东营港东营港区防波挡沙堤结构型式研究

杨文斌，李 颖

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

我国已成功在多处粉砂质海岸上进行了较大规模港口建设，但随着港区建设扩容、码头等级的提升，配套进出港航道等级也需要相应提升，航道深度和长度均需大幅度增加；而粉砂质海岸泥沙起动条件较低，航道两侧底质泥沙易受风浪流的影响对航道乃至港池形成淤积，随着航道向外海延伸和航道深度的增加，泥沙淤积对航道的影响也愈加严重，为此需要在航道两侧建设防波挡沙堤以对航道形成掩护，有效减少平常浪作用下的泥沙淤积和风暴潮作用下的泥沙骤淤，减轻航道维护疏浚的压力，提高航道通航保证率，确保船舶通航安全。

1 工程概况

为满足东营港区在建及规划10 万t 级及以上泊位通航要求，拟建设10 万t 级进港航道，为掩护航道，在航道两侧新建南、北两段防波挡沙堤。防波挡沙堤工程按二级水工建筑物设计，设计波浪重现期按50 年一遇考虑，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度值为 0.165 g。

南、北段防波挡沙堤所在海域的天然泥面标高约为-9.5～-14.6 m，所处位置软土层厚度较大，其中北防波挡沙堤软土层厚度约9～12 m，南防波挡沙堤软土层厚度约8～14 m。

本工程设计高水位1.54 m(以当地理论最低潮面起算，下同)，设计低水位-0.10 m，极端高水位2.99 m，极端低水位-1.62 m。

2 防波挡沙堤设计方案

防波挡沙堤的设计需综合考虑工程地质，水文和水深等工程条件，在保证工程使用功能的基础上，最大程度地保证工程经济性。

在平面布置[1]上，南、北防波挡沙堤均平行于航道设置，其中北防波挡沙堤长度为6 300 m；南防波挡沙堤长度为6 709 m，两堤间距1.4 km，堤顶高程均采用从5.0～-9.0 m 渐变过渡，其中起始 200 m 的过渡段高程为5.0～1.0 m，其余部分均从1.0～-9.0 m 渐变。平面布置图见图1。

图1 平面布置示意图

在结构型式的选取上，防波挡沙堤主要有斜坡式、直立式和混合式三种结构型式。通过理论计算，发现对于堤顶高程较高的区段，直立式结构所受波浪力较大，满足结构稳定性要求，需增大结构断面尺寸，引起工程造价大幅提高，方案经济性较差。而对于堤顶高程较低的潜堤段，直立式结构所受波浪力相对较小，结构经济性在可接受范围内。因此考虑在堤顶高程较高的区段（5.0～-4.0 m），参照本港已建防波堤工程，采用对波浪、地质适应性较强的斜坡式抛石潜堤结构，在堤顶高程较低、受波浪作用相对较小的的区段(-4.0～-9.0 m)，进行斜坡式抛石潜堤结构、重力式方块直立堤结构、桩式直立堤结构、箱筒结构和半圆型沉箱结构五种结构方案的比选。

对于斜坡式抛石潜堤，现行规范[2]中缺少护面块体、垫层块石及护底块石稳定重量的计算方法。为解决上述问题，在设计过程中，通过波浪潮流泥沙物理模型试验和断面物理模型试验对结构设计方案进行验证和优化，以下为模型试验结果。

在本工程波浪潮流泥沙物理模型试验[4]过程中，发现南、北防波挡沙堤的堤头段存在局部冲刷，因此将堤头段200 m 范围内的护底块石结构均加宽。在斜坡式抛石潜堤的断面模型试验[5]中，分别进行了不同堤顶高程（+5.0 m、-6.0 m、-6.8 m、-8.0 m）的断面结构稳定性试验。表1 为试验结果。

表1 斜坡式抛石堤结构断面稳定性试验结果表

对于直立式潜堤结构，现行规范[2-3]中缺少护底块石稳定重量和结构波浪力的计算方法。因此在设计过程中，通过直立堤断面波浪物理模型试验[4]对护底块石稳定性进行验证，同时对结构所受波浪力进行了测量。

根据物理模型试验结果，进行了斜坡式抛石潜堤和各种直立式潜堤的断面设计，具体结构断面见第3 节水工结构方案比选。

3.水工结构方案比选

3.1 斜坡式抛石潜堤方案

抛石堤具有施工方便，且损坏后易修复的优点，是砂石料充足区域常用的防波挡沙结构。本工程区域砂石料充足，因此首先考虑该结构型式，鉴于工程区域的天然地基不能满足结构整体稳定要求，需在斜坡堤上部结构施工前，对软土层进行地基处理。对顶高程5.0～-6.8 m 区段，采用排水固结与土工织物加筋层相结合的方法进行地基处理，具体地基处理方法如下：在天然泥面上分层铺设共 1.0 m 厚的砂被作为水平排水层，同时在地基中打设塑料排水板作为竖向排水层；在地基上铺设一层300 kN 的高强土工格栅，其上铺设一层二片石垫层。对于顶高程-6.8～-9.0 m 区段，根据相关计算，无需进行地基处理。

