防波堤的新结构型式
徐 光1，谢善文2，李元音2
(1.交通部水运司，北京 100736;2.中交第一航务工程勘察设计院，天津 300222)
收稿日期:2001-06-27
作者简介：徐 光(1956-)，男，吉林农安人，副司长，从事水运工程管理。
摘 要：根据赴日本进行技术交流的体会，对日本防波堤新结构的发展，大体归纳为3个主要发展方向。详细介绍釜石港大水深梯形沉箱防波堤、柴山港双层圆筒防波堤、宫崎港半圆型防波堤和熊本港的“倒π型着底式”防波堤。
关键词：防波堤；新结构型式
中图分类号:U656.2 文献标识码:C 文章编号:1002-4972(2001)11-0020-06
N e w Structure Types of B reakw aters
X U G uang 1,XIE Shan -wen 2,LI Y uan -yin 2
(1.Water T ransport Bureau of Ministry of C ommunications ,Beijing 100736,China ;2.China C ommunications First Design Institute of Navigation Engineering ,T ianjin 300222,China
)Abstract :Three main aspects for the development of new types of breakwaters in Japan have been concluded
甄宓张芷溪
according to the knowledge gained from the technical exchange.The deepwater trapezoidal caiss on breakwater at K amaishi ,the dual cylinder caiss on breakwater at Shibayama ,the mi -circular breakwater at Miyazaki and the “in 2ver лtype ”breakwater at K umam oto are introduced in detail.
K ey w ords :breakwater ;new structure type
为了进一步提高我国水运工程防波堤和导堤设计与施工的技术水平，由交通部水运司组团，于2001年4月赴日本进行技术交流。在日本期间，于港湾空港技术研究所(原运输省港湾技术研究所)参加了中日防波堤技术交流会，中日双方分别介绍了近年来本国防波堤和导堤工程发展的概况，交流了在研究、设计和施工方面的有关成果和经验。在现场考察方面，重点考察了釜石、柴山、宫崎、熊本、长崎和博多港的防波堤工程。根据交流和考察的内容和体会，本文将主要探讨直立式和混合式防波堤新结构型式的发展方向，并重点介绍考察港口中较新型和有特色的防波堤工程。
1 日本防波堤新结构的开发
日本是太平洋中的1个岛国，岛周围分布着众多的
港口，这些港口大多数都需建造防波堤来掩护港域和码头，免遭海浪的侵袭。因此日本对开发防波堤新的结构型式历来十分重视，毫无疑问，日本已是世界上防波堤型式最多的国家。
由于多数港口水深浪大，因此钢筋混凝土浮式沉箱是日本最常用的结构型式，而日本的新结构防波堤，也主要是在沉箱结构基础上的改进。开发新结构防波堤的主要目的：减少堤前的反射波；增加堤体的抗浪稳定性；降低堤后的传递波；促进海水交换；兼顾其他用途(如波力发电等)。
