陸豐海洋基地碼頭工程防波堤平面布置

彭于軒，嚴晨宇，王世俊，馮海波

(1.中交四航局港灣工程設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.廣東省海岸與島礁工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006；3.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

在全面落實國家“十三五”規(guī)劃、強力推進可持續(xù)綠色經(jīng)濟發(fā)展的大背景下，作為可再生能源開發(fā)利用的重要組成部分，風電場建設(shè)進入快速發(fā)展期。與陸上風電相比，海上風電憑借其占用土地資源少、對周邊環(huán)境影響小、發(fā)電效率較高等優(yōu)勢[1]，近年來發(fā)展迅速，海上風電生產(chǎn)與運維基地也應運而生[2]。

防波堤作為海上風電生產(chǎn)與運維基地碼頭工程的屏障，其布置應科學合理。眾多學者對防波堤平面布置進行了深入研究，包括數(shù)值模擬及整體物理模型等，研究因素包括防波堤的軸線走向和長度[3-5]，以求港內(nèi)獲得優(yōu)良的掩護效果、更多的作業(yè)天數(shù)及減少波能集中。此外，也有學者研究防波堤建設(shè)對口門流速及泥沙淤積的影響[6-7]，或通過操船模擬試驗研究防波堤口門寬度與操船安全之間的關(guān)系[8],以及從規(guī)劃布局、建設(shè)時序、初期投資及可持續(xù)發(fā)展等角度[9]論述防波堤平面布置的優(yōu)化。防波堤的布置關(guān)系到港內(nèi)泊穩(wěn)條件及投資規(guī)模。若布置不當，可能會擾亂周邊流場、惡化進出港及靠離泊條件，或增加港內(nèi)淤積帶來的維護成本，甚至導致發(fā)生大規(guī)模的海岸侵蝕或堆積等不利的岸灘演變，破壞當?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)平衡。

陸豐海洋基地位于陸豐市碣石鎮(zhèn)陸豐核電廠東北側(cè)約2 km處，總用地約145萬m2，規(guī)劃有海上風機制造配套廠區(qū)及特種運輸船舶專用碼頭。碼頭包括8 000噸級重件泊位、5 000噸級重件泊位和運維泊位各1個。工程所在海域常年風浪大，作業(yè)條件差，防波堤的建設(shè)尤為必要。

本文主要從防波堤開口方向及延伸長度2個角度，結(jié)合對應的波浪、潮流泥沙及岸灘演變數(shù)值模擬研究，對防波堤平面布置進行分析，以期提出既滿足基地近期運維能力需要、工程投資節(jié)約，又有利于港區(qū)泊位將來發(fā)展的方案性建議，同時盡量降低工程建設(shè)對所在海區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境的影響。

1 水文條件及作業(yè)標準

1.1 水文條件

1)波浪。工程所在海區(qū)波浪大，是影響本項目建設(shè)考慮的主要因素之一[10]。根據(jù)工程周邊波浪測站(圖1)全年連續(xù)觀測資料，結(jié)合工程所在地形特點，對以上測站資料進行分析、修正，得出適用于本工程的波浪玫瑰圖(圖2)。可見，工程海區(qū)常浪向為SE、次常浪向為ESE和SSE，頻率分別為35.6%，25.4%和21.1%，強浪向為S。夏季風期波向分布主要以S～SSW為主，占55%以上；冬季風期波向分布主要以E～SE為主，占90%以上。年平均波高H為1.2 m，平均周期4.8 s。

圖2 波浪玫瑰圖

2)潮流。潮流觀測資料[11]顯示，海域海流屬規(guī)則或不規(guī)則半日潮流，潮流運動形式均為較明顯的往復性流動，最大可能流速為83.5 cms。

3)泥沙。工程所在海岸屬于螺線弧形侵蝕性海岸，岸線整體以侵蝕遮蔽段方式逼近極端平衡狀態(tài)，附近無入海河流，海源來沙有限。工程處波浪動力較強，潮流作用相對較弱，存在一定的沿岸輸沙。

4)岸灘演變。根據(jù)遙感影像歷史資料比較分析及現(xiàn)場考察，工程所在海域岸線整體后退嚴重(尤其是2014—2017年，岸線后退超過100 m)，其中人為干擾顯著(無序大肆采挖)，岸線變化遠超出自然侵蝕后退速率(工程所在老紅砂區(qū)岸灘侵蝕階地主要以高潮位附近水流淘蝕后崩塌的形式導致岸線后退，當?shù)爻毕饔幂^弱，其引起的后退速率也較低)。

