水运工程新型桶式基础结构技术实践案例

7.2.1.1　胸墙顶高程及堤顶高程

直立式防波堤的堤顶高程应符合下列规定：

（1）对允许越浪的直立堤，宜定在设计高水位以上不小于0.6倍设计波高值处。

（2）对基本不越浪的直立堤，宜定在设计高水位以上不小于1.0倍设计波高值处。

连云港港徐圩港区防波堤工程具有防浪、减淤的双重功能。根据总体布置，结合二段直立堤远近期防波堤功能的不同，胸墙高程确定标准与之匹配。综合考虑以上因素，确定直立式结构东防波堤胸墙顶高程近期按允许少量越浪标准控制，远期回填部分做好堤后防护排水措施，也按允许少量越浪控制。胸墙顶高程为10.5m，堤顶高程为7.5m。

为了进一步掌握防波堤越浪量，通过试验研究可知：

越浪量随堤顶高程的增加呈逐渐减小的趋势。设计高水位下，胸墙顶高程为10.5m时，弧形胸墙的越浪量为0.04390m3／（s／m），反弧形胸墙的越浪量为0.03356m3／（s／m），两种结构形式都满足越浪量小于0.05m3／（s／m）的要求，试验验证了设计取用标高是可行的［1］。

7.2.1.2　上筒尺寸及堤顶宽度

直立堤的堤顶宽度一般可根据结构本身稳定性和使用要求确定，同时还应从施工工艺、使用要求等条件综合确定。

（1）桶式基础结构本身稳定性和强度要求。桶式基础结构是空间薄壳结构，上部筒体的整体抗弯性能与结构的截面形式有关，一般以圆形截面为佳，强度与筒壁厚和直径有关。

（2）桶式基础结构的上筒截面形式与波浪力密切相关，圆形截面对波浪有散射作用，散射效果与筒直径相关，直径接近1／4波长时，消浪效果最佳。

（3）桶式基础结构的上筒重量与施工密切相关，上筒尺寸过大结构自重增大，不但混凝土用量增大导致成本增高，而且施工时浮运水深增加，从而限制施工作业时间。

（4）直立式结构防波堤堤顶路与斜坡堤堤顶路相接，直立式结构位于口门段，考虑人员要从陆域沿堤到堤头需要简易通道，并且沿堤贯通，因此直立式结构和斜坡堤的道路要合理顺接。

综合考虑以上因素，充分考虑结构自身稳定性、强度要求和施工水位要求，并兼顾上筒体对波浪散射效果和堤顶道路顺接要求，上筒结构平面尺寸近似取为波长的1／8，约为8.9m。上筒顶铺设宽6m、厚50cm的盖板，满足使用期堤顶通行小型车辆的要求。

7.2.1.3　桶式基础结构

针对本工程地质条件和波流条件，结合桶式基础结构的主尺度，桶式防波堤结构断面设计为钢筋混凝土椭圆腔体结构件和护底块石组成。

标准桶式防波堤结构每一组结构构件由一个基础桶体和两个上部筒体组成。基础桶体呈椭圆形，长轴为30m、短轴为20m，桶内通过隔板划分为9个隔仓，外桶壁厚为0.4m（底部4m范围壁厚为0.3m），中间隔仓板厚为0.3m，桶式防波堤结构底端需进入淤泥层下黏土层1.5～2m，根据地质资料确定，下桶高度为9.5～11m。两个上部筒体坐落在基础桶顶板上，顶板厚0.5m，采用预制安装及现浇叠合板结构，上筒外侧底部设1.5m宽趾板与顶板连接，上筒体为圆形，直径为8.9m，筒壁厚为0.4m，两筒沿短轴方向排列，间距为10m，部分上筒及基础桶一起陆上预制，根据施工水位及施工船机设备的能力，确定上筒预制锯齿状拼缝中心顶标高为3.5m，上筒其余筒体待下桶沉放就位后水上现浇施工，上筒沿堤轴线方向外侧设挡浪板，挡浪板厚度为0.4～0.6m。

上筒顶海侧设弧形挡浪墙，挡浪墙由海侧部分筒体升高而成，挡浪墙顶设计标高为10.5m，后期预留沉降量为0.3m，施工期控制挡浪墙顶标高为10.8m。堤顶设5.1m宽简易道路，以方便巡视，道路顶标高为7.5m，道路板采用预制安装结构，厚度为0.5m，每组筒顶两块，之间采用现浇接头连接，道路板港侧设波形护栏。桶式基础结构示意如图7-1所示。

图7-1　桶式基础结构示意图

1—桶壁；2—隔板；3—盖板；4—上筒；5—趾板；6—弧形挡浪墙；7—走道板

7.2.1.4　桶式基础结构构造

1）上筒底部与下桶顶盖板结合部构造措施

桶式基础结构的上筒与下桶的连接采用刚性连接，即上筒与下桶盖板连为一个整体。在下桶盖板上设置1.5m宽的趾板，趾板与上筒连接部分厚度为900mm，最外部厚度为500mm。趾板和上筒的钢筋都锚固在下桶预制盖板底层或下桶壁、隔墙内。