地基处理之后进行上部结构施工，堤心采用10～100 kg 块石，两侧边坡采用1:1.5，(5.0～-6.0 m)护面层采用12t 扭王字块体，护面块体与堤心石之间设有600～800 kg 块石垫层。(-6.0～-9.0 m)护面层采用8 t 扭王字块体，护面块体与堤心石之间设有400～600 kg 块石垫层。堤身两侧设有600～800 kg块石压脚棱体。为防止冲刷，坡脚设置150～200 kg护底块石、二片石垫层及复合土工软体排，护底结构宽度在堤头段200 m 范围内两侧均为50 m，其余部分两侧均为15 m。斜坡式潜堤结构方案断面图见图2。

图2 抛石斜坡式结构方案断面图（潜堤）

该结构方案具有坚固耐久，对地基沉降适应性强，损坏后易修复等优点，同时该结构混凝土用量小，工程造价较低（后文以该结构方案单延米造价为基数进行经济比选）。对地基土采取打设塑料排水板进行排水固结的地基处理方案，该方案地基土中的淤泥只在原地进行加固处理，对周边环境基本无影响；但水下插塑料排水板的施工作业受水深和天气的影响较大，且打设排水板后地基土排水固结需要一定周期，故该方案施工工期相对较长，是一种牺牲一定的施工时间来换取较为经济且对环境污染较小的软弱地基土加固效果的地基处理方案。

3.2 重力式方块直立堤方案

方块直立堤具有结构简单，施工方便，施工速度较快等优点，也是海岸工程中常用的码头及防波堤结构型式。针对本工程，首先采用淤泥固化的方式对地基软土层进行处理，要求固化后土体的无侧限抗压强度≥0.5 MPa。地基处理完成后，铺设1.5 m厚的10～100 kg 抛石基床。在基床上安装预制好的混凝土方块，方块底宽8.0 m，最大单块重约180 t，每层方块之间通过型钢竖向贯通连接以增强其结构整体性。为防止直立堤前冲刷，在基床两侧坡肩安放栅栏板护面，并在堤身两侧抛填60～100 kg 块石及600～800 kg 护底块石，护底宽度堤身段采用30 m，堤头段采用50 m。重力式方块直立堤结构方案断面见图3。

图3 重力式方块直立堤结构方案断面图

相较于抛石斜坡堤，重力式方块直立堤断面尺寸更小，结构整体性更好；但需要使用大量的混凝土及专门的混凝土块体预制和堆存场地，对于本工程的软土地基还需采用淤泥固化的方式进行地基处理，因此该结构方案工程造价较高，与斜坡式抛石潜堤结构方案的单延米造价之比约为1.87:1。

3.3 桩式直立堤方案

传统的桩式堤多为桩基透空式防波堤[5-6],通过带挡浪板的桩基承台结构形成防波堤，挡浪板下部为透空结构，多用于出水堤。而对于潜堤，一方面，挡浪板下部不允许透水；另一方面，很难在水下浇筑钢筋混凝土承台形成潜堤结构，因此本工程提出了采用大直径钢管桩+钢板桩的组合桩结构。每组组合桩由1 根大直径钢管桩（主桩）和一对“Z”型钢板桩（辅桩）组成，钢管桩及钢板桩之间均通过专用连接件连接形成连续的直立式防浪挡沙堤身结构，桩身截面示意见图4。

图4 桩身截面示意图

钢管桩直径采用1.6 m，壁厚根据堤顶高程不同，分区段分别采用24 mm、22 mm 和20 mm；钢板桩采用AZ20-800 型。根据“踢脚”稳定性要求，堤身钢管桩打设底高程为-34.0～-36.0 m“Z”型钢板桩打设底高程采用-26.0m。在组合桩结构两侧分别抛填60～100 kg 块石及600～800 kg 护底块石，护底宽度堤身段采用30 m，堤头段采用50 m。桩式直立堤结构方案断面见图5。

图5 桩式直立堤结构方案断面示意图

该方案通过钢管桩和板桩将作用力传给地基，无需进行地基处理，可节省地基处理时间，但需要专业打桩船，打桩数量较多，施工条件要求较高，同时该结构耐久性较混凝土结构略差，该结构方案与斜坡式抛石潜堤结构方案的单延米造价之比约为1.49:1。

