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物理模型试验在港珠澳大桥隧道人工岛设计中的应用

作者:  发布:2015/6/30  浏览:
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摘 要:随着全球变暖趋势的日益明显,近年来全球范围内的灾害性极端气象事件频频发生。从假定在瞬时暴雨、强台风带来的高越浪量等更极端天气情况下,通过对人工岛断面物理模型试验和整体物理模型试验,验证施工图设计断面的稳定性和防浪排洪的有效性,为设计可能需要采取的有针对性措施提供科学依据,以确保隧道及人工岛总体设计安全与稳定。

0引言

随着全球变暖趋势的日益明显,近年来全球范围内的灾害性极端气象事件频频发生。2013年在广东沿海登陆的“天兔”台风以及横扫菲律宾的“海燕”台风均给当地人民的生命和财产安全带来了巨大破坏,尤其“海燕”台风更是西北太平洋上有气象记录以来的最强台风。这些气象事件虽然没有正面影响港珠澳大桥工程,但却无时不在地给岛隧人工岛的防浪排洪设计以及隧道防淹保护敲响了警钟。在交通运输部和港珠澳大桥管理局的支持与帮助下,中交联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部着手开展了根据“天兔”和“海燕”等台风后报数据的港珠澳大桥设计波要素复核工作。同时,考虑到工程已经在实施,为确保工程的进度和安全,通过假定的更极端工况委托试验单位开展了相关断面物理模型试验和整体物理模型试验,以求验证人工岛施工图设计断面的稳定性和防浪排洪的有效性,为设计可能需要采取的有针对性措施提供科学依据。

1港珠澳大桥隧道人工岛施工图挡浪墙设计

港珠澳大桥隧道人工岛工程设计内容包括东、西隧道人工岛的岸壁结构、陆域形成、地基处理、岛隧结合部构造措施以及综合救援码头。施工图设计依据中国并参考了中国香港、中国澳门和日本等相关规范及标准,并充分吸收了工可、初步设计阶段大量专题研究及设计成果。

1.1西人工岛岸壁结构

西人工岛挡浪墙采用现浇L形混凝土并置于钢圆筒上,挡浪墙顶高程维持原初步设计不变,南侧取为8.0m,北侧取为6.5m。挡浪墙下设置素混凝土垫层和碎石层。钢圆筒外侧采用抛石斜坡堤。堤心由倒滤结构和10100kg块石组成,堤心外侧安放消浪性能良好的25t扭工字块体,外坡12

为减少波浪爬高,降低挡浪墙高程,外坡在标高3.000m处设置消浪戗台,南侧宽12.0m;北侧宽8.0m。坡脚采用60100kg护底块石。经波浪断面模型试验验证,胸墙、护面结构、护底块石的稳定性均满足要求,越浪量符合越浪标准。

1.2东人工岛岸壁结构

东人工岛岸壁结构同西人工岛。南侧挡浪墙高7.0m3.0m戗台宽12.0m,北侧挡浪墙高6.2m3.0m戗台宽10.0m,经波浪断面模型试验验证,胸墙、护面结构、护底块石的稳定性均满足要求,越浪量符合越浪标准。

2原设计标准下波浪物理模型试验

东人工岛受香港大屿山的掩护,设计波要素要小于西人工岛,故仅复核西人工岛。

中国科学院南海所和华南理工大学于20074月至20083月在桥址偏东现场临时观测1年波浪玫瑰图,年最大波高2.58m,年最大有效波高1.43m,均出现在8月。

2.1断面物理模型试验稳定性结果(西人工岛)

挡浪墙和5t扭工字块体在100年一遇和300年一遇以下工况条件潮位、波浪的作用下块体稳定试验结果是稳定的。

西人工岛南侧:300年一遇高水位(3.820m)+300年一遇波浪(13%H=4.38mT=10.5s)100年一遇高水位(+3.470m)+100年一遇波浪(13%H=3.92mT=10.2s)

西人工岛北侧:300年一遇高水位(3.820m)+300年一遇波浪(3%H=3.56mT=5.86s)100年一遇高水位(+3.470m)+100年一遇波浪(3%H=3.08mT=5.51s)

2.2断面物理模型试验越浪量结果(西人工岛)

西人工岛南侧断面:25t扭工块,顶标高8.000m,戗台标高3.000m,宽12.0m;在极端工况300年高水位3.82m、设计工况100年高水位3.47m、正常通行工况50年高水位2.74m条件下,物理模型试验结果如表1所示。

1 西人工岛南侧断面物理模型试验结果

西人工岛北侧断面:25t扭工块;顶标高+6.500m,戗台标高3.000m,宽8.0m;在极端工况300年高水位3.82m、设计工况100年高水位3.47m、正常通行工况50年高水位2.74m条件下,物理模型试验结果如表2所示。

