阻塞工程斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

越浪海堤的斷面設(shè)計(jì)除了解決越浪量和堤頂高程的問題，還包括堤身、堤坡護(hù)面結(jié)構(gòu)、堤頂結(jié)構(gòu)及堤基處理等方面的問題。

阻塞工程堤身設(shè)計(jì)

充砂袋適用于地基承載力較低的中、高灘部位，具有滲透性好，易于排水固結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種圍埝和護(hù)岸結(jié)構(gòu)中，近年在天津地區(qū)得到普遍應(yīng)用。為適應(yīng)軟基上筑堤的特點(diǎn)，本工程堤身采用水力充填砂袋填筑。設(shè)計(jì)每層砂袋高0.5m，層間布置袋裝碎石平整坡面。為保護(hù)沖砂管袋以及減少袋內(nèi)充填物跑漏，在現(xiàn)狀半圓體結(jié)構(gòu)背海側(cè)設(shè)置拋石棱體，棱體后設(shè)置混合倒濾層，并在充填管袋與其接觸結(jié)構(gòu)適當(dāng)加大墊層保護(hù)措施。[1]

阻塞工程臨海側(cè)設(shè)計(jì)

臨海側(cè)直接經(jīng)受波浪作用，護(hù)面結(jié)構(gòu)主要從穩(wěn)定性、抗沖刷能力、消浪效果等角度綜合考慮。該部分結(jié)構(gòu)上部應(yīng)能夠承受波浪的打擊、上吸；下部應(yīng)能承受波浪的反復(fù)掏刷。因此要求護(hù)面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高，穩(wěn)定性要滿足要求，護(hù)面底要做好反濾。同時(shí)護(hù)腳要有足夠的支承力，要能防止底腳被淘刷，或發(fā)生淘刷時(shí)，仍有足夠的能力支承護(hù)面結(jié)構(gòu)。

目前海堤常用的護(hù)面塊體有柵欄板、四腳空心方塊、四腳錐體、扭王字塊、扭工字塊等。柵欄板和四腳空心方塊常用于常潮位以上的護(hù)面，但四腳空心方塊不宜用于設(shè)計(jì)波高大于4m時(shí)，本工程所在位置堤前水深大，波浪較強(qiáng)，設(shè)計(jì)波高超過4m，故而消浪平臺及其上部斜坡段采用柵欄板護(hù)面，下設(shè)干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層。消浪平臺與半圓體結(jié)構(gòu)水平銜接，為滿足半圓體穩(wěn)定和防沖要求，臨海側(cè)半圓體前增設(shè)拋石棱體護(hù)腳。[1]

阻塞工程背海側(cè)設(shè)計(jì)

越過防浪墻的波浪將直接與堤頂或后坡碰撞，流速衰減迅速，故背海側(cè)堤坡的防護(hù)原則上以能承受垂直于坡面的沖擊力為主，無波浪的回流水流的拖拽力，因此護(hù)面設(shè)置主要考慮透水、消能并保證良好的反濾墊層。背海側(cè)堤肩采用混凝土結(jié)構(gòu)以防越浪沖擊?？紤]岸坡穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)施工要求，本工程背海側(cè)堤坡設(shè)計(jì)采用兩級平臺，上級平臺高程與臨海側(cè)消浪平臺齊平，其上部護(hù)坡采用柵欄板，下設(shè)干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層；上下兩級平臺之間的護(hù)坡以及上級平臺采用灌砌石護(hù)面，下級平臺采用干砌塊石護(hù)面；護(hù)坡下堤腳處設(shè)拋石棱體護(hù)腳。

目前，海堤的設(shè)計(jì)主要分為不允許越浪和允許部分越浪兩大類。天津沿海地區(qū)軟基分布較廣泛，在軟基上新建海堤排水固結(jié)周期長，沉降量大，故海堤的填筑速度和建設(shè)高度受到限制。按不允許越浪設(shè)計(jì)，對堤頂高程和斷面尺寸的要求較高，可能造成軟土地基的承載力不足，不僅會極大的增加軟土地基的處理費(fèi)用，加大工程投資，還會增加施工難度，延長建設(shè)周期，很不經(jīng)濟(jì)合理。按允許部分越浪設(shè)計(jì)在控制越浪浪滿足要求的前提下，可以有效降低堤身高度，優(yōu)勢比較明顯。

海堤位于軟土地基上，堤頂高程過高會增加潰堤的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]本次設(shè)計(jì)堤頂及堤坡均有防護(hù)，同時(shí)背海側(cè)結(jié)合整體規(guī)劃要求可以修建景觀河道以容納越浪水量，因此本次海堤工程按照允許部分越浪進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定及公式，按照帶平臺的復(fù)合式斜坡堤，采取按允許部分越浪的波浪要素進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)堤頂高程取值8.50m。

