结构。

满足倒滤功能的1~500 kg的厚度采用CUR223[7]的研究成果，计算公式为：

式中：Df为倒滤层厚度，m；d为块石的名义尺寸（等效立方体）；下标15和50指通过某粒径百分比，下标f、b分别表示倒滤层和基础层，Δ为材料水下相对重度；γ为传输参数，取0.69；Ψcf、Ψcb分别为倒滤层和基础层的临界Shield参数；αk为与湍流强度相关的系数（高湍流条件为0.5）；VGf、VGb分别为倒滤层和基础层的不均匀系数。

根据地质勘察报告，砂质海床的db85为0.8 mm，db50为0.4 mm，Shield参数Ψcb取0.015。3种不同级配堤心石作为倒滤层的厚度，结果见表1。计算满足倒滤要求的厚度Df在1.5~2.3 m之间，其厚度与堤心石中细颗粒含量有关，细颗粒含量越多，计算所需厚度越小。对于深水区波浪作用较小的区域采用半封闭倒滤原则，护底可采用3.0 m厚堤心石作为砂质海床的护底块石。

表13 种不同级配的几何非封闭倒滤层计算厚度Table 1Calculated layer thickness for a granular open filter for three different gradation m

3.6 结合施工通道的优化断面拟定

为加快外防波堤的推进速度，需沿拦沙潜堤快速修建通往外防波堤的临时通道，结合临时通道结构对EPC设计方案进行优化。优化方案断面图见图4，拦沙潜堤顶高程由-5 m优化为-6 m，顶宽为4.6 m；护面块石由5 t扭王块优化为3~5 t块石，坡度1∶1.5；堤心采用1~500 kg块石，海侧压脚高程为-9.5 m；陆侧2层护底结构优化为单层3 m厚堤心石以满足砂质海床的倒滤要求。

图4 优化后设计断面Fig.4Optimized section

优化方案的施工工序为：1）拦沙潜堤的堤心石水上抛填和护面块石安装；2）将形成拦沙潜堤作为后方挡沙结构，水上回填-7 m以下临时通道的堤心砂结构；3）陆上推填临时通道结构堤心砂上方的块石，完成临时通道结构的施工；4）临时通道完成使命后，为满足通航要求，需陆上挖除-7 m以上的块石并二次利用，-7 m以下的回填砂维持现状无需挖除。

优化后的拦沙潜堤避免了水上安装扭王块，优化了施工工序，最大化利用回填砂以减少临时通道块石用量，海侧护面块石可在施工通道形成后转换为陆上施工。在满足合同和规范要求前提下，优化方案可节省工期并显著减少工程造价。

4 结语

通过以上分析，相关设计要点总结如下：

1）对于堤顶位于水面一定深度且结构稳定仍受波浪破碎影响，建议按照式（1）进行初步估算，并结合物模试验确定块石所需规格。

2）常规的几何封闭的倒滤设计理念被广泛应用于设计中，但对于海洋动力较弱的区域，该原则往往过于保守和不经济，可结合倒滤研究成果和工程经验采用几何非封闭的倒滤设计理念。3）在满足EPC合同以及规范要求前提下，

本文优化方案结合永久结构和临时施工通道的特点，应用了国外潜堤块石稳定以及几何非封闭的倒滤设计的研究成果。满足了现场快速施工的要求，避免了水上扭王块安装施工，优化大量块石和反挖工程量，可供其他类似工程项目参考。

[1]周益人.斯里兰卡科伦坡港口城项目南口门局部整体波浪泥沙物理模型试验研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2015. ZHOU Yi-ren.3-D physical model test on local integral wave sediment at the southern entrance of Colombo Port City Development Project[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2015.

[2]ESCARAMEIA Manuela.The rockmanual-the use of rock in hydraulic engineering[M].2nd ed.London:CIRIA,2007.

[3]VAN DER MEER J W,PILARCZYK K W.Stability of low-crested and reef breakwaters[J].American Society of Civil Engineers,1990: 1 375-1 388.

[4]VAN DER MEER J W,DAEMEN Ivar F R.Stability and wave transmission at low-crested rubble-mound structures[J].Journal of Waterway Port Coastal&Ocean Engineering,1994,120(1):1-19.

[5]BS 6349-7,Guide to the design and construction of breakwaters[S].

[6]JTS 154-1—2011，防波堤设计与施工规程[S]. JTS 154-1—2011,Codeofdesignandconstructionofbreakwaters[S]. [7]CUR.Interface stability of granular filter structures[M].The Netherlands:CUR Building&Infrastructure,2010.

Analyses and optimization design of submerged sand barrier combined with temporary access road

DENG Tao,ZHANG Hao
（CCCC FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

The submerged sand barrier of Sri Lanka port city have their crest below water of 6 m,belonging to submerged structure.In order to create land-based construction condition for breakwater,the temporary access road leading to the breakwaters should be constructed with high-speed along submerged sand barrier.In this paper,we proposed the optimization design combines the feature of the permanent submerged sand barrier and temporary access road,and applied worldwide research results for submerged-stone stability formula and geometrically open filter rules in design.The optimized design can save large quantity of rock,optimize construction process,and shorten the construction period and save the project cost.

submerged sand barrier;temporary access road;geometrically open filters

U656.2

A

2095-7874（2017）07-0053-04

10.7640/zggwjs201707012

2016-11-09

2017-02-11

邓涛（1985—），男，湖北荆州人，硕士，工程师，主要从事港口与航道工程工作。E-mail：dengt@fhdigz.com