对日本防波堤的新结构型式，我们认为大体可归纳为3个主要发展方向:①开孔消浪沉箱结构;②斜面(非
直立面)防波堤;③水平式混合堤。
对①类的开孔消浪沉箱结构，由开孔消浪矩形沉箱
演变为迎波侧上部为圆弧形凸曲面的开孔消浪沉箱，再演变为双层圆筒开孔消浪沉箱，以适应在较宽的作用波浪周期范围内起到消浪和减少堤前反射波的作用。
对②类的斜面(非直立面)防波堤由防波堤的上部结构采用削角斜面的型式(削角斜面直立堤)，演变为堤的迎波侧上部为凹曲面型式，再演变为迎波侧全部为斜面的梯形沉箱，再演变为半圆形防波堤(图1)。
对堤上部为凹曲面的型式，日本和歌山港曾于1985年采用3层凹曲面以形成2道波浪通道的结构，目的是充分利用波浪力的垂直向下分力，增加堤体的抗浪稳定性。但由于这种沉箱结构过于复杂，施工困难，且造价较高，据说仅作了1个，已不再发展
。
图1 非直立面防波堤外形的演变
八下数学书答案
对③类的在直立墙前有消浪块体棱体掩护的水平式混合堤，其新发展的型式,
可以日本下田港建造的防波堤为例。由于设计波高达16m ，单独的直立堤难以抵御巨大的波浪力，而若采用常规的水平式混合堤，又因当地水深达40m ，将消耗大量的块石和人工块体，造价太高。为此发展了一种新概念的水平式混合堤：将四脚锥体放置在沉箱上部间隔的前格舱与连续的后格舱之间(图
2)。实际上这种型式不但具有水平式混合堤中人工块体对直立墙的掩护作用，而且前、后格舱之间形成消能室，因此也同时具有开孔沉箱结构的消浪作用。这种型式也可视为③类与①类相结合的发展型式。
图2 双格舱沉箱和消浪块体混合堤
上述任2种类型相结合的发展型式，还有如①类与
②类结合的斜面开孔消浪沉箱结构;②类与③类结合的削角直立堤前抛有消浪块体棱体的型式；等等。
软基上的防波堤新结构有横断面为“倒T 型”或“倒π型”的无抛石基床的“着底式”防波堤，利用粘性土表层的粘结力抵抗水平波浪力，也可在底板下打设短桩来增加水平抗力。
在波浪较小时开发有双排圆柱结构，在前后2排间隔设置的钢管间安装横板和竖板以挡浪。
据港湾空港技术研究所介绍，今后日本在防波堤新结构开发中，将重点考虑以下几个方面的因素:
(1)新结构应便于施工;(2)尽可能利用新材料;
(3)考虑环境保护因素，包括海水交换型防波堤和亲
水性防波堤等。亲水性防波堤是指结合海滨休闲用的防波堤。
语文知识集锦2 釜石港大水深梯形沉箱混合堤
釜石港位于日本本州东海岸岩手县的釜石湾。由于釜石湾的地理位置和地形条件，使其易受地震海啸(津波)的侵袭。由地震引起的津波是一种长周期的孤立波。据记载，釜石湾在历史上曾于1896年、19
33年和1960年发生过3次大的海啸,1896年的津波波高达7.9m ，造成了
3765人死亡，财产损失严重。为此日本于1977年决定在
釜石湾口建造深水防波堤，主要用来防止海啸的侵害。湾口防波堤总长度为1960m ，其中北堤长990m ，口门段长
长效管理300m ，南堤长670m 。堤址的水深大部分在25m 以上，最大
均线怎么看
水深达63m 。
对津波的设计标准是使海面上高度为8m 的津波(即孤立波波高为8m )于港内降为4m 。对此防护效果，由港湾空港技术研究所采用数学模型和物理模型作过论证，由于口门段的水深近60m ，因此需建造顶高为-19.0m 的潜堤。湾口防波堤对风浪也起到防护作用，对风浪的设计标准，深水段和浅水段采用的重现期分别为150a 和
