基于數(shù)學(xué)模型分析的人工環(huán)抱型港口防波堤平面布置研究

■陳志冰

（福建省港航勘察設(shè)計(jì)院，福州 350002）

人工環(huán)抱型港口是指依托自然海岸通過建造兩側(cè)環(huán)抱式的防波堤形成的人造海灣的方式，具有掩護(hù)條件好，投資大等特點(diǎn)，適用于缺少天然掩護(hù)、水域開闊或?yàn)捤疁\、泥沙運(yùn)動(dòng)活躍的海岸。建港條件良好的天然海灣和深水岸線日漸匱乏，特別是在寬灘海岸的條件下建設(shè)大型港區(qū)，這種人工建造的環(huán)抱式港區(qū)被越來(lái)越多地采用[1]。

1 項(xiàng)目背景

泉州灣港區(qū)錦尚作業(yè)區(qū)位于福建省東南沿海，臺(tái)灣海峽西岸，泉州市東南晉江下游濱海的錦尚灣，北接泉州灣，南鄰深滬灣。

目前，泉州灣港區(qū)錦尚作業(yè)區(qū)北部碼頭區(qū)現(xiàn)有已建鴻山熱電廠煤碼頭，南部碼頭區(qū)已建成#1泊位（3.5萬(wàn)噸級(jí)通用泊位）、#2泊位 （2萬(wàn)噸級(jí)通用泊位）和#3泊位（5000噸級(jí)通用泊位），形成港區(qū)面積21.07萬(wàn)m2。南部碼頭區(qū)目前在建#4泊位（1.5萬(wàn)噸級(jí)通用泊位）。

隨著泉州市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)以及后方臨港產(chǎn)業(yè)對(duì)散雜貨運(yùn)輸?shù)男枨?，加快錦尚作業(yè)區(qū)的開發(fā)建設(shè)是必然的趨勢(shì)。錦尚作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)期岸線規(guī)劃作為泉州灣港區(qū)近期建設(shè)重點(diǎn)岸段，規(guī)劃建設(shè)#7、#8和#9三個(gè)大型專業(yè)化深水泊位（#7泊位規(guī)劃為10萬(wàn)噸級(jí)散貨泊位，#8和#9泊位規(guī)劃為5萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位），但泊位前水域?qū)掗?，直接受外海波浪作用，?duì)規(guī)劃泊位水工建筑物、港內(nèi)船舶泊穩(wěn)條件影響均較大。

因此，泉州灣港區(qū)防波堤一期工程的建設(shè)對(duì)整個(gè)錦尚作業(yè)區(qū)的發(fā)展有重要的作用，且迫在眉睫。本次擬建工程位于福建省鴻山熱電廠煤碼頭工程西南側(cè)海域，以及已建泉州灣港區(qū)錦尚作業(yè)區(qū)#1泊位和#2泊位南側(cè)海域。

2 自然條件

（1）風(fēng)況

本海區(qū)的常風(fēng)向?yàn)镹E向，統(tǒng)計(jì)頻率為18%，次常風(fēng)向?yàn)镋NE向，統(tǒng)計(jì)頻率為12%；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE向，統(tǒng)計(jì)頻率為12%。風(fēng)玫瑰圖如圖1所示：

圖1 晉江站風(fēng)玫瑰圖（1990-2010）

（2）水文

1)基準(zhǔn)關(guān)系

本文高程基準(zhǔn)面采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫c其他基準(zhǔn)面的換算關(guān)系如圖2所示：

圖2 各基面間的換算關(guān)系圖

2)設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位6.22m；

設(shè)計(jì)低水位0.51m；

極端高水位7.43m（重現(xiàn)期50年一遇）；

極端低水位-0.40m（重現(xiàn)期50年一遇）。

3)波浪

本海區(qū)全年風(fēng)浪常浪向?yàn)镹NE向，頻率為27%，其次是NE向，頻率為26%，再者就是SSW和ENE向，頻率分別為11%和8%，其余各浪向頻率不超過5%。風(fēng)浪向的季節(jié)變化特別明顯，冬、秋季以NNE向?yàn)橹?，頻率分別為41%和43%；春季以NE向?yàn)橹?，頻率為27%；夏季則以SW向?yàn)橹?，頻率為37%。風(fēng)浪向年內(nèi)變化明顯，10月至翌年2月盛行NNE向浪；3月至5月和9月盛行NE向浪；6月至8月則盛行SSW向浪。全年的涌浪向主要出現(xiàn)在E～SW向范圍內(nèi)，其中以SE向?yàn)橹鳎鄳?yīng)頻率為66%，其次是SSE向，頻率為17%，其余各向涌浪出現(xiàn)頻率均不超過5%。涌浪向的季節(jié)變化很小，冬、春、秋三季均以SE向浪為主；夏季以SSE向?yàn)橹?。一年之中，?月至翌年6月均盛行SE向浪，7、8月兩個(gè)月盛行SSE向浪。