規(guī)范中海堤允許越浪量的計(jì)算方法是建立在簡單單坡和陡墻模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算方法和計(jì)算公式比較單一且精度有限，難于適應(yīng)復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)型式海堤的越浪量計(jì)算。海堤結(jié)構(gòu)斷面和波浪作用條件較復(fù)雜，波浪爬高和越浪量計(jì)算與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件不完全一致，為了驗(yàn)證海堤越浪量、確定堤頂高程和對海堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本次設(shè)計(jì)海堤斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。參照試驗(yàn)結(jié)論，從安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，最終確定本次海堤設(shè)計(jì)堤頂高程為9.0m。

根據(jù)斷面外形特點(diǎn)，海堤結(jié)構(gòu)型式大體上分為三種基本形式，即斜坡式、陡墻式和混合式?；旌鲜胶５绦褪綌嗝娼M合得當(dāng)，可兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，適用于地質(zhì)條件較差、水深大、受風(fēng)浪影響較大的堤段。

地質(zhì)為軟土特性、風(fēng)浪及水深較大，兼顧考慮已建半圓體防波堤情況，采用混合式斷面形式是比較合適的。設(shè)計(jì)采用帶平臺的復(fù)式斷面，消浪平臺的設(shè)置可減少波浪飛濺，平臺上的紊動(dòng)波流能消耗大部分波浪能量，有效地減少波浪爬高，同時(shí)也有利于提高堤身斷面的穩(wěn)定性。根據(jù)南港工業(yè)區(qū)東邊界現(xiàn)已建成的半圓體結(jié)構(gòu)防波堤位置，從消浪效果、工程投資及占地等角度考慮，東邊界永久達(dá)標(biāo)防潮海堤設(shè)計(jì)與半圓體防波堤整體結(jié)合布置，半圓體與設(shè)計(jì)消浪平臺相銜接。該方案堤頂高程較低，投資最小，地基處理難度低，占用可利用土地少，施工條件相對較好。

防止海水在潮汐的作用下入侵，影響人們的聲明財(cái)產(chǎn)安全。

考慮越浪的強(qiáng)度要求，堤頂護(hù)面的強(qiáng)度要求同臨海面。堤頂一般兼作防汛公路，故護(hù)面一般采用混凝土結(jié)構(gòu)。堤頂設(shè)置防浪墻，既可節(jié)省海堤堤身工程量，減輕堤基荷載，也可防止或減少波浪越頂。當(dāng)?shù)添斉R海側(cè)設(shè)有防浪墻、且防浪墻穩(wěn)定、堅(jiān)固時(shí)，堤頂高程可算至防浪墻頂面。常用的防浪墻材料有漿砌石、灌砌石和鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)。從強(qiáng)度要求和保護(hù)對象重要性角度考慮，本工程設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程取為上節(jié)確定的9.0m高程。

防浪墻迎海側(cè)設(shè)計(jì)采用反弧形，以減小波浪反射，使沖擊水流回轉(zhuǎn)，從而消減浪壓力，減少越堤水量。規(guī)定一級海堤不包括防浪墻的堤頂寬度應(yīng)大于5m。結(jié)合運(yùn)用管理情況，本次設(shè)計(jì)堤頂為現(xiàn)澆混凝土路面，寬6m（不含防浪墻寬度），路面高程低于墻頂1.2m。為利于排水，路頂面設(shè)計(jì)1%坡比傾向背海側(cè)。路面中心設(shè)置縮縫，采取誘導(dǎo)切割方式在路面中心切割一條假縫，當(dāng)面板收縮時(shí)，將沿此最薄弱斷面有規(guī)則地自行斷裂。

對海堤軟土地基的常用處理措施，淺埋的薄層軟土宜挖除；當(dāng)軟土厚度較大難以挖除或挖除不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用墊層法、加筋土工織物鋪墊法、放緩邊坡或反壓法、排水井法、拋石擠淤法、水泥土攪拌樁法等。本工程為海底軟土上新筑堤，淤泥厚度比較大，不適合挖除。而水泥攪拌樁和拋石擠淤的投資都比較大，且水泥攪拌樁的強(qiáng)度上升比較緩慢，均不宜采用。

塑料排水板結(jié)合砂墊層排水，堆載預(yù)壓的方法，是由豎向排水與水平排水相結(jié)合形成完整的排水系統(tǒng)對地基進(jìn)行固結(jié)加固。該方法工程造價(jià)低，排水效果明顯，地基強(qiáng)度增長明顯，是一種成熟、可靠的方法，在水上和陸上施工都非常方便，已在天津地區(qū)廣泛使用。采用塑料排水板地基礎(chǔ)處理后，主體部分的堤基沉降量可完成80%左右，可保證竣工后的安全運(yùn)用，減少維修。根據(jù)防潮海堤工程級別、堤高、地質(zhì)條件、施工條件、工程使用和滲流控制等要求，本次工程堤基處理設(shè)計(jì)采用插塑料排水板加砂墊層后堆載預(yù)壓的方法。