50a 。推算至北堤深水段和浅水段的设计最大波高H max 分
别为13.3m 和10.8m ，波周期为13s 。
防波堤堤址的地基条件良好，除口门段为中砂外，大部分堤身下为砾砂、砾石及岩石。天然情况下，湾口潮流
的流速仅有0.08m/s 。但模拟1896年和1933年2次海啸时周期为16min 和10min 的津波，在湾口防波堤口门处的最大流速可达7.9m/s 和8.2m/s 。
为适应工期的要求，口门段的潜堤采用钢骨架沉箱，重量较轻，勿需在浮坞内预制，可用起重船安放。在口门段两侧为22个钢筋混凝土梯形沉箱为主体的大水深混合堤，其中19个梯形沉箱在北堤。其余堤段为矩形开孔消浪沉箱混合堤。梯形沉箱的抗浪稳定性优于矩形沉箱。
深水段梯形沉箱混合堤(图3)，自海底面至-27.0m 为抛石基床，沉箱总高度为30m ，自-27.0～-6.0m 为梯形断面，高2110m ，上、下边长分别为16m 和30m 。自
-6.0～3.0m 为矩形断面，分为外、中、内3个格舱，港内
侧格舱充水密封，外格舱和中格舱为消浪室。在沉箱海侧的外墙及第1道纵隔墙上均开有4排横孔，消浪室的横隔墙上也开设横孔
。
图3 釜石港梯形沉箱混合堤断面(单位:m )
沉箱外墙厚度为0.6m ，底板厚1.0m 。纵、横隔墙采用单层配筋，沉箱的配筋率约为110kg/ 。
沉箱首先在6500t 浮坞内预制至11.0m 高，出坞后在专用栈桥旁坐底接高。对于30m 高的沉箱需接高5次。
对梯形沉箱，因内外两侧为斜面，所以在内模板的安装和拆卸、钢筋的架设以及混凝土的浇筑和振捣等方面均较矩形沉箱困难。
深水段混合堤的基床厚度超过30m 。基床采用5～
烟雨寒
800kg 重的块石，由自航开底驳抛填，每层厚约1.5m 。基
床不作夯实处理，预留最大沉降量为2m 。
基床采用水下整平机进行整平。通过水上遥控，水下整平机依靠8个液压支腿，可以在纵横两个方向上步履移位。施工时先用齿耙耙平基床块石，再用压辊碾压。基床整平的允许高差为±300mm 。釜石港采用的水下整平机，最大作业水深为35m ，每天可完成作业面积200 。当整平200kg 下或100kg 以下块石基床时，整平精度可达
100mm 或50mm 。
由于沉箱在水面下呈梯形，因此要特别注意下沉时与已安好沉箱的相碰。
在梯形沉箱两侧斜面部分的格舱，要通过专门设置
的作业孔进行填石。
由于基床厚度大，又未经夯实处理，所以相邻两沉箱顶部的高差较大，根据目估，一般有500～600mm ，最大可超过1m 。相邻两沉箱间的缝宽也可达500mm 左右。
釜石港的大水深防波堤，石方量达700万m 3。每延米的平均造价为7500万日元(包括所有的附属设施费用)。
自1978年开工以来，至2000年完成的防波堤长为
1345m ，其余段计划在5a 内完成。
釜石港深水防波堤的特点可概括为以下几点:
(1)防波堤的最大水深达63m ，为世界上水深最大的
防波堤;
(2)防波堤同时具有防津波和防风浪的作用;(3)梯形沉箱的尺度大，其长、宽、高均为30m ，重量达1.6万t ;
(4)梯形沉箱上部为双重消浪室，在风浪作用时有良
好的消浪作用。
3 柴山港双层圆筒混合堤
柴山港位于日本本州兵库县的北部，面临日本海，历史上为一渔港,1954年被指定为500t 以下小船的避风港,
1987年又决定开辟为500～3000t 船舶的避风港。计划在
湾口进港航道的两侧建造2座岛式防波堤，西堤长450m ，东堤长200m 。堤址的水深约为28～32m ，推算堤前的有效波高H 1/3=9.7m ，最大波高H max =17.5m ，有效周期T s =
