强浪条件下的深水防波堤施工技术

强浪条件下的深水防波堤施工技术
TAO Ran;SHI Chun-yan;HUANG Rui-yi;WU Zun-qi
【摘要】针对在建的以色列阿什杜德港主防波堤延伸工程在施工中存在的抛石工程量大、波浪条件差等困难,在对施工组织进行细化的基础上,通过二维和三维物理模型试验确定施工期块石稳定极限波高,合理安排施工工序,进行越冬防护结构的设计与实施.通过二维波浪模拟预报对施工进度进行动态管控,确保工程的顺利实施,为类似海况条件下的深水防波堤施工提供借鉴.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】5页(P191-195)
【关键词】强浪条件;深水防波堤;物理模型试验;极限波高;越冬防护
【作者】TAO Ran;SHI Chun-yan;HUANG Rui-yi;WU Zun-qi
【作者单位】;;;
【正文语种】中文
【中图分类】U655
随着沿海港口吞吐量的大幅增长以及运输船舶不断大型化趋势，海港工程建设开始逐步由近岸向处于无掩护或半掩护的深水水域发展，为传统的港口规划、设计和施工技术带来了新的挑战[1]。

本文依托在建的以色列阿什杜德港项目，介绍其主防波堤延伸段建设中通过二维和三维物理模型试验对施工工序进行的优化以及越冬防
护结构的设计与实施，解决了强浪条件下的深水防波堤抛石施工难题，为类似工程建设提供参考。

1 项目概况
以色列阿什杜德港主防波堤延伸工程[2]全长约600 m，轴线174°～354°，结构
形式为抛石斜坡堤(图1)，最大水深达-25 m，堤身宽近200 m。

该防波堤工程地基采用碎石桩处理[3-4]；堤心石采用0～1 t的Type E块石；海
侧坡比为1:2，垫层采用1.90 m厚1～3 t的Type D块石和2.60 m厚3～6 t的Type C块石，护面采用2层40 t的混凝土预制块，护坦为1.90 m厚1～3 t的Type D块石和2层16.8 t的混凝土预制块；港侧坡比为3:4，垫层为1.90 m厚1～3 t的Type D块石，护面为1层16.8 t的混凝土预制块。

堤顶胸墙采用现浇
混凝土，宽度12.5 m，顶面高程为5.9 m。

图1 典型断面(单位：m)
2 自然条件
阿什杜德港位于地中海东岸，夏季(4—10月)在副热带高压控制下，气候炎热干燥；冬季(11月至次年3月)受西风带控制，锋面气旋活动频繁。

受到气候变化的影响，波浪的季节性变化特征显著(图2)。

施工区域常浪向和强浪向均为WNW，波浪周期多为6～12 s，为中长周期波浪，其中：夏季(4—10月)以涌浪作用为主导，有效波高多在0.5～1.5 m之间；而冬季(11月至次年3月)则以风浪作用为主导，有效波高可达3.5 m以上，由于波速较大，在水平方向上的流动速度也很大，产生
的相当大的能量会对施工期的防波堤结构稳定造成巨大的影响[5]。

图2 波浪玫瑰图
3 技术难点
3.1 波况差，窗口少
通过对阿什杜德港2011年4月—2014年3月的实测数据与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)1979—2016年的再分析数据进行拟合同化后的统计分析[6]，施工区域全年可满足浮式驳船进行抛石施工的作业窗口(有效波高≤0.5 m)仅为30%(图3)。

而且，夏季虽然少有极端波况出现，但多为1 m左右的有效波高涌浪，0.5 m有
效波高以下的作业窗口仅为27%，低于全年的平均水平；而冬季虽然极端波况频发，但是风暴间隔通常有1～2周的风平浪静，0.5 m有效波高以下的作业窗口达到35%。

图3 各月各级有效波高出现频率
3.2 体量大，工效低
经计算，本防波堤工程的抛石总量超过130万m3，质量220万t，堤身东西方向跨度接近200 m，施工形成全断面流水难度极大。

而且3～6 t的Type C大块石
需逐块进行安装，安装工效较低。

4 模型试验结果
4.1 稳定试验
通过水槽中1:50的二维物理模型试验[7]，采用入射有效波高自Hs=0.5 m开始按0.5 m一级逐级增大的试验方法，根据块石大量滚动及断面变形的标准采用目测判断(图4)得出各种级配的块石全断面无防护状态下的临界失稳波高(表1)。

表1 临界失稳波高试验结果块石类型块石级配∕t顶面高程∕m临界失稳波高
Hs∕mType E0～1-3.02.0Type D1～30.63.0Type C3～63.54.5
图4 临界失稳波高试验
此外，通过二维物理模型试验还发现，在逐级增大Hs至6.7 m的条件作用下，施工过程中0～1 t的Type E块石在-8.0 m以下时，基本保持稳定，未出现明显冲
刷；施工至-6.0 m时，断面流失率达到20%；在1～3 t的Type D块石护面至-2.6 m时，断面流失率减小至13%。

4.2 防护试验
通过水池中1:50的三维物理模型试验[8]，在270°、295°、330°3个方向10 a一遇有效波高(Hs=6.2 m)条件下分别对石笼及混凝土预制块的施工期堤头越冬防护
方案进行验证(表2)。

