2023年12月9日发(作者：)
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建筑规划与设计Doors&Windows浅谈深水防波堤结构的优化设计李东江山东港通工程管理咨询有限公司摘要：随着世界经济的不断发展，海上贸易船舶日益大型化，为满足船舶吃水及装卸作业要求，港口设施也必然向深水发展。深水防波堤具有施工难度大、波浪力大和造价高等特点，如果能够通过合理优化深水防波堤的相关设计，必然会在保证质量和安全的基础上节约很大成本。关键词：深水防波堤；优化；节约成本1引言防波堤是指防御波浪入侵，形成一个掩蔽水域所需要的水工建筑物。位于港口水域的外围，兼具防砂和冰凌的入侵，赖以保证港内具有足够的水深和平稳的海面以满足船舶在港内停泊、进行装卸作业和出入航行的要求。根据多年研究和统计，我国建造的大多数防波堤水深多在15m以内，但是随着船舶不断大型化，防波堤也越来越多的在深水中建设。例如日本的清水港防波堤水深为28m；柴山港防波堤水深35m；大船渡港防波堤水深38m；下田港防波堤水深42m；葡萄牙锡尼斯港防波堤水深50m；我国海南某港、上海洋山港导流堤和岱山连岛堤等水深都超过30m，其中岱山连岛堤水深达到50m。目前，我国就深水防波堤还没有明确的定义，但是根据业内不成文的规定，一般将水深超过20m的防波堤称为深水防波堤。防波堤的传统结构型式一般分为斜坡式、直立式和混合式。由于深水环境海况恶劣，波浪力大，如果采用直立式结构，则必然需要加大沉箱的规格和断面来增强自身的稳定性，而深水海域施工环境恶劣，水上沉箱安装和箱内填石施工难度极大，作业安排稍不合理就可能造成沉箱倾覆的危险。因此，现有深水防波堤多采用斜坡式抛石结构，外侧采用大吨位护面块体进行防护。而由于深水防波堤断面大，所以外侧护面块体工程量较大，如果能够对护面块体进行合理优化设计，会在保证防波堤质量的前提下达到有效节约成本的效果。非冻融块体的水平分界面的确定。根据规范规定，海水环境混凝土部位划分为大气区、浪溅区、水位变动区和水下区四个区域。大气区和浪溅区常年处于水上，因此，该区域会受到四季变化的影响，自然也会出现冻融现象。水位变动区是指浪溅区下界至设计低水位减1.0m之间，该区域会随着涨潮落潮不断暴露在空气之中，尤其在冬季海上结冰的情况下更容易造成块体发生冻融，是水运工程最容易出现质量问题的区域。水下区是指水位变动区下界至泥面，该区域常年处于水面以下，属于不冻区域。由上述定义可以得出，处于水下区部分的护面块体不会出现冻融现象。因此，水下区的上界面即为冻融与非冻融块体的分界面。2.3取消抗冻融设计的优缺点分析2护面块体设计优化2.1常规护面块体设计在我国斜坡防波堤建设中，常用的护面块体主要有栅栏板、四角空心块、扭工字块和扭王字块等。其中，由于扭王字块具有空隙率高、箝固性好、稳定性高、波浪爬高低、消波性能好、块体结构稳固、不易损坏等优点，被越来越多的使用在深水防波堤的建设中。我国南方气候温暖，冬季气温也大多处于零度以上，不会出现冰冻现象，故不再此次研究中。以我国北方为例，夏季炎热、冬季寒冷，尤其近几年渤海湾海水受冻情况严重，水工混凝土结构经常会发生冻融破坏，表面容易出现酥松，层状脱落，强度降低，影响表观质量和使用。发生冻融破坏，主要是因为混凝土浇筑完成后内部存在孔隙，孔隙中有水，水受冻结冰后体积发生膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抵抗强度致使混凝土破坏。因此，为了保证护面块体的强度及完好性，在护面块体混凝土设计时通常会增加抗冻性的要求。以我公司监理的某深水防波堤为例，其护面块体的抗冻融设计达到了F350的标准。（1）优点：节约成本。深水防波堤外侧坡面一般采用1:1.5的坡度，如果以水深为-20m，设计低水位0m进行粗略估算，水下护面块体的工程量约为总量的75%。如果水深更深，则占比更大。经过本人的粗略统计，相同强度等级的混凝土，非冻融比冻融成本要降低15%~20%。而护面块体在深水防波堤建造中使用数量巨大，如果能够将冻融优化为非冻融，势必较大程度的降低工程造价。（2）缺点：操作较为复杂。首先，必须要准备好两套混凝土配合比。在块体预制前，施工技术人员需要精准的计算出非冻融块体数量和抗冻融块体数量，并制定一套块体标示体系，以保证在堆存和安装时能够清晰进行区分，储存场也要分开布置。然后还需根据安装施工的要求，制定块体详细预制计划，以保证在护面时能够全断面吊、安块体，对防波堤形成有效的防护。因此，在块体预制过程中，需要试验室人员和混凝土拌合站人员严密注意配合比的更换，避免出现浇筑错误。在块体运输和储存过程中，必须派专人指挥运输板车，避免出现堆存错误。在块体安装过程中，必须合理安排冻融块体和非冻融块体的安装数量和安装顺序，避免出现安装区域颠倒的情况。因此，在实际实施过程中，无形的增加了调度和协调作业的难度，也增加了设备和人员的投入，造成隐形成本的提高。3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，尤其随着世界贸易船舶的大型化，港口设施逐渐往深水发展，防波堤的建造也必然随之向深水方向发展。目前深水防波堤的造价动辄十几亿甚至几十亿，如果能够更好的实现防波堤设计优化，势必能够在保证质量和安全的前提下大大降低成本，利国利民。2.2护面块体设计优化思路从混凝土抗冻等级的定义可以看出，抗冻性的设计是为了防止混凝土因为冻融而造成的抗压强度下降，前提是混凝土孔隙里的水发生结冰时才会产生。那么，在深水防波堤的建设中，有很大一部分的断面始终处于水下且不会出现结冰现象，该断面处的护面块体也就不会发生冻融，因此，取消该断面处护面块体的冻融设计应该是可行的。如果确定了取消冻融设计是可行的，那么接下来需要解决的问题就是冻融与参考文献：[1]严金龙.波浪整体物理模型试验在港口工程建设中的应用[J].珠江水运,2017(19):87~88.[2]JTS202—2011.水运工程混凝土施工规范[S].[3]张恩铭.浅析防波堤结构的优化设计[J].低碳地产,2016.[4]严金龙.围填海工程施工期淤泥处理及综合利用[J].中国水运(下半月),2017(10):248~250.2018.04139
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