1410s 。
柴山港位于海岸国家公园区内，根据景观和消浪的要求，混合式防波堤的上部主体采用由双层圆筒组成的开孔消浪沉箱结构(图4)。自海底面至-18.0m 为抛石基床，其上为总高26.5m 的钢筋混凝土双层圆筒，圆筒顶高程8.5m 。
图4 柴山港双层圆筒混合堤断面(单位:m )
双层圆筒外筒的外径为29.4m ，内筒的外径为14.7m ,
内、外筒的壁厚均为0.5m。外筒海侧开有4排9列横孔，孔的宽高比为2:1；外筒港侧开有1排9个方孔，其高程与海侧最下面的1排孔相同。
双层圆筒防波堤与传统的重力式防波堤相比，具有以下的优点:
(1)反射率低。双层圆筒的外层开孔，在内、外层间形成环形消浪室，堤前的波浪反射率较低。
(2)消浪性能好。进入环形消浪室的波浪水流，在后侧发生对冲，消耗波能。
(3)有利于港内外的海水交换。如上所述，外层圆筒在港内外两侧均开有孔洞，因此海水可通过堤身进行交换。
(4)防波堤由连续的圆筒体组成，有利于堤轴线的拐折。
(5)双层圆筒防波堤具有优美的景观效果。
柴山港的双层圆筒采用双向预应力钢筋混凝土结构。对双层圆筒稳定计算的结果为：抗滑安全系数1.27；抗倾安全系数2.01；基床顶面最大压应力834kPa。应当指出，为了提高建筑物的抗滑稳定性，在圆筒沉箱的底板下预设了30mm厚的橡胶阻滑板，这种橡胶垫板可使沉箱底板与抛石基床间的摩擦系数由0.6提高到0.75，橡胶垫板通过了连接销杆与底板混凝土相连。
自1994年开始，在柴山港已安设好4个双层圆筒。由于基床厚达12m左右，又不进行夯实，因此对10～500kg块石组成的基床预留了800mm的沉降量。基床采取潜水员人工整平，第4号圆筒的整平标准为±300mm。
现已完成的4个双层圆筒，其内外层圆筒是分别预制，然后在海上进行拼装的。内筒在陆上预制场预制，外筒在浮坞中预制。将外筒沉箱浮运至预定位置后，灌水沉放。内筒用2000t起重船吊运，在现场采用4台水下摄象机定位，将内筒放入外筒中，然后浇筑水下混凝土以固定内外筒的位置，再填充填料。最后是浇筑封顶混凝土。设计要求相邻两双层圆筒间的距离为0.2m，实际均大于此值，可达0.4m。1994年沉放的1号双层圆筒，至2001年初的沉降量为900～1000mm;1995年沉放的2号圆筒，沉降量为800mm;1997年和1998年沉放的3号和4号圆筒，沉降量均为500mm。
柴山港计划自第5个双层圆筒开始，改变施工工艺，内外筒不再分开预制。先在陆上预制场分2次浇筑6.7m 高的双层圆筒，利用4800t的起重船将其移至水中接高场，再分6次浇筑到顶，仍用4800t起重船借助水的浮力将总重约7000t的双层圆筒吊起、浮运、安放。预期新的施工工艺可使双层圆筒混合堤的造价由每延米1亿日元降至6000万日元左右(均包括附属设施费用)。
4 宫崎港半圆型防波堤
宫崎港位于日本九州东南沿岸的宫崎县内。宫崎港有2座防波堤，以南防波堤为主，其结构型式为矩
形钢筋混凝土沉箱与其外侧人工块体棱体组成的水平式混合堤，棱体的四脚锥体单块重量达80t。
宫崎港于1992年在其北防波堤靠根部的位置建造了总长36m的半圆型结构实验堤。实验堤分为3段，每段长12m，中间1段设计为可滑动堤。
宫崎港的高水位(H.W.L.)2.30m，低水位(L.W.L.)
0.00m。
重阳的诗句实验堤的设计波浪重现期为50a，堤前H max=7.96m, H∀.