2）盖板构造措施

下桶顶盖板采用预制现浇叠合板，预制盖板根据下桶隔仓尺度分成21块，相邻板块间距为500mm，预制盖板厚为300mm，两端预留钢筋与现浇面层钢筋连接，现浇面层厚为200mm。

3）下桶壁、隔板的构造措施

在下桶壁、隔板顶端设置放大牛腿，下桶壁在桶内侧设置宽为300mm、高为600mm的牛腿；隔板两侧设置宽为250mm、高为600mm的牛腿。下桶壁、隔板的钢筋伸入下桶盖板现浇部分。

4）挡浪板的设置

上筒轴线外缘设置挡浪板，相邻挡浪板间距为300mm。挡浪板端部厚度为500mm、根部厚度为800mm、外伸长度为1150mm。同一基础的上筒间采用500mm厚的直墙板连接。

5）挡浪墙的设置

迎浪侧的上筒壁局部升高与外伸直墙一起作为挡浪墙结构。上筒升高筒壁的弦高为2.9m，厚度与筒壁相同，外伸直墙与升高筒壁相连，厚度为600mm，外伸长度为11748mm。

6）下桶顶盖板设置抽气孔(www.xing528.com)

桶式基础结构施工过程中需要抽气负压下沉及纠偏，因此预制施工时，必须在下桶顶盖板预留抽气（水、泥浆）孔，每个隔仓设置两个孔，孔直径为100mm，该抽气孔在施工完成后必须进行封闭。

7.2.1.5　耐久性

结合徐圩港区防波堤实际运营情况，直立式防波堤结构的耐久性设计年限按100年设计。因此，在结构设计中，工程材料的采用应在确保结构耐久性和可靠性的前提下，通过可靠性论证，并采取有效的耐久性工程措施，以确保工程达到使用年限100年的要求。

本工程混凝土结构防腐措施将针对100年使用期的使用要求及受力特征，通过试验和多方面的技术性、经济性比较，除按照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275—2000）的有关要求执行外，还采用以下几个方面的混凝土防腐蚀方法：

（1）增加混凝土中钢筋的保护层厚度。本工程将根据相关计算提高最小保护层厚度增加混凝土自身的防腐蚀能力，本工程浪溅区和水位变动区的钢筋保护层厚度应不小于80mm，水下区的钢筋保护层厚度应不小于50mm。

（2）本工程桶式基础结构上筒位于大气区、浪溅区、水位变动区和水下区，外露表面防腐均采用硅烷浸渍和表层涂料联合防腐技术。硅烷浸渍在预制构件安装前完成，拟采用异丁烯三乙氧基硅烷单体作为硅烷浸渍材料，同时在混凝土表层采用涂料防腐，以延缓氯离子的侵蚀，考虑到浪溅区和大气区腐蚀最为强烈，表层涂料可通过定期涂刷以提高耐久性。

（3）采用高耐久性海工混凝土，通过配合比设计以达到高抗氯离子渗透性，以提高混凝土的使用寿命。考虑到处于浪溅区的上筒外壁承受循环荷载及受冲蚀作用，可采用纤维（钢纤维或合成纤维）对混凝土加以改性，提高混凝土的耐磨性和耐疲劳性，同时还可有效控制这部分混凝土表面在施工期产生的微裂缝（如温度应力裂缝及干缩裂缝等），从而改善整体耐久性能。该措施可作为备用措施。

（4）直立式结构除了采取合适的综合防腐措施外，同时应注重防腐监控。防腐监控是结构检测的一种重要补充手段，其目的是通过预防手段来维护结构。通过对比检测结果、防腐监控或其他非破坏性试验，寻求最佳措施来调整营运和维修策略。因此，在直立堤全寿命使用期间，应定期进行巡回结构检测，如有裂缝、构件局部破损应及时进行维护，对表面混凝土涂层按涂层使用年限要求进行定期涂刷。

7.2.1.6　冲刷防护设计

桶式基础结构防波堤堤头位于港区口门处，由于水流相对集中导致堤头流速较大，局部冲刷较明显。根据试验研究，受口门堤头分流的影响，局部冲刷的最深点并不紧靠桶式防波堤结构，而是在稍外侧的靠后处，防波堤口门直立堤桶式防波堤结构周围的冲刷形态呈现为明显的沙波与局部冲坑的合成。桶式防波堤结构迎、背水面的冲刷幅度与距口门堤头距离的远近成正比。

遭遇强浪、强增水极端情况时，防波堤口门直立堤桶式防波堤结构周围的冲刷形态也呈现为明显的沙波与局部冲坑的合成，过口门后冲坑形态呈发散状，冲深明显变小。下部基础间的空隙处存在锅底状的冲深，少数桶间的最大冲深在10m以上。冲深范围在3m以内（桶式防波堤结构的横向轴线断面）主要分布在东堤口门处。口门堤头局部冲坑沿水流方向的长度在100～120m。

根据堤头的冲刷形态对做了相应防护后的冲刷进行了试验。研究结果表明，面临强浪、强增水作用的极限情况时，口门堤头虽波流湍急、淘刷能力增强，防护区铺设350～400kg块石也能够保持稳定。同时，试验结果还显示，直立式防波堤堤身两侧较合适的防护宽度（以下部基础桶顶向外起算）：海侧控制在20m左右、港侧控制在15m左右较为适宜。