2 西人工岛北侧断面物理模型试验结果

2.3整体物理模型试验结果(西人工岛)

西人工岛南侧护岸:25t扭工块,顶标高8.000m,戗台标高3.000m,宽12.0m;在极端工况300年高水位3.82m、设计工况100年高水位3.47m条件下,物理模型试验结果如表3所示。

3 西人工岛南侧护岸物理模型试验结果

西人工岛北侧护岸:25t扭工块;顶标高6.500m,戗台标高3.000m,宽8.0m;在极端工况300年高水位3.82m、设计工况100年高水位3.47m条件下,物理模型试验结果如表4所示。

4 西人工岛北侧护岸物理模型试验结果

2.4排洪、漫滩情况

多数越过高程8.000m挡浪墙顶部的水体流入或泼落进挡浪墙后方宽度2.0m的排水明沟中,并顺着排水明沟流入4座越浪泵房内,排水明沟中无水体漫溢现状,排水泵房可及时排洪;偶遇大浪作用时,水体会直接越过直线段排水明沟并作用于排水明沟后方顶高程5.000m的路面,从而在排水明沟和后方顶高程5.400m的道路之间形成溅水区域,溅过水体的最大厚度约0.15m

波浪持续作用2.5h(原型)后,人工岛中间部位护岸对应的溅水区域面积最大,其沿护岸方向的长度共达到约139m,垂直于护岸方向最远达9m。溅水最远到达排水明沟后方高程5.400m的迎浪侧环岛匝道前,但是环岛匝道位置未出现漫滩。

西人工岛北侧护岸在300年一遇高水位、300年一遇的E向波浪以及100年一遇高水位、100年一遇的正向波浪作用时,护岸顶部无越浪;大部分构件的应力比集中在00.1,具有足够的安全储备。

2.5原设计标准下波浪物理模型试验验证结果

上述西人工岛断面和整体物理模型试验的结果表明:在原设计波浪要素维持不变的条件下,西人工岛护岸结构稳定,而且完全满足越浪设防标准。与此同时,宽度2.0m的排水明沟满足及时排水要求,可有效防止隧道遭遇水淹的风险。

3假定更极端工况下隧道人工岛施工图设计物理模型试验

3.1假定更极端工况

在按原“双三百”标准计算确定的设计高水位基础上提高30cm,累计频率所对应的波高1%H13%H和平均周期试验值的基础上提高了10%,作为假定更极端工况物理模型试验的输入条件。

假定更极端工况西人工岛南侧护岸补充复核工况试验波浪要素(按照原“双三百”的数据提高10%)如下:补充复核工况1(水位为4.12m)1%H6.49m13%H4.82mT11.5s

假定更极端工况西人工岛北侧护岸补充复核工况试验波浪要素(按照原“双三百”的数据提高10%)如下:补充复核工况1(水位为4.12m)1%H5.40m13%H3.92mT6.5s

3.2物理模型试验

3.2.1护面块体的稳定性

根据波浪断面物理模型试验结果,在补充工况潮位和波浪要素的作用下,5t扭工字块体护面处于稳定状态;300500kg块石棱体及100200kg块石护底未出现明显变形,断面各部位均处于稳定状态。

3.2.2挡浪墙稳定性

根据波浪断面物理模型试验结果,在补充工况潮位和波浪要素的作用下,挡浪墙结构处于稳定状态。

3.2.3防浪排洪效果

根据西人工岛波浪整体物理模型试验,在补充复核工况的正向波浪作用下,西人工岛南侧护岸全线越浪,发生连续水体越过挡浪墙顶部的频率约为15%,其中护岸最大上水高度为1.8m左右,护岸中间直线段的单宽平均越浪量为0.0170.021m3/(m·s)。在补充复核工况的正向波浪作用下,高程8.000m的挡浪墙顶部越浪情况较显著,4座越浪泵房同时运行并按最大排水流量(原型2640L/s)进行排水,但越浪泵房在大浪情况下仍然无法及时排出越浪水体,在此情况下宽度2.0m的排水明沟已经不能满足及时排水的要求。

现场观测发现,大浪作用时,迎浪侧宽度2.0m的排水明沟以及深度5.0m的泵房被越过高程8.000m挡浪墙的水体灌满,越浪水体来不及向两侧越浪泵房流动便漫溢出排水明沟并在其后方形成漫滩。漫滩水体越过顶高程6.000m的迎浪侧环岛匝道挡墙、经过环岛匝道并继续向人工岛的被浪侧方向漫延;被挡坎包围的迎浪侧环岛匝道内被漫滩水体灌满,并且迎浪侧环岛匝道内的漫滩水体会漫延至人工岛中央的主干道位置。波浪持续作用2.5h(原型)后,由于越浪水体不能被及时排出,整个人工岛顶面漫滩情况严重。