3.4 箱筒直立堤方案

箱型吸力基础结构是一种结构稳定宜于满足，施工速度快，且适用于软土地基的结构型式[7][8]。本方案采用多组箱筒结构组成防波挡沙堤，每组箱筒结构由上下两部分构成，下部为基础筒，筒结构长和宽均为27.0 m，由四个基础圆筒组成，插入到地基土中。单个圆筒外径为11.8 m，内径为11.2 m，壁厚为0.30 m，高约为10 m，相邻两组结构间的净距为1.0 m。相邻圆筒间采用连接墙、盖板和圈梁等其他构件相连形成整体结构，连接墙宽为3.4 m，厚为0.5 m，高约为10 m，上部通过在基础圆筒型构件的筒体间的盖板上沿纵轴线并列2 个带耳墙的上部圆筒型构件作为防浪挡沙结构，单个圆筒的外径为12.1 m，内径为11.3 m，壁厚为0.40 m，高为3.2～8.0 m。堤顶高程为-4.0～-9.0 m。每组箱筒结构重量控制在3 000 t 左右。为防止堤底冲刷，在箱筒型基础结构两侧抛1.0 m 厚砂垫层，打设塑料排水板至-24.0～-26.0 m，其上抛200～300 kg 护底块石。每组箱筒间抛100～200 kg 护底块石。结构方案断面见图6。

图6 箱筒结构方案断面示意图

该方案相较斜坡式抛石潜堤方案和方块直立堤方案，地基处理工程量相对较少，但需要专门的箱筒预制和堆存场地及出运码头，且圆筒预制，拖运和下沉工艺稍复杂，施工难度较大。同时该结构方案工程费用较高，与斜坡式抛石潜堤结构方案的单延米造价之比约为1.66:1。

3.5 半圆型沉箱堤

半圆型防波堤[9-10]得益于堤面圆弧型设计，具有波浪水平力小，且波浪力方向通过圆心，整体倾覆力矩小的特点，因此在相同波浪条件下，较轻的质量便可满足抗滑抗倾覆要求，是一种适用于软基的防波堤结构型式。本方案参考半圆型防波堤提出了一种半圆型沉箱与抛石斜坡堤复合结构，堤身下部为斜坡式抛石结构并兼作基床，堤身上部为半圆型沉箱结构。根据地基承载力要求，堤身下部抛石斜坡式结构采用和斜坡式抛石潜堤方案类似的排水固结和加筋垫层结合的地基处理方法，同时开挖换填10～100 kg 块石作为堤身，该结构同时作为上部半圆型沉箱的基床，基床两侧抛填10～100 kg 块石和600～800 kg 护底块石。堤身上部采用半圆型沉箱作为防浪挡沙结构，在堤顶高程-4.0～-7.0 m 区段半圆型沉箱半径采用6.0 m，在堤顶高程-7.0～-9.0 m 区段半径采用4.6 m。根据堤身抗滑稳定性要求，在半圆型沉箱内回填砂以增加堤身稳定性。方案断面见图7。

图7 半圆型沉箱结构方案断面示意图

该方案相较于方块直立堤可节省混凝土用量，但同样需要专门的预制和堆放场地，且沉箱预制，拖运和下沉工艺稍复杂，施工难度较大，且工程费用较高，与斜坡式抛石潜堤方案每延米造价之比约为1.86:1。

3.6 方案比较

根据自然条件、材料来源、使用要求、施工条件和结构方案的特点等对五种形式的防波堤结构设计方案进行了技术经济比较，比较结果详见表2。

表2 结构方案比选表

上述五种结构方案，技术上均可行，施工工艺成熟。经综合比较，推荐结构方案采用抛石斜坡堤结构方案。

4 结语

本文在物理模型试验研究的基础上，对东营港东营港区方波挡沙堤的潜堤段进行了斜坡式抛石潜堤结构、重力式方块直立堤结构、桩式直立堤结构、箱筒结构和半圆型沉箱结构五种结构方案的设计，并对所提方案进行了技术经济比选。通过比选得出以下结论：

1）本次研究在理论计算的基础上，通过必要的模型试验，提出了既能满足使用性和耐久性，又满足经济性和适用性的科学、合理的防波挡沙堤结构型式。在本文研究的5 种结构型式的潜堤结构设计方案中，斜坡式抛石潜堤的工程造价最低，且耐久性好，损坏后易修复，是保证结构安全并能够有效降低工程投资的首选结构设计方案。

2）随着我国港口建设事业的发展，目前部分港区防波堤的建设条件相比以往愈加恶劣，且当前社会各界对环境保护的认识越来越深刻，港口建设过程中也要深入贯彻绿色发展理念，减少对不可再生资源的大规模使用，比如减少大规模开山取石等，故相关建设中预制结构的使用越来越多，以后同类项目中可能会偏重于直立式结构的开发和利用。本文的研究成果表明，在本文研究的抛石斜坡堤之外的其它4 种防波堤结构方案中，桩式直立堤造价最低，且不需要进行额外的地基处理，为直立堤中的推荐方案。

3）目前国际国内对于潜堤的研究尚不成熟，相关的计算理论和计算公式均尚不完善，在实际工程设计过程中，设计人员经常会囿于理论和公式的缺乏，在项目的前期研究工作中尤其是没有相关试验资料支撑的情况下，无法确定合理的潜堤结构形式及结构断面尺度，更无从选取推荐结构方案；根据这种情况，本文的研究成果对于类似条件下潜堤结构形式的选取提供了有益借鉴，可以供广大工程设计人员在实际工作中予以参考。