設(shè)計(jì)排水板正方形布置，橫縱排間距為1.0m?？紤]到半圓體防波堤的整體穩(wěn)定性，不宜在其背海側(cè)地基處采用挖泥換砂措施，故在原泥面上鋪設(shè)1m厚粗砂墊層，砂墊層不僅做為水平排水系統(tǒng)，同時(shí)能提高地基承載力。上部堤身分級填筑，對地基進(jìn)行堆載預(yù)壓處理。 2100433B

風(fēng)洞試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究的重要手段之一。在風(fēng)洞中模擬建筑的真實(shí)風(fēng)環(huán)境，以確定建筑的氣動(dòng)力特性和周圍的流場特性。建筑風(fēng)洞通常是閉口直流式或閉口回流式，以壁而為邊界，而實(shí)際建筑在大氣流場中并無邊界。用風(fēng)洞的有限空間來模擬實(shí)際大氣的無限空間必然伴隨著洞壁干擾，造成建筑氣動(dòng)力和流場方而的差別。此外，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究對象多為鈍體，當(dāng)氣流流經(jīng)建筑時(shí)會產(chǎn)生較為寬闊的側(cè)而繞流和尾流，從而阻塞效應(yīng)尤為顯著。風(fēng)洞壁面對氣流繞流的約束稱為“實(shí)體阻塞”，對尾流的約束稱為“尾流阻塞”，上述兩種洞壁干擾即為阻塞效應(yīng)。

至今涉及建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞效應(yīng)的研究較少。一些學(xué)者在相同風(fēng)洞中變化二維方柱模型縮尺比，分別提出二維方柱阻力系數(shù)的修正公式，但試驗(yàn)條件和公式形式各不相同，無法為三維模型的阻塞修正提供指導(dǎo)。也有少數(shù)學(xué)者對三維模型阻塞效應(yīng)研究。Hunt對湍流邊界層流場中的立方體模型進(jìn)行測壓試驗(yàn)表明，8%的阻塞度對平均風(fēng)壓的影響不足2%，對脈動(dòng)風(fēng)壓的影響不足10%。作者指出對于低矮建筑最大容許的阻塞度為10%。徐永定和呂錄勛對切角三角形高層建筑分別進(jìn)行測力和測壓試驗(yàn)，研究了不同來流風(fēng)向角和湍流度下的阻塞效應(yīng)。謝壯寧等對三種縮尺比的低矮房屋標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了測壓對比試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)阻塞度為4.9%時(shí)，阻塞效應(yīng)不能忽視。Wang等仁基于某高層建筑實(shí)際工程項(xiàng)目，對兩種縮尺比的剛性測壓模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，比較了建筑表而平均和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。

在風(fēng)洞試驗(yàn)研究中，一般來說，為了得到準(zhǔn)確的氣動(dòng)力測量結(jié)果，模型的風(fēng)洞阻塞度不應(yīng)超過5%。另一方面，為了盡量達(dá)到與真實(shí)外形的物理相似特別是雷諾數(shù)接近，氣動(dòng)噪聲測量模型的尺寸需要盡可能大，這就與阻塞度的要求發(fā)生了矛盾。為了盡量得到與真實(shí)外形雷諾數(shù)接近的試驗(yàn)結(jié)果，人們采用了各種措施減弱風(fēng)洞阻塞等洞壁干擾效應(yīng)，如開口試驗(yàn)段、開槽壁或流線型壁等。但是對洞壁的改進(jìn)并不能完全消除上述干擾，必須對殘存的洞壁效應(yīng)進(jìn)行修正。常用的修正方法有映象法、壁壓信息法和計(jì)算法等。其中，映象法最為簡單易用，但阻塞度較大時(shí)修正準(zhǔn)度難以保證；壁壓信息法適應(yīng)性強(qiáng)，對氣動(dòng)力修正精度高，但存在非定常流動(dòng)時(shí)會受到測量點(diǎn)位置選取和壁壓測量結(jié)果不確定性的影響。

計(jì)算法最初在20世紀(jì)80年代提出，但一直受到計(jì)算量過大、計(jì)算結(jié)果不確定性大等限制。近十幾年來計(jì)算技術(shù)的長足發(fā)展，使計(jì)算修正法重新被人們重視。高永衛(wèi)等利用有限元方法，成功對二維翼型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正。Sorensen等采用計(jì)算法對開口風(fēng)洞條件下的動(dòng)量修正法進(jìn)行了校準(zhǔn)。由于可以得到流場細(xì)節(jié)信息，計(jì)算法在機(jī)理研究方而有著獨(dú)到的優(yōu)勢，可以用來揭示不同阻塞度下洞壁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，并用于建立更準(zhǔn)確的修正模型。