1.2 作業(yè)標準

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》[12]及船廠提供部分數(shù)據(jù),工程設(shè)計船型作業(yè)標準如表1所示。

表1 作業(yè)標準

2 數(shù)值模擬

2.1 波浪模型

基于第三代海浪數(shù)值模式WAVEWATCH III建立臺風浪后報模式，風場模式采用改進的Jelesnianski經(jīng)驗風場模型NCEP再分析風場相結(jié)合的方式；在充分驗證的基礎(chǔ)上，對1986—2017年間對工程海域可能產(chǎn)生影響的211次熱帶氣旋進行臺風浪數(shù)值后報，并統(tǒng)計、分析工程外海30 m等深線附近不同重現(xiàn)期的設(shè)計風、浪要素，為近岸波浪數(shù)學模型計算提供邊界條件。

解決中尺度空間近岸波浪計算時采用MIKE21 SW波浪模型，考慮波-波間的非線性作用、水深變化引發(fā)的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗、底摩阻引起的能量損耗、水深變化以及干濕邊界的影響、風生浪、波浪反射、繞射及淺水變形等。入射波浪采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波，計算時按砂質(zhì)海域考慮底摩擦系數(shù)的取值，根據(jù)經(jīng)驗取0.008～0.040，破碎指標取0.81。

港內(nèi)波浪計算采用MIKE21 BW波浪數(shù)學模型的2DH BW波浪模塊，模型基于Madsen和S?rensen于1992年提出的改進Boussinesq方程數(shù)值解。邊界條件為內(nèi)部造波，并采用海綿層進行消浪(入射邊界將消波層設(shè)置在波浪生成線后方)。利用孔隙層設(shè)置反射系數(shù)，其中斜坡式防波堤取值0.85。

2.2 潮流泥沙模型

潮流泥沙數(shù)值模型主要基于MIKE21 Flow Model FM模塊進行研究，計算范圍覆蓋碣石灣、甲子水域，西邊界位于遮浪角，東邊界位于甲子港，南邊界超越-30 m等深線。采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對工程及地形變化較大處進行加密，網(wǎng)格最大步長1 000 m，最小步長5 m，時間步長30 s。動邊界處理中，采用凍結(jié)法處理潮灘的干濕特征，動邊界控制水深采用5 cm，并根據(jù)已有水文測站資料對模型進行了驗證。港池航道懸沙回淤強度預測采用劉家駒公式進行計算，大風作用下的驟淤量依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》中粉砂質(zhì)海岸推移質(zhì)淤積強度計算方法進行計算，推移質(zhì)底沙中值粒徑按粉砂-細砂的粒徑0.032 0、0.062 5、0.125 0 mm選取，計算時長3 h。

2.3 岸灘演變模型

岸灘演變模型假設(shè)岸灘剖面在變形過程中保持不變，海岸泥沙運動的向岸和向海側(cè)兩條界線保持不變，等深線與岸線平行，岸灘演變簡化為剖面的前進或后退。根據(jù)沿岸輸沙質(zhì)量守恒(即認為某一段海岸中，輸入和輸出的沿岸輸沙率的差值就等于該段海岸的淤積率或沖刷率)，得出沿岸輸沙的連續(xù)方程，即岸線變形方程。忽略岸灘剖面的季節(jié)性變化，取為保持不變的平均剖面形狀；當?shù)匕毒€有一個長期的演變趨勢時，計算單向入射波條件下，月-年際時間內(nèi)、大范圍平直沙質(zhì)海岸建筑物附近岸線變化?？紤]繞過建筑物頭部的泥沙轉(zhuǎn)運和透過或越過建筑物的泥沙輸移，并假設(shè)沿岸輸沙率在橫向上分布均勻。

工程區(qū)域泥沙運動以橫向輸移為主。結(jié)合岸線模型自身的特點，以工程為中心，模擬區(qū)域為矩形，外邊界在-18 m等深線附近，垂直岸線方向?qū)捈s1.2 km，平行岸線方向長約3.2 km。波浪邊界條件由大尺度風浪場提供，并考慮近岸風浪傳播、波浪破碎及波生流。泥沙粒徑以岸灘采樣泥沙顆分結(jié)果為基礎(chǔ)。