本海區(qū)多年平均波高為0.9m，平均波高的年變幅很小，從6月始至11月逐月增大（0.9m～1.1m），12月始至年5月逐月減?。?.0m～0.7m），年變幅僅0.4m。實(shí)測(cè)最大波高（H1%）為6.5m（SE向），出現(xiàn)于1973年7月3日。歷年實(shí)測(cè)最大波高在4.0m～5.0m左右。每年的6月至10月處于臺(tái)風(fēng)影響的季節(jié)，月最大波高多數(shù)在2.0m～4.0m。波玫瑰圖如圖3所示：

4)潮流

由測(cè)流資料可知，測(cè)區(qū)水域流速隨大小潮汛的更迭，流速值呈規(guī)律性增減；測(cè)區(qū)水域流速總體體現(xiàn)為漲潮流大于落潮流；海流流速基本上體現(xiàn)了由近岸往外海減弱的趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)潮流資料分析，擬建工程海域的可能最大潮流流速為0.91m/s。

3 平面布置

（1）平面布置方案

錦尚作業(yè)區(qū)最終將形成人工環(huán)抱型港口，東南側(cè)開口作為進(jìn)入港灣的主通道。港灣口門寬度的確定既要保證港內(nèi)水域有良好的掩護(hù)條件，同時(shí)也應(yīng)滿足進(jìn)出港船舶安全通航要求。工程平面布置圖如圖4所示：

圖3 崇武海洋站波玫瑰圖（1982）

圖4 工程平面布置圖

1）口門處航道寬度

①口門航道規(guī)模

結(jié)合港區(qū)規(guī)劃規(guī)模及船型預(yù)測(cè)，錦尚作業(yè)區(qū)規(guī)劃進(jìn)港航道規(guī)模需要滿足10萬(wàn)噸級(jí)散貨船通航要求；同時(shí)結(jié)合錦尚作業(yè)區(qū)港內(nèi)總體規(guī)模，口門航道規(guī)模確定為10萬(wàn)噸級(jí)單向航道。

②口門航道寬度

按《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，航道有效寬度由航跡帶寬度A、船舶間富裕寬度b和船舶與航道底邊的富裕寬度c組成，單向航道有效寬度按下式計(jì)算：

單向航道：W=A+2c

經(jīng)計(jì)算，口門航道有效寬度計(jì)算結(jié)果為236.05m，取240m。

2）遠(yuǎn)期航道設(shè)計(jì)水深

按《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，航道通航水深D0、設(shè)計(jì)水深D分別按下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，航道設(shè)計(jì)水深取值17.0m。另根據(jù)乘潮水位，乘潮歷時(shí)2h，乘潮保證率90%的乘潮水位為4.8m，航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為4.8-17.0=-12.2m。

3）防波堤口門寬度

①口門有效寬度B0取值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，垂直于航道方向的防波堤口門有效寬度B0應(yīng)為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)的1～1.5倍船長(zhǎng)。參考日本《港口建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，防波堤口門有效寬度一般采取與航道同寬。參照以上標(biāo)準(zhǔn)，推薦防波堤口門有效寬度取1.0倍船長(zhǎng)，即B0=250m。

②口門有效寬度底邊線至防波堤的距離d0

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，防波堤口門有效寬度底邊線至防波堤的距離d0應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及安全要求來(lái)確定。本工程口門處灘面標(biāo)高約為-11m～-13m，疏浚邊坡1∶7，超寬6m。綜合堤頭斷面結(jié)構(gòu)、護(hù)底長(zhǎng)度、挖槽與護(hù)坡的安全距離、挖槽疏浚超寬和疏浚邊坡等因素，并考慮到口門處水流會(huì)有局部紊流出現(xiàn)，而且航道區(qū)口內(nèi)和口外側(cè)流態(tài)會(huì)發(fā)生一定改變，為減少對(duì)口門附近船舶航行的影響，d0取 90m。