=6.05m,T s=13.6s，波向与堤轴线法线的交角β=13°，设计水位采用2.30m。可滑动堤的设计波浪重现期为2a，堤前H max=5.59m,H∀.=3.30m,T s=10.9s,β=29°，水位采用平均水位1.15m。
宫崎港半圆型防波堤的标准断面示于图5。钢筋混凝土半圆型构件的半径R=9.8m，拱圈厚0.5m，底板厚2.55m，堤顶高程5.50m，半圆型的构件总高度为10.5m。
图5 宫崎港半圆型防波堤断面(单位:m)
宫崎港半圆型防波堤主要采取在拱圈内侧开孔的形式，每个构件有4排共16个圆孔，圆孔直径为1.6m，开孔率达25%，其目的是使波峰作用时的部分越顶水体进入半圆型构件的内部空腔，以减少越浪量和降低堤后波高。为了适当考虑堤的透水性，拱圈外侧有开孔率为1%的圆孔。底板开孔率为10%，以消除波浪浮托力的影响。
实验堤的抗滑安全系数为1.21，可滑动堤的抗滑安全系数为0.99。1994年台风期间，推算的波浪已达到可滑动堤的设计波浪，但可滑动堤保持稳定，至此认为已达到现场实验目的，遂将可滑动堤加重，使其与左右2段达
到同样的抗滑安全系数。在约2年的现场观测期内还进行了半圆型构件上的波浪压力以及构件钢筋应力等测试，实验堤的目的包括:
(1)半圆堤断面稳定性的验证;
(2)半圆堤波浪力计算方法的确定;
(3)半圆堤结构安全性的验证;
(4)构件强度计算方法的确定;
(5)采用预应力构件的施工方法的确定。
拱圈因开孔率大，后侧圆孔直径达1.6m，故构件采用
预应力钢筋混凝土结构。每个半圆型构件由拱圈的8块弧形及底板组成。拱圈在堤中心线处被分为左右2块弧形板，弧形板的宽度(沿堤轴线方向)为3m。在施工时，于普通钢筋混凝土的底板上架设支架，然后安放8块弧形板，并将其用锚固螺栓固定于底板，再浇筑接缝混凝土。将预应力钢丝束穿过弧形板的预留孔，并进行张拉。最后通过水平方向张拉将4块拱圈板连成整体。
根据日本港湾空港技术研究所的研究，半圆型防波堤的抗浪稳定性好，特别适用于水深10m以下的波浪破碎区；地基应力小，适合于软基的条件；半圆型构件安放于基床上后，即可抵御大浪袭击，施工期的稳定性优于其他传统的防波堤型式；而且半圆型堤在海域中具有较好的景观效果。
半圆型防波堤的造价受工程规模、当地条件、施工方法以及材料价格等多种因素的影响。宫崎港的半圆型防波堤由于构件个数少、施工工艺较复杂，因此造价并不便宜。
5 熊本港软基上倒π型防波堤
熊本港位于日本九州西海岸的熊本县，面临有明海，当地波浪较小。港周围为淤泥质海岸，软基厚度达40m。熊本港为在海中填筑起来的人工岛港，计划建造南北2座防波堤，北堤长1200m，南堤长2800m，现已建成南堤1600m。
当地高水位(H.W.L.)4.50m，低水位(H.W.L.)
0.00m；设计波高和周期分别为
3.40m和5.4s。针对波浪小和地基软弱的特点，熊本港开发采用了一种新型的双层钢筋混凝土扶壁式防波堤结构(倒π型堤)。防波堤的结构主体有2道开孔墙，两侧各有几道扶壁(图6)，底板下是打入软基中的H型钢桩，桩头与底板采用连接销连接，只传递力，不传递力矩。
这种倒π型具有以下特点:
(1)波浪的水平力主要由下部直桩的土抗力平衡;
(2)堤身重量轻，倒π型结构的前后墙均开孔消浪，中间不填填料;
(3)地基上只承受较轻的上部荷重，无抛石基床也无需进行地基处理;
(4)工期可缩短(约比普通重力式结构缩短1/4);
(5)工程造价可降低(约比通常处理地基的重力式结构节省1/5～1/7);
图6 倒π型防波堤
熊本港倒π型堤的底板宽14.1m，上部前后两墙处宽3.85m，高8.4m，纵长15.0m，每个构件重640t，海侧前墙厚0.45m，开孔率20%；港侧后墙厚0.40m，开孔率7%。底板厚0.50m，底板下横向有1对H
