拦污网锚定基础结构型式优化研究

熊京川，孙运佳

（1.中广核工程设计有限公司，广东深圳 518100；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；4.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

引言

港口工程中防波堤主要承担防浪、防冰以及减淤等功能，在滨海电厂工程中，通常需修建防波堤以保障冷源取用水安全。近年来随着海洋污染物堵塞取水口等事件频发，多数滨海电厂均在冷源取水明渠设置若干道拦污网，通常需要在原有防波堤上增设锚定基础来对拦污网进行锚定。由于目前部分工程在防波堤初始设计及施工阶段，并未考虑拦污网锚定基础，在后期开展拦污网相关课题研究中，发现在堤头增加锚定基础后影响波浪在堤头附近传播，极端工况下会导致堤头防波堤块体的失稳，从而影响电厂的冷源取用水安全及相关结构安全。

由于防波堤堤头处拦污网受力较大，为保证拦污网截污能力，重力式锚定基础体积通常较大，且高于防波堤堤顶高程，波浪传播至堤头后受锚定基础影响，改变了波能传播方向，并持续作用于堤头某一特定区域，在极端波况下导致堤头块体的失稳。张华昌[1]等开展斜向波对防波堤堤头作用试验，研究不同波向形成的冲击波流对块体的稳定影响；张兵[2]等对宽肩台斜坡堤堤头护面和护底的稳定性开展研究。目前针对有附属建构筑物情况下堤头块体稳定相关研究尚少，因此开展拦污网锚定基础对防波堤堤头块体的稳定性研究具有重要意义。

1 波浪局部整体物理模型试验

目前对于防波堤块体的设计有相关规范规定[5]，而对于增加拦污网锚定基础等附属结构后的块体设计则无规范可循，通过波浪物理模型试验进行研究为一种可靠的方法。本文以某工程为例，通过开展局部整体波浪物理模型试验，研究增加锚定基础后防波堤堤头块体稳定性。示例工程防波堤为斜坡堤，堤顶标高5.0 m，堤身为4 t 扭王字块，堤身内外侧边坡坡度均为1:2，堤头防波堤走向为SE～NW，工程海域强浪向及常浪向均为SE 向，平面布置见图1，堤头断面结构形式见图2。锚定基础设计工况为100 年一遇高水位（3.18 m）+SE 向100 年一遇波浪（H13%=3.0 m，=11.0 s），校核工况为DBF水位（6.37 m）+可能最大台风浪（H13%=4.0 m，=10.7 s）。模型试验比尺1:60。

图1 工程A 平面布置图

图2 工程A 堤头防波堤断面图（含拦污网锚定基础）

2.1 无锚定基础防波堤堤头块体稳定试验

为说明拦污网锚定基础对防波堤块体的影响，首先对原堤进行试验。在设计工况下，水位相对较低，大部分波浪行进至堤头时并未破碎，部分大波在堤顶破碎后产生的冲击能很快消散于堤顶块体，由于大部分波能沿堤顶向堤身及堤后传播，对堤头块体的冲击较小，因此块体稳定，现象见图3（a）；在校核工况下，由于水深较深，大部分波浪经堤头后发生破碎，波能大部分越堤后，向堤外传播，部分破碎后的冲击流对块体虽有较大冲击，但由于块体间相互勾连而未发生失稳，见图3（b）

图3 原堤防波堤块体稳定性试验

2.2 有锚定基础防波堤堤头块体稳定性试验

工程初始设计拦污网锚定基础为重力式方块墩台，结构尺寸为3.5 m×4.55 m×15 m，顶标高7.3 m，其迎浪侧为直立面，结构形式见图4。在设计工况下，水位相对较低，当波浪传播至堤头位置时，受锚定基础的阻挡影响，波浪不断冲击锚定基础直立面，波浪破碎后的高速运动水体冲高回落至其前侧，由于锚定基础与块体之间无块体之间的连锁嵌固作用，因此在水体不断的冲击作用下，锚定基础迎浪侧块体失稳，破坏形式见图5（a）。

图4 锚定基础结构

在校核工况下，水位相对较高，防波堤成为潜堤，锚定基础略高于水位。当波浪传播至堤头时，由于越浪量较大，越堤水体受到锚定基础阻挡而雍高，导致大量水体向锚定基础后侧倾泻，对其后侧堤顶块体产生较大冲击，紧邻锚定基础侧块体首先失稳，随后相邻块体相继失稳，破坏形式见图5（b）。