③垂直于航道方向的口門寬度BS

垂直于航道方向的 口門 寬度 BS=B0+2×d0，B0取250m，d0取 90m，垂直于航道方向的口門寬度 BS為430m，本階段口門寬度取568m。

（2）研究?jī)?nèi)容

采用波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算，分析泉州港錦尚作業(yè)區(qū)港區(qū)規(guī)劃防波堤平面布置方案和碼頭的設(shè)計(jì)波要素以及錦尚作業(yè)區(qū)港內(nèi)波浪條件，為港區(qū)最終平面布置的確定提供優(yōu)化依據(jù)。

（3）研究方案

1）北側(cè)防波堤平面布置方案

目前港區(qū)北側(cè)為電廠煤碼頭及引堤，本工程北側(cè)防波堤考慮在現(xiàn)有電廠煤碼頭南側(cè)端部位置進(jìn)行延伸。根據(jù)規(guī)劃，電廠規(guī)劃煤碼頭二期工程建設(shè)規(guī)模為10萬(wàn)噸散貨泊位。考慮不影響后期規(guī)劃泊位的建設(shè)，本次北側(cè)防波堤接岸位置定在煤碼頭防浪墻外側(cè)。根據(jù)北側(cè)防波堤堤軸線的方位不同布置了兩個(gè)平面方案，分別為PN1和PN2。兩個(gè)方案的具體描述如下：

方案PN1：新建北側(cè)防波堤起點(diǎn)位于已建防波堤外側(cè)擋浪墻NF1點(diǎn)，北側(cè)防波堤軸線方向與已建防波堤軸線方向夾角為19°，北側(cè)防波堤長(zhǎng)度約為500m。

方案PN2：新建北側(cè)防波堤起點(diǎn)位于已建防波堤外側(cè)擋浪墻NF1點(diǎn)，北側(cè)防波堤軸線與已建防波堤軸線方向平行，防波堤長(zhǎng)度約為500m。

方案綜合比較：兩個(gè)方案實(shí)施后港內(nèi)7～9號(hào)碼頭前波高比無(wú)北堤情況減小20%～35%，在對(duì)港內(nèi)波浪掩護(hù)方面均較好。泥沙回淤規(guī)律一致，處于同一量級(jí)。對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響方面，兩方案的差異主要在局部流態(tài)，對(duì)大范圍流場(chǎng)均不造成影響。錦尚灣平均漲落潮進(jìn)出潮量較工程前減少14.7%～14.9%。防波堤外挑幅度更大些，對(duì)流速的影響范圍也大一些，較內(nèi)側(cè)方案沿西南-東北流路方向流速進(jìn)一步減小0.01～0.1m/s，外海側(cè)潮流受擠壓流速進(jìn)一步增加0.01～0.05m/s。港池航道水流條件方面，口內(nèi)為緩流區(qū)，流態(tài)平順，流向與港池航道走向基本一致。

口門處漲潮流與進(jìn)港航道基本垂直，落潮流與進(jìn)港航道交角為 1°-9°-56°，愈往外側(cè)交角愈大，對(duì)落潮流的掩護(hù)外挑方案比內(nèi)側(cè)方案略好。

2）南側(cè)防波堤平面布置方案

南側(cè)防波堤方案結(jié)合錦尚作業(yè)區(qū)的遠(yuǎn)期規(guī)劃平面布置方案，擬建南側(cè)防波堤起點(diǎn)位于已建錦尚作業(yè)區(qū)陸域西南側(cè)端點(diǎn)。南側(cè)防波堤布置了三個(gè)平面方案，主要區(qū)別在于南側(cè)防波堤外側(cè)堤軸線為直線、曲線或者折線。三個(gè)方案的具體描述如下：

方案PS1：南側(cè)防波堤起點(diǎn)為華錦碼頭陸域西南側(cè)端部，防波堤總長(zhǎng)為2265.6m，分為三段，第Ⅰ段為西北-東南向的直線段，方位角為 135°～315°，長(zhǎng)約 933.0m；第Ⅱ段為西南-東北走向的直線段，方位角為58°～238°，長(zhǎng)約1131.1m以及第Ⅰ段和第Ⅱ段的圓弧連接段，半徑為150m，弧長(zhǎng)為201.5m。