根据试验的过程，单层40 t的混凝土预制块防护结构的失稳位置通常出现在水面上下1倍波高作用的位置(图5)。

图5 单层40 t混凝土预制块10 a一遇波浪条件下的防护试验情况
表2 施工期堤头越冬防护方案试验结果防护方案防护形式试验结果结论5个8 t的石笼形成40 t的石笼链堤身出现破坏未形成有效防护,不采用石笼2个16 t的石
笼形成32 t的石笼链堤身整体稳定防护工程量大,不宜采用单个32 t的石笼堤身整体稳定防护工程量大,不宜采用混凝土预制块单层40 t的混凝土预制块部分迎浪侧水面附近防护块出现塌落(图5)推荐组合采用,现场根据实际情况进一步细化双层
40 t的混凝土预制块堤身整体稳定
5 实施措施
5.1 施工组织细化
由于本防波堤工程断面跨度大，形成全断面验收的难度较大，因此结合施工方法(表3)将堤身断面细化为17项(图6)。

总体施工组织思路是水下的堤身部分采用开体驳及浮吊施工，水上的堤顶部分采用履带吊、挖掘机等陆上设备在堤顶进行施工。

表3 施工组织细化序号施工内容施工方法12Type E块石<-8.0 m开体驳抛填-
8.0～-3.0 m开体驳粗抛,浮吊用铁盒补抛、抓手修补34567Type D块石港侧堤顶港侧堤顶海侧海侧坡面海侧护坦浮吊或堤顶履带吊用铁盒抛填、抓手修补
8910Type C块石堤顶海侧坡面水上海侧坡面水下堤顶履带吊安装堤顶履带吊安装,
潜水员辅助1116.8 t混凝土预制块港侧堤顶履带吊安装,潜水员辅助12海侧护坦浮吊安装,潜水员辅助13141540 t混凝土预制块堤顶海侧坡面水上海侧坡面水下堤顶履带吊安装堤顶履带吊安装,潜水员辅助16现浇混凝土胸墙下层堤顶履带吊浇筑、振捣17上层
注：数字代表的施工内容见表3。

图6 施工内容细化
但是，考虑到浮吊在中长周期波浪条件下的作业工况差、窗口少，因此对于水下需要逐块进行安装且精度要求较高的Type C块石和混凝土预制块，也尽可能采用堤顶的履带吊进行安装。

因此，堤顶采用的履带吊应为满足安装海侧坡面水下40 t 混凝土预制块需要的大型履带吊，即在考虑浮力的作用下，吊装能力可达到吊距50 m、吊重300 kN。

5.2 施工工序安排
5.2.1 整体施工工序
在原防波堤堤头拆除后延堤身轴线向堤头施工、从水下堤身逐步向堤顶施工。

5.2.2 施工流程
基本施工流程为：开体驳抛填-8.0 m以下Type E块石→浮吊在施工期的堤头前方抛填-8.0～-3.0 m的Type E块石及堤顶的Type D块石→小履带吊站在堤头抛填两侧的Type D及海侧的Type C块石→大履带吊站在堤顶的下层胸墙及Type C 块石上安装两侧的混凝土预制块。

5.2.3 堤身施工
根据物理模型试验结论，结合对波浪窗口期的统计分析，在冬季暂停施工并对施工期的堤头进行防护，仅利用风暴间隔的窗口期进行开体驳抛填-8.0 m以下的Type E块石，随后在夏季拆除越冬防护结构后，在已抛填至-8.0 m的Type E块石基础上继续自下向上施工。

5.2.4 堤顶施工
下层胸墙浇筑前，在其海侧首先摆放1排40 t的混凝土预制块用于提供模板支撑，待浇筑完成拆模后，再进行堤顶Type C块石的安装。

然后在其顶面铺设钢板，与下层胸墙顶面一同形成供履带吊在堤顶行走的施工通道。

为保证夏季施工通道的通畅，按施工流水仅进行堤顶第1阶段即下层胸墙及堤顶Type C块石的施工，并形成大履带吊安装两侧混凝土预制块的施工平台。

冬季再
开始施工堤顶第2阶段的上层胸墙浇筑及堤顶混凝土预制块的安装。

5.3 动态计划管控
针对施工区域受地中海区域中长周期波浪影响下的波况条件差、作业窗口少的特点，根据以色列海洋和湖沼研究中心(IOLR)WAM风浪模型模拟的5 d的波浪预报，动态地调整现场每天的工作内容，尽量避免现场窝工。

5.4 越冬防护实施
根据物模试验结论，结合类似工程经验[9]，现场采用40 t的混凝土预制块形成坡比1:2的斜坡式圆弧形的防护结构，并对在水面附近的防护混凝土预制块使用钢丝绳串联，以增强稳定性。

5.4.1 起步阶段
在原防波堤堤头拆除后的开始按设计断面抛填块石，此时尚未开始胸墙施工。

防护方式为：将堤头的Type E块石从已施工的全断面向前放坡至-8.0 m，在斜坡上抛填约1.90 m厚的Type D块石后摆放1层40 t的混凝土预制块；在堤顶抛填约4.75 m厚的Type D块石后摆放2层40 t的混凝土预制块，并在混凝土预制块后方规则摆放Type C块石以防止越浪引起堤顶淘刷，见图7a)。

5.4.2 实施阶段
全断面施工包括起步阶段的胸墙浇筑。

防护方式为：将堤头的Type E块石从已施工的全断面向前放坡至-8.0 m，在斜坡上抛填约1.90 m厚的Type D块石后摆放
1层40t的混凝土预制块至胸墙边缘，并在胸墙海侧Type C块石上也摆放1层
40 t的混凝土预制块减少越浪量，见图7b)。

图7 堤头越冬防护照片
6 结语
1)深水防波堤施工通常具有工程量大、工程周期长的特点，应根据自然条件细化并合理安排施工组织及施工工序，并结合预报对其进度情况进行动态管理。

2)针对强浪的自然条件，通过物理模型试验，确定各类块石施工期的极限温度波况，对施工工序的安排与越冬防护设计具有指导意义。

参考文献：
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