西人工岛北侧护岸的直线段护岸顶部明显越浪,水体中伴有大量掺气,但越浪总水量不大,曲线段护岸位置以溅浪为主。护岸中间直线段单宽平均越浪量为2.32×10-3m3/(m·s),最大上水高度为0.5m左右。

3.2.4物理模型试验结果

物理模型试验结果表明:西人工岛南侧护岸在补充复核工况条件下,越浪量不能满足防洪设防标准,人工岛上水体漫滩情况严重,隧道被淹的几率大幅上升。

4各种优化方案及相应波浪物理模型试验结果

在补充复核工况条件下,西人工岛南侧护岸原设计断面的越浪量已经不能满足要求。因此,考虑以下几种措施优化护岸断面,以期控制越浪量,进一步提高隧道人工岛防水淹的抗风险能力。

4.1断面物理模型试验结果

不同戗台宽度的护岸断面,在补充工况作用下,挡浪墙、5t扭工字块体护面、300500kg块石棱体、100200kg护底块石均处于稳定状态。

随着戗台宽度的加宽,戗台的消浪效果变得更好,挡浪墙顶部的越浪程度有所减弱,越浪频率也有所降低。

补充复核工况在挡墙高程8.500m、水位4.12m条件下,物理模型试验结果如表5所示。

5 补充工况下物理模型试验结果

4.2整体物理模型试验结果

西人工岛南侧护岸断面的优化主要有两种方向:抬高挡浪墙顶标高和加宽戗台的宽度,形成了以下4种优化方案。

1)挡墙高程8.500m,戗台宽度12.0m工况单宽平均越浪量0.0110.012m3/(m·s),排水及时,未设置挡坎,岛内形成大面积漫滩;设置挡坎后,迎浪侧环岛匝道内漫滩水体深度约0.2m,岛中央主干道位置无漫滩。

2)挡墙高程9.000m,戗台宽度12.0m工况单宽平均越浪量(4.505.85)×10-3m3/(m·s),排水及时,设置挡坎后,迎浪侧环岛匝道内无明显深度的漫滩水体,岛中央主干道位置无漫滩。

3)挡墙高程8.500m,戗台宽度15.5m工况单宽平均越浪量(7.318.87)×10-3m3/(m·s),排水不及时,设置挡坎后,迎浪侧环岛匝道内无明显深度的漫滩水体,岛中央主干道位置无漫滩。

4)挡墙高程8.500m,戗台宽度19.0m工况单宽平均越浪量(5.06.0)×10-3m3/(m·s),排水及时,考虑挡坎作用后,迎浪侧环岛匝道内无明显深度的漫滩水体,岛中央主干道位置无漫滩。

上述试验结果表明,采用9.0m高挡浪墙+12.0m宽戗台方案及+8.5m高挡浪墙+19.0m宽戗台方案均可提高护岸断面的防浪效果,在复核工况条件下,岛内漫滩水体较少,且环岛截洪渠具备较及时的排洪能力。

物理模型试验建议对西人工岛护岸采取以下优化措施:维持南侧护岸3.0m处消浪戗台12m的宽度,调整挡浪墙顶高程至不低于9.000m

5隧道人工岛安全与稳定总体风险对策

根据对人工岛物理模型试验的研究成果,经邀请国内外行业内专家咨询并综合论证,提出以下意见和建议。

1)综合考虑今后100年海平面上升、近几年强台风的增多以及今后可能出现的极端天气等因素,设计在现有300年一遇高水位+300年一遇波浪的基础上将高水位提高30cm、有效波高增加10%,作为设计校核水位和波浪要素是合适的。

2)波浪物理模型试验表明,在原设防标准和设计波要素工况下,施工图设计方案可满足要求。为进一步研究更恶劣气象事件发生时对人工岛越浪量、排洪措施能力,对两种工况条件下人工岛设计指标进行了相应的物理模型试验,试验结果表明原施工图设计的越浪量、排洪能力均不能满足要求。

3)物理模型试验比较了挡浪墙加高、挡浪墙加高+肩台加宽组合方案,补充复核工况提出的挡浪墙加高方案更具经济性和可操作性,建议采取加高挡浪墙作为设计变更的技术措施。

4)综合考虑物理模型试验未考虑风对越浪量的影响、人工岛景观因素等,建议人工岛挡浪墙在原设计基础上增高1.01.5m,但人工岛南、北侧挡浪墙标高应有所区别;西人工岛岛头防浪块体建议由5t调整为8t

作者:王彦林,闫禹

转自:《施工技术》

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