图5 锚定基础对块体稳定影响

2.3 块体失稳类型、原因分析及解决方案

常规的防波堤块体失稳类型主要包括护面块体失稳、护底块石失稳或堤身整体失稳，其中前两个块体失稳的原因主要为波浪直接作用，而堤身失稳的影响因素较为复杂，受地基、堤身材料及水动力等综合影响。而对于增加锚定基础或堤头灯基础等附属结构的防波堤，波浪直接作用为块体失稳主要原因。

根据前述试验研究成果，受锚定基础影响导致块体失稳类型主要有两种：

1）水位较低时，受锚定基础反射影响导致其迎浪侧块体失稳；

2）水位较高时，受锚定基础阻挡作用导致越浪水体雍高后冲击其背侧块体而失稳。两种破坏形式见图7。

导致两种块体失稳型式的主要原因是由于锚定基础的存在影响波浪传播，局部改变了堤头附近波浪运动的形态，使得波能持续不断作用于特定区域块体，加之锚定基础与相邻块体之间的嵌固作用较弱，导致临近块体率先失稳，进而引起周边块体相继失稳。

针对锚定基础失稳型式，为保证块体的稳定，可通过增大块体重量；减缓外坡坡度；减少堤前反射；增大结构透水率等4 种措施。其中前两种措施是增大块体本身的抗冲击能力，但对于已完成设计或已建的防波堤并不适用，后两种措施是通过优化结构形式，减少锚定基础对波浪传播的影响，适用于设计完成或对已建防波堤改造等。

图6 受锚定基础影响防波堤块体失稳类型

2 优化结构外形—减少堤前反射

为降低锚定基础迎浪侧对波浪的反射，可通过将其直立面改为圆弧形，将波能导向堤头两侧，减少其前侧波能聚集。以工程A 为例，在原锚定基础迎浪侧增加半圆弧段。根据试验结果显示，在设计工况下，堤前反射大幅降低，波浪破碎后的水体沿锚定基础弧形头部向两侧运动，且无明显溅浪，堤头块体保持稳定，见图7（a）。

在校核工况下，由于水位较高，锚定基础增加弧形头部后虽然对堤前的反射减小，但并不能较少由其顶部通过的越浪水体，因此在巨大的越浪水体冲击下，其后侧块体仍失稳，见图7（b）。

图7 锚定基础优化结构外形试验

3 桩基透空式基础—增大结构透水率

在水位较高工况下，防波堤呈潜堤状态，锚定基础顶部高程较高，此时重力式锚定基础对波浪的阻碍作用导致一部分水体雍高后下泄冲击块体，与从基础两侧绕过的水体交汇，造成水体剧烈的运动，导致基础后方的块体失稳。因此仅通过改变基础迎浪侧结构外形的方式并不能解决锚定基础后方的块体稳定问题。为此提出采用透空式结构以减少锚定基础对波浪的阻碍作用，尽量让波能透过堤顶，减少对堤顶块体的冲击。

以工程A 为例，将堤头改为桩基透空式结构，由于在已建防波堤顶打设桩基较为困难，采用底部为重力式结构基础，防波堤顶之上至锚定基础顶部设置0.5～1.0 m 的桩基，结构形式见图8。

图8 锚定基础为桩基透空式防波堤断面

试验结果显示，在设计工况下，由于桩基之间有一定的空间，越堤水体大部分可从桩基之间通过，极大减小对波浪反射作用，锚定基础顶部只有较少溅浪，因此堤头块体能保持稳定；而在校核工况下，由于越浪量较大，大部分水体由堤顶通过，部分水体仍可从锚定基础顶部越过后下泄至基础后方，一方面该部分水量减小，另一方面从桩基间通过的快速运动水体相当于“水垫”的作用，导致从顶部落下的水体作用于块体能量减小，从而不影响堤顶块体的稳定，试验现象见图9。

图9 桩基透空式锚定基础优化试验

4 结语

重力式基础由于施工相对简单，成本较低，常作为拦污网锚定基础型式，但由于其体积较大，对波浪传播影响较大，且其边壁与相邻防波堤块体不能很好的连锁，因此在极端工况下，增加拦污网锚定基础对原防波堤块体的稳定带来不利影响。试验研究表明，锚定基础迎浪侧采用弧形壁面可显著减少对波浪的反射，减少对堤头块体的影响，但并不适用于越浪水体较大工程区域；而透空式桩基锚定基础可显著较少对波浪传播的影响，从而降低对原堤块体稳定性的影响。

另外由于拦污网锚定基础受力较为复杂，且无标准规范可依，因此应综合设计标准、试验研究、施工难度及投资造价等多方面因素合理采用锚定基础型式。