防波堤的新结构型式

防波堤的新结构型式

徐　光1,谢善文2,李元音2

(1.交通部水运司,北京　100736;2.中交第一航务工程勘察设计院,天津　300222)

收稿日期:2001-06-27

作者简介:徐　光(1956-),男,吉林农安人,副司长,从事水运工程管理。

摘　要:根据赴日本进行技术交流的体会,对日本防波堤新结构的发展,大体归纳为3个主要发展方向。详细介绍釜石港大水深梯形沉箱防波堤、柴山港双层圆筒防波堤、宫崎港半圆型防波堤和熊本港的“倒π型着底式”防波堤。

关键词:防波堤;新结构型式

中图分类号:U656.2 文献标识码:C 文章编号:1002-4972(2001)11-0020-06

N e w Structure Types of B reakw aters

X U G uang 1,XIE Shan -wen 2,LI Y uan -yin 2

(1.Water T ransport Bureau of Ministry of C ommunications ,Beijing 100736,China ;2.China C ommunications First Design Institute of Navigation Engineering ,T ianjin 300222,China

)Abstract :Three main aspects for the development of new types of breakwaters in Japan have been concluded

according to the knowledge gained from the technical exchange.The deepwater trapezoidal caiss on breakwater at K amaishi ,the dual cylinder caiss on breakwater at Shibayama ,the semi -circular breakwater at Miyazaki and the “in 2verse лtype ”breakwater at K umam oto are introduced in detail.

K ey w ords :breakwater ;new structure type

为了进一步提高我国水运工程防波堤和导堤设计与施工的技术水平,由交通部水运司组团,于2001年4月赴日本进行技术交流。在日本期间,于港湾空港技术研究所(原运输省港湾技术研究所)参加了中日防波堤技术交流会,中日双方分别介绍了近年来本国防波堤和导堤工程发展的概况,交流了在研究、设计和施工方面的有关成果和经验。在现场考察方面,重点考察了釜石、柴山、宫崎、熊本、长崎和博多港的防波堤工程。根据交流和考察的内容和体会,本文将主要探讨直立式和混合式防波堤新结构型式的发展方向,并重点介绍考察港口中较新型和有特色的防波堤工程。

1　日本防波堤新结构的开发

日本是太平洋中的1个岛国,岛周围分布着众多的

港口,这些港口大多数都需建造防波堤来掩护港域和码头,免遭海浪的侵袭。因此日本对开发防波堤新的结构型式历来十分重视,毫无疑问,日本已是世界上防波堤型式最多的国家。

由于多数港口水深浪大,因此钢筋混凝土浮式沉箱是日本最常用的结构型式,而日本的新结构防波堤,也主要是在沉箱结构基础上的改进。开发新结构防波堤的主要目的:减少堤前的反射波;增加堤体的抗浪稳定性;降低堤后的传递波;促进海水交换;兼顾其他用途(如波力发电等)。

对日本防波堤的新结构型式,我们认为大体可归纳为3个主要发展方向:①开孔消浪沉箱结构;②斜面(非

直立面)防波堤;③水平式混合堤。

对①类的开孔消浪沉箱结构,由开孔消浪矩形沉箱

演变为迎波侧上部为圆弧形凸曲面的开孔消浪沉箱,再演变为双层圆筒开孔消浪沉箱,以适应在较宽的作用波浪周期范围内起到消浪和减少堤前反射波的作用。

对②类的斜面(非直立面)防波堤由防波堤的上部结构采用削角斜面的型式(削角斜面直立堤),演变为堤的迎波侧上部为凹曲面型式,再演变为迎波侧全部为斜面的梯形沉箱,再演变为半圆形防波堤(图1)。对堤上部为凹曲面的型式,日本和歌山港曾于1985年采用3层凹曲面以形成2道波浪通道的结构,目的是充分利用波浪力的垂直向下分力,增加堤体的抗浪稳定性。但由于这种沉箱结构过于复杂,施工困难,且造价较高,据说仅作了1个,已不再发展

。

图1　非直立面防波堤外形的演变

对③类的在直立墙前有消浪块体棱体掩护的水平式混合堤,其新发展的型式,

可以日本下田港建造的防波堤为例。由于设计波高达16m ,单独的直立堤难以抵御巨大的波浪力,而若采用常规的水平式混合堤,又因当地水深达40m ,将消耗大量的块石和人工块体,造价太高。为此发展了一种新概念的水平式混合堤:将四脚锥体放置在沉箱上部间隔的前格舱与连续的后格舱之间(图2)。实际上这种型式不但具有水平式混合堤中人工块体对直立墙的掩护作用,而且前、后格舱之间形成消能室,因此也同时具有开孔沉箱结构的消浪作用。这种型式也可视为③类与①类相结合的发展型式。

图2　双格舱沉箱和消浪块体混合堤

上述任2种类型相结合的发展型式,还有如①类与

②类结合的斜面开孔消浪沉箱结构;②类与③类结合的削角直立堤前抛有消浪块体棱体的型式;等等。

软基上的防波堤新结构有横断面为“倒T 型”或“倒π型”的无抛石基床的“着底式”防波堤,利用粘性土表层的粘结力抵抗水平波浪力,也可在底板下打设短桩来增加水平抗力。

在波浪较小时开发有双排圆柱结构,在前后2排间隔设置的钢管间安装横板和竖板以挡浪。

据港湾空港技术研究所介绍,今后日本在防波堤新结构开发中,将重点考虑以下几个方面的因素:

(1)新结构应便于施工;(2)尽可能利用新材料;

(3)考虑环境保护因素,包括海水交换型防波堤和亲

水性防波堤等。亲水性防波堤是指结合海滨休闲用的防波堤。

2　釜石港大水深梯形沉箱混合堤

釜石港位于日本本州东海岸岩手县的釜石湾。由于釜石湾的地理位置和地形条件,使其易受地震海啸(津波)的侵袭。由地震引起的津波是一种长周期的孤立波。据记载,釜石湾在历史上曾于1896年、1933年和1960年发生过3次大的海啸,1896年的津波波高达7.9m ,造成了

3765人死亡,财产损失严重。为此日本于1977年决定在

釜石湾口建造深水防波堤,主要用来防止海啸的侵害。湾口防波堤总长度为1960m ,其中北堤长990m ,口门段长

300m ,南堤长670m 。堤址的水深大部分在25m 以上,最大

水深达63m 。

对津波的设计标准是使海面上高度为8m 的津波(即孤立波波高为8m )于港内降为4m 。对此防护效果,由港湾空港技术研究所采用数学模型和物理模型作过论证,由于口门段的水深近60m ,因此需建造顶高为-19.0m 的潜堤。湾口防波堤对风浪也起到防护作用,对风浪的设计标准,深水段和浅水段采用的重现期分别为150a 和

50a 。推算至北堤深水段和浅水段的设计最大波高H max 分

别为13.3m 和10.8m ,波周期为13s 。

防波堤堤址的地基条件良好,除口门段为中砂外,大部分堤身下为砾砂、砾石及岩石。天然情况下,湾口潮流

的流速仅有0.08m/s 。但模拟1896年和1933年2次海啸时周期为16min 和10min 的津波,在湾口防波堤口门处的最大流速可达7.9m/s 和8.2m/s 。