阻塞工程堤身結(jié)構(gòu)形式選擇

根據(jù)斷面外形特點，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，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，平臺上的紊動波流能消耗大部分波浪能量，有效地減少波浪爬高，同時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)計與半圓體防波堤整體結(jié)合布置，半圓體與設(shè)計消浪平臺相銜接。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，影響人們的聲明財產(chǎn)安全。

目前，海堤的設(shè)計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，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?？紤]本次設(shè)計堤頂及堤坡均有防護(hù)，同時背海側(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。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)行計算，設(shè)計堤頂高程取值8.50m。

規(guī)范中海堤允許越浪量的計算方法是建立在簡單單坡和陡墻模型試驗的基礎(chǔ)上，計算方法和計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算與現(xiàn)有經(jīng)驗公式的適用條件不完全一致，為了驗證海堤越浪量、確定堤頂高程和對海堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本次設(shè)計海堤斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了物理模型試驗。參照試驗結(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)計堤頂高程為9.0m。

越浪海堤的斷面設(shè)計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

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，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，本工程堤身采用水力充填砂袋填筑。設(shè)計每層砂袋高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

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，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)計波高大于4m時，本工程所在位置堤前水深大，波浪較強(qiáng)，設(shè)計波高超過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

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。

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、堅固時，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)合運用管理情況，本次設(shè)計堤頂為現(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，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，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)計采用插塑料排水板加砂墊層后堆載預(yù)壓的方法。

設(shè)計排水板正方形布置，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風(fēng)環(huán)境，以確定建筑的氣動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際大氣的無限空間必然伴隨著洞壁干擾，造成建筑氣動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)行測壓試驗表明，8%的阻塞度對平均風(fēng)壓的影響不足2%，對脈動風(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，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，認(rèn)為當(dāng)阻塞度為4.9%時，阻塞效應(yīng)不能忽視。Wang等仁基于某高層建筑實際工程項目，對兩種縮尺比的剛性測壓模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗，比較了建筑表而平均和脈動風(fēng)壓系數(shù)。

在風(fēng)洞試驗研究中，一般來說，為了得到準(zhǔn)確的氣動力測量結(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)到與真實外形的物理相似特別是雷諾數(shù)接近，氣動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外形雷諾數(shù)接近的試驗結(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、壁壓信息法和計算法等。其中，映象法最為簡單易用，但阻塞度較大時修正準(zhǔn)度難以保證；壁壓信息法適應(yīng)性強(qiáng)，對氣動力修正精度高，但存在非定常流動時會受到測量點位置選取和壁壓測量結(jié)果不確定性的影響。

計算法最初在20世紀(jì)80年代提出，但一直受到計算量過大、計算結(jié)果不確定性大等限制。近十幾年來計算技術(shù)的長足發(fā)展，使計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結(jié)果進(jìn)行了修正。Sorensen等采用計算法對開口風(fēng)洞條件下的動量修正法進(jìn)行了校準(zhǔn)。由于可以得到流場細(xì)節(jié)信息，計算法在機(jī)理研究方而有著獨到的優(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。