浅析防波堤结构的优化设计

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【摘要】防波堤作为重要的港域掩护建筑物，能够有效的防御外海波浪对所掩护海域的侵袭。因此防波堤在港口工程中具有非常重要的地位。但由于防波堤结构形式具有多样化的特点，而且长期处于恶劣的环境下，造价较高，因此需要寻求合理、可靠的防波堤结构型式，在确保防波堤具有良好使用功能的基础上，有效的降低防波堤工程的造价。

【关键词】防波堤；结构；优化设计

防波堤具有较多的种类，能够有效防范海浪对海域所带来的侵袭，有效维持港内水域的平稳性，确保船舶停靠的平稳性，保证正常的装卸及旅客上下需要。同时防波堤能有效减少港内淤积的发生，避免大量流冰进入港内，部分防波堤还能够兼作码头使用。近年来，港口工程建设技术取得了较快发展，随着新技术、新结构及新工艺应用于防波堤工程，需对防波堤结构进行优化设计，确保更好的保护港口作业的安全性。

一、工程概况

文中以某一港口防波堤具体建设工程为例，对防波堤结构设计进行具体的阐述。该拟建的防波堤总长为420米，主要是对东向及东北向的波浪进行阻挡。

防波堤设计水位及设计波浪需要根据相关的规范要求进行计算。同时拟建防波堤以细砂混淤泥、砂混粘性土、粉质粘土、风化石英岩为主。

二、防波堤初始设计

由于防波堤工程具有较强的复杂性和专业性特点，在该项工程中，根据水深、潮差、波浪及地质、施工条件等因素选择斜坡式结构，并对外坡坡度、护面及块体下块石垫层重量等都进行了确定。在防波堤顶设置防浪墙，根据工程的具体情况来对墙高、底宽及顶宽进行设计。同时以块石作为防波堤内、外坡脚外侧的护底，对滩面标高进行设计。按照重力相似原理来设计模型试验方法和物理模型。采用规则波和不规则波进行水力模型试验。在对初始设计试验过程中，其所得到的试验结果具体可归纳为以下几点：

（一）五十年一遇极端高水位、设计高水位和差值水位（即中水位。0.39m）与相应水位的五十年一遇波浪组合时，防浪墙、护面扭王字块体和护底块石均稳定。极端高水位下的五十年一遇规则波（H1%）波高作用下，防浪墙顶越浪水舌厚度达到1.08m，不规则波作用下的越浪量为0.121m3/sm。设计高水位下的五十年一遇规则波（H1%）波高作用下，防浪墙顶越浪水舌厚度达到0.68m，不规则波作用下的越浪量为0.042m3/sm。

（二）设计低水位和极端低水位与相应水位下的50年一遇波浪组合时，护面扭王字块体稳定。在规则波（H13%）作用下，护底块石少数晃动，个别块石发生滚动。在不规则波作用下，护底块石有少数（1～3块）滚动位移，经波浪累计作用，2.5h（原型时间）后，少数块石被波浪水流带到坡脚的扭王字块体上，但护底块石表面变形不明显，属于基本稳定。

（三）五十年一遇极端高水位（2.96m）与相应水位的五十年一遇波浪组合时。在规则波（H5%）和不规则波越顶波浪水流冲击下，内坡平台抛填块石发生滚动、插砌条石跳动，经波浪累计作用2.5h（原型时间）后，平台抛填块石被冲走、滚落到下部坡面上，预制砼镇脚块外移0.20m（原型），平台以上护面条石松动，有多块插砌条石被抽出。内坡平台及以上护面条石不稳定。

三、防波堤结构优化设计

根据以上试验结果可以看出，各个设计水位下外坡护面扭王块和堤顶防浪墙均具有较好的稳定性，但对于设计低水位及极端低水位下外坡的护底块石存在着个别发生滚动的情况，同时同是极端高水位下内坡的平台抛填块石和插砌条石也存在着不稳定的问题，因此需要根据不同的部位来对具体的设计方案进行调整。

（一）护底块石。对于护底块石的稳定重量需要根据规范公式以堤前最大波浪底流速来进行确定。针对于试验中外坡护底块石在设计低水位下存在个别滚动的情况，需要对护底块石稳定性与坡脚扭王字块体的稳定性进行充分考虑，为了避免其可能会对整体防波堤护面稳定性带来的影响，则需要增加外坡护底块石的重量，确保护底块石在各水位下具有较好的稳定性。

（二）内侧坡护面。由于内坡不会受到外海波浪的直接影响，因此在缺乏越顶波浪水流具体数值的情况下根据以往经验采用厚度80厘米的插砌条石家护面形式。但在试验过程中，在五十年一遇极端高水位与相应水位的五十年一遇波浪组合时，内侧上坡的插砌条石在越顶波浪水流冲击下会出现松动情况，存在多块条石被抽出的现象。在对设计进行优化时，需要加大条石的长度，但这样必然会导致工程造价增加，而且该工程量较大，利用人工插砌条石存在着费工费时的问题，因此可以采用砼框架与掺石砼护面的形式，并预留好排水孔，确保内侧坡护面具有较好的稳定性。

（三）防浪墙。在初始设计时，防浪墙顶高程是按照基本不越浪标准来确定的，而且防浪墙的抗倾抗滑性能也能够有效的满足规范上关于稳定性的要求。在试验中各个设计水位下堤顶防浪墙都具有较好的稳定性。但防浪墙顶的高程直接关系到堤顶越浪量的大小，会对内坡的工作环境带来直接的影响，因此需要对内坡肩台附近进行有效调整。通过对防浪墙顶标高和底标高进行调整，将挑浪嘴增设在墙顶部外侧，从而有效的减少越浪量，对内坡平台的工作环境进行有效的改善。

（四）内侧肩台。在试验过程中内坡平台抛填块石存在着滚动及被冲走的现象，同时预制砼镇脚块存在着外移的问题。针对施工技术及经济性方面考虑，在调整时可以采用抬高防浪墙的顶高程的办法，这样即使在极端高水位下，预制砼镇脚块也能够保持稳定状态，平台抛镇块石也能够保持基本稳定。对于局部不稳定情况，可以增加预制砼镇脚宽度，将平台抛填块石改为平台理砌块石，有效的提高坡护面的稳定性，从而确保防浪墙及防波堤整体稳定性。

四、结束语

防波堤工程作为港口工程中非常重要的组成部分，属于港口重要的水工建筑物，其具有较多的类型，而且在科学技术水平不断提高的新形势下，一些新型的防波堤也不断的涌现出来，在港口工程施工过程中有了更多的选择。但在具体防波堤设计时，需要遵循技术先进、经济合理、结构安全及适用且耐久等原则，有效的保证港内水域的泊稳条件，满足船舶停泊及码头装卸作业等需求，确保港口的安全性和稳定性。

参考文献

[1]信书，徐伟，赵海涛，郝春玲.朱家尖月岙渔港透空式防波堤设计[J].水运工程，2012-01-25.

[2]王美茹.深水防波堤设计方法初探[J].港工技术，2010-06-15.