堤头段的堤身两侧由上筒外侧边线向外防护30m，堤头前方防护50m（包括没有上筒的下桶宽度）。护底由土工格栅和护底块石组成，护底块石重量采用400～600kg，护底厚度2m。

沿堤身段的两侧采用块石护底。护底块石重量和范围根据波流条件确定，通过计算可得：海侧护底块石设置为两层400～600kg的块石，有效护底宽度为25m；港侧护底块石为两层200～400kg的块石，有效护底宽度为20m。

冲刷研究结果表明［2］，防波堤拐点处迎水面受到波流的共同作用，冲刷形态呈沙波状，背水面的海床受到桶壁的遮护，呈平坦状。在波、流的共同作用下，桶式防波堤结构迎水面冲刷较明显的区域大多为距下部基础桶顶25m以内；背水面由于有桶式防波堤结构桶体的遮护，冲刷较明显的区域大多为距下部基础桶顶20m以内。然而无论是与接岸段相接的24桶，还是拐弯后回填段方向上的14桶，其下部基础的桶顶迎水面均为向外30m以内冲刷较明显。因此，得到桶式防波堤结构的冲刷影响范围为向外海侧头部30m，桶式防波堤结构向岸侧25m。该范围外的周边海床为波、流引起的正常冲淤，幅度较小。

根据试验研究结果，设计摆放和防护桶式防波堤结构采用以下方式：

（1）在拐点处摆放一个桶体，桶长轴线与拐点角平分线重合，桶中心点与轴线交点重合。其他桶体沿轴线摆放，但是与拐点桶体相接的桶体要保持0.5m的最小安放距离。且上筒靠拐点桶一侧的悬臂板要与拐点桶体悬臂板长度相同，拐点处悬臂板根据波浪力计算结果进行加厚处理。

（2）在拐点两侧设置50m防护范围，堤身靠海侧由上筒外侧边线向外防护40m，港侧由上筒外侧边线向外防护20m。护底采用土工格栅和护底块石组成，护底块石重量为400～600kg，护底厚度为2m。

7.2.1.7　堤头结构及桶间堵缝措施

根据试验分析研究，徐圩港区防波堤堤头波压力与堤身波压力相差不大。因此，为减小波压力，结合堤头没有越浪量的要求，堤头的上筒高程设置在设计高水位上，确定为6.0m。同时，为了加强堤头稳定性，增设一个桶式基础结构，以起到加固堤头地基的作用。

桶式基础结构堤头与斜坡堤堤头不同，根据试验研究，防波堤口门堤头的冲刷类似于丁坝冲刷，由于水流相对集中导致堤头流速较大，局部冲刷较明显。受口门堤头分流的影响，局部冲刷的最深点并不紧靠桶式基础结构，而是在稍外侧的靠后处，防波堤口门直立堤桶式基础周围的冲刷形态呈现出明显的沙波与局部冲坑的组合。桶式基础结构迎、背水面的冲刷幅度与距口门堤头距离的远近成正比。遭遇强浪、强增水极端情况时，防波堤口门直立堤桶式基础周围的冲刷形态呈现出明显的沙波与局部冲坑的组合，过口门后冲坑形态呈发散状，冲深明显变小。下部基础间的空隙处存在锅底状的冲深，少数桶间的最大冲深在10m以上。冲深范围在3m以内（桶式基础的横向轴线断面）主要分布在东堤口门处。口门堤头局部冲坑沿水流方向的长度在100～120m范围。

根据堤头的冲刷形态和防护后的冲刷形态研究，堤头段桶体摆放和防护措施如下：

（1）在堤头最外端摆放一个没有上筒的基础桶体，对其他桶体起到稳定防护作用。

（2）没有上筒的基础后依次摆放3个堤顶高程为6.0m的桶体，高程为6.0m的桶体后接堤顶高程为10.5m的桶体。

堤头段的堤身两侧由上筒外侧边线向外防护30m、堤头前方防护50m（包括没有上筒的基础桶体的宽度）。护底采用土工格栅和护底块石组成，护底块石重量为400～600kg，护底厚度2m。堤头结构剖面如图7-2所示。

图7-2　堤头结构方案

沿堤身段的两侧采用块石护底。护底块石重量和范围根据波流条件确定，通过计算可得，海侧护底块石为两层400～600kg的块石，护底宽度为25m；港侧护底块石为两层200～400kg的块石，有效护底宽度为20m。堤身护底断面如图7-3所示。

图7-3　堤身护底方案

桶式基础结构防波堤的桶体之间设计间隙为1.0m，对于后方有回填土的桶体之间的间隙必须设计堵缝措施。连云港港徐圩港区桶式防波堤工程的桶间堵缝措施采用钢管桩＋模袋混凝土措施，工程实施顺序为先打设钢管桩，再在钢管桩与上筒缝隙之间浇筑模袋混凝土，方案如图7-4所示。

图7-4　桶间堵缝方案示意图