型钢桩，前后2排桩的中心距前后墙的外沿均为1.0m。桩长8.5m，自海底面高程-2.0m打至-9.7m，桩的上端伸出底板0.3m。
熊本港南北防波堤之内沿航道两侧还建有2座潜堤，其作用是阻挡底沙和浮泥，减少航道的淤积。潜堤为倒T型结构，潜堤的高度有1.2m和1.7m2种，底板宽4.0～9.0m，每段潜堤纵长4.5～7.0m，竖板和底板的厚度均为0.20m。倒T型构件下无抛石基床，为直接安放在粘土地基上的“着底式”结构。对潜堤的减淤作用，曾做过现场试验，用潜堤围成63m×83m的矩形区域，中间挖深2m，然后与无潜堤的天然情况下相同尺度的试坑进行对比，在约14个月的试验期内，有堤和无堤试坑中的回淤深度分别为0.3m和1.5m，由此证明潜堤良好的减淤效果。
6 结语
(1)自20世纪80年代以来，日本以沉箱混合堤(含明基床直立堤)为基础，开发的新结构型式近20种。但对各种型式相互间的优缺点比较和适用范围等尚无明确的结
论。因此在参考选型时，仍应根据工程项目的具体条件，经技术经济比较后确定。
应当指出，虽然开发了很多新的结构型式，但是对一些较传统的结构型式，如削角直立堤和矩形开孔消浪沉箱等仍在广泛应用。
(2)日本在开发防波堤新结构时，对防波堤的水力特性，特别在消浪性能方面研究得较多，但对施工便利性方面似考虑不够。如堤的迎波侧上部为凹曲面的型式(图1)，在开发后未能得到推广应用，在很大程度上与其施工较复杂有关。因此，港湾空港技术研究所在今后的防波堤新结构开发设想中，已将便于施工作为第1项重点考虑因素。
(3)对适合外海和软基条件的半圆型防波堤新型式，宫崎港采用的结构处理和施工工艺均较复杂，同样影响了这种新结构型式在日本的推广应用。在交流中，日方技术人员对半圆型结构在中国天津港的防波堤和长江口治理的导堤工程中得到应用，且施工方便、造价较低的介绍表示了关注。看来，当半圆结构的半径R约在5～6m 以下时，采用天津港和长江口治理工程中拱圈与底板整体浇筑，并用起重船安放的施工工艺；而当R约在7～8m 以上时，采用浮运沉箱的方案将成为推广应用半圆型结构的合理方式。
(4)日本对混合式防波堤的基床一般不进行夯实处理，而是采用预留基床沉降量的方式。虽然造成堤顶高差较大，但基本上不影响防波堤的使用功能，而对简化施工工序、加快施工进度以至降低工程造价方面均是有利的。因此可根据工程实际情况，参考采用对基床不夯实而预留沉降量的方式。分门别类
(5)为了增加重力式防波堤和码头岸壁的抗滑稳定性，近年来日本开发了可预设在沉箱底面的橡胶阻滑板，采用这种特制的橡胶阻滑板后，重力式建筑物与抛石基床的摩擦系数将可由0.6提高至0.75，从而
可相应地减少建筑物的自重或缩窄建筑物的底宽，达到降低工程造价的目的。开发这种橡胶阻滑板可取得较大的经济效益，为此建议有关部门创造条件，组织力量自行研制这种产品。
(6)日本对作用在防波堤新结构上的波浪力，基本上仍采用适用于直立堤的合田良实公式，而根据相应的物模试验对公式中各个系数予以调整和修正，便于相互比较。限于篇幅，在本文中对有关防波堤新结构的波浪力计算，未予展开介绍。
・消 息・
国家拟立法反港口行业垄断
随着我国即将加入WT O，国家经贸委有关官员目前建立国家应加快港口法立法进程。通过制定港口法规，明确政府监管机构职能，对市场准入条件、定价、服务质量等作出法律规定，以规范自然垄断市场秩序，确保公平竞争。
厦门港集装箱吞吐量创历史新高
厦门港集装箱运输蓬勃发展。1—9月份厦门集装箱吞吐量达到94.8万箱，比去年同期增20%。继续保持两位数增长速度。今年以来厦门增辟3条到日本的集装箱班轮航线，大大促进集装箱吞吐量的增加。
(福建省港航管理局程钟康)