方案PS2：南側(cè)防波堤起點(diǎn)與方案ps1一致。防波堤總長(zhǎng)為2252.4m，分為5段，第Ⅰ段為西北-東南走向的直線段，方位角為 315°～135°，長(zhǎng)約 908.4m；第Ⅱ段為西南-東北向的直線段，長(zhǎng)約 349.6m，方位角為 225°～45°；第Ⅲ段為Ⅰ段和Ⅱ段的圓弧連接段，半徑為150m，弧長(zhǎng)為235.6m；第Ⅳ段為Ⅲ段和Ⅴ段的圓弧連接段，半徑為1000m，弧長(zhǎng)為489.4m；第Ⅴ段為直線段，方位角為73°～253°，長(zhǎng)度為 269.4m。

方案PS3：南側(cè)防波堤起點(diǎn)與方案ps1一致，防波堤總長(zhǎng)為2246m，分為三段，均為直線段。第Ⅰ段為西北-東南走向，方位角為 315°～135°，長(zhǎng)約 1058.4m；第Ⅱ段為西南-東北走向，方位角為 225°～45°，長(zhǎng)度為 867.6m；第Ⅲ段為第Ⅱ段形成折角，方位角為253°～73°，長(zhǎng)度為320m。

方案綜合比較：三個(gè)方案均對(duì)港內(nèi)波高影響很小，泥沙回淤之間沒有差別。方案的差異主要在局部流態(tài)，對(duì)大范圍流場(chǎng)均不造成影響。錦尚灣平均漲落潮進(jìn)出潮量較工程前減少14.4%～14.9%。方案之間差別很小，影響僅在工程局部區(qū)域?？趦?nèi)為緩流區(qū)，流態(tài)平順，流向與港池航道走向基本一致；口門處漲潮流與進(jìn)港航道基本垂直，落潮流與進(jìn)港航道交角為1°-9°-56°，愈往外側(cè)交角愈大。方案之間沒有差別。

（4）研究結(jié)論

通過北側(cè)防波堤兩個(gè)平面布置方案的綜合對(duì)比，同時(shí)考慮盡可能不影響鴻山熱電廠二期碼頭的實(shí)施，本工程北側(cè)防波堤平面布置方案推薦方案PN1。

南側(cè)防波堤外側(cè)軸線的布置，對(duì)港內(nèi)波浪情況、水動(dòng)力條件以及航道港池的水流條件的影響區(qū)別不大，但考慮到南側(cè)防波堤外側(cè)軸線折線與曲線布置會(huì)造成波能集中，同時(shí)考慮堤軸線的平順銜接，南側(cè)防波堤推薦平面方案PS1。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上北側(cè)防波堤2個(gè)平面布置方案的比選和南側(cè)防波堤3個(gè)平面布置方案的比選結(jié)果，最終確定了本工程防波堤的平面走向布置方案，具體方案描述如下。

擬建北側(cè)防波堤接岸位置定在煤碼頭外側(cè)防浪墻NF1點(diǎn)。自NF1點(diǎn)起，沿東南方向延伸至NF2點(diǎn)（北側(cè)防波堤端點(diǎn)），走向?yàn)?172°～352°。 北側(cè)防波堤長(zhǎng) 561.3m，堤頂寬度為22.75m。防波堤南端設(shè)置堤頭結(jié)構(gòu)，堤頭處設(shè)警示燈樁。

擬建南側(cè)防波堤起點(diǎn)位于已建錦尚作業(yè)區(qū)陸域西南側(cè)端點(diǎn)。自為SF1點(diǎn)，沿西南側(cè)方向延伸至SF2點(diǎn)，走向?yàn)?35°～315°，長(zhǎng)度約 933m（Ⅰ段）；自 SF2點(diǎn)向東向形成一段長(zhǎng)度為201.5m長(zhǎng)的圓弧至SF3點(diǎn)，圓弧半徑為150m（Ⅰ段和Ⅱ段圓弧連接段）；自SF3點(diǎn)向東北向延伸至SF4點(diǎn) （南側(cè)防波堤端點(diǎn)）， 走向?yàn)?56.8°～236.8°， 長(zhǎng)度約1131.1m（Ⅱ段）。南側(cè)防波堤總長(zhǎng)2265.6m，堤身段堤頂寬度為10.0m，堤頭段堤頂寬度為20.0m。防波堤?hào)|端設(shè)置堤頭結(jié)構(gòu)，堤頭處設(shè)警示燈樁。

[1]JTS165-2013，海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTS 145-2015，港口與航道水文規(guī)范[S].

[3]泉州港錦尚作業(yè)區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2016.

[4]泉州灣港區(qū)防波堤一期工程工程可行性研究報(bào)告[R].福州：福建省港航勘察設(shè)計(jì)研究院，2017.