3 防波堤平面布置分析

3.1 開口方向

工程所在SE向為常浪向，近期泊位需求數(shù)量、投資有限且本項目特種船型使用天數(shù)及對泊穩(wěn)條件要求不一，防波堤暫不考慮SE向開口的環(huán)抱式布置方式。根據(jù)岸線生態(tài)保護要求，防波堤設(shè)置為離岸式，距離海陸分界線150 m?？紤]到海岸走向近似為SW～NE，常浪向為SE及碼頭所在位置水深及地形特點(后方基地陸域位置已定)，口門方向考慮為近似SW向開口及近似NE向開口兩種情況(圖3)。對開口方向影響的因素主要有：泊穩(wěn)條件、港內(nèi)極端波浪荷載、對現(xiàn)有流場的影響、泥沙運動方式的變化、岸灘演變及遠期發(fā)展空間等。

圖3 防波堤平面布置方案

3.1.1泊穩(wěn)條件

由表2可見，2個方案泊位處的2 a一遇H4%均超過作業(yè)標準要求。從波浪影響作業(yè)天數(shù)考慮，西南開口泊穩(wěn)條件更好；從延長相同長度帶來的收益考慮，東北開口方向延長以后泊穩(wěn)條件改善更明顯。

表2 港內(nèi)2 a一遇波高及不可作業(yè)天數(shù)對比

可見，在相同的防波堤長度條件下，東北開口方案港內(nèi)2 a一遇波高相對較小，但波浪影響作業(yè)天數(shù)明顯多于西南開口方案?？傮w而言，西南開口方案港內(nèi)泊穩(wěn)條件更好，工程代價更小。但是，東北開口1#泊位波浪影響作業(yè)98 d，是根據(jù)運維船作業(yè)標準(橫浪0.4 m，周期小于6 s)進行考慮的，根據(jù)運量分析該船年需作業(yè)時間僅為200 d，1#泊位運營需求已滿足。因此，東北開口方案也可接受。

3.1.2極端波浪荷載

工程海域強浪向為S向，根據(jù)岸線走向及防波堤圍護特點，防波堤SW向開口條件下，波浪從S向入射時，不僅邊界值大，繞射衰減也更小，根據(jù)計算結(jié)果(表3)，西南開口泊位波高比東北開口大70%～100%，碼頭承受波浪荷載須特別考慮?？傮w而言，防波堤西南開口條件下，港內(nèi)泊位處極端情況波高值更大。

表3 港內(nèi)極端波高對比

3.1.3潮流及泥沙條件

1)流場。工程實施引起的流態(tài)變化主要位于防波堤附近水域，表現(xiàn)為漲落潮水流在流經(jīng)防波堤時產(chǎn)生小范圍的繞流，港池內(nèi)流速大幅減弱，距離防波堤位置較遠水域水流流態(tài)基本不變?？傮w而言，各方案變幅均在±0.1 ms以內(nèi)，差別不大。圖4為東北、西南開口方案與現(xiàn)狀工況下夏季漲急流態(tài)對比。

圖4 2種開口方案與工程前的夏季漲急流態(tài)對比

2)常年淤積。港池和航道開挖后的泥沙回淤包括懸移質(zhì)引起的淤積和推移質(zhì)引起的淤積兩部分。擬建工程位于甲子海域近岸區(qū)域，工程后防波堤能夠阻擋水域大部分來沙，因此防波堤內(nèi)以懸沙為主進行回淤估算。根據(jù)劉家駒公式[13]，對各方案常年淤積厚度進行計算，結(jié)果見表4。

表4 不同方案條件下常年回淤計算結(jié)果

工程海域含沙量低，防波堤及碼頭均為離岸式，各方案港內(nèi)水動力條件類似，泥沙整體以橫向運動為主，常年淤積量不大，且各方案差異較小。

3)驟淤。泥沙驟淤計算依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》中粉砂質(zhì)海岸推移質(zhì)淤積強度計算方法。推移質(zhì)底沙中值粒徑按粉砂-細砂的粒徑0.032 0、0.062 5、0.125 0 mm進行計算，計算時長3 h。一次大風情況下，不同方案條件下50 a一遇及2 a一遇波浪產(chǎn)生的驟淤強度見表5。根據(jù)不同方案泥沙驟淤的結(jié)果對比分析可知，西南開口向方案航道驟淤淤強更小。

表5 各方案工程后不同粒徑底沙驟淤結(jié)果 m

根據(jù)潮流泥沙數(shù)學模型結(jié)論可知，防波堤開口方向在流場變化及港內(nèi)泥沙淤積上并未引起較大的區(qū)別。流場影響范圍有限，均表現(xiàn)為港池及航道流速減小、防波堤堤頭(離岸較近的堤頭)與岸線缺口處流速略微增大；港內(nèi)淤積以懸沙淤積為主，由于當?shù)睾沉枯^少，碼頭及港池離岸有一定距離，淤積強度不大，差異主要表現(xiàn)在航道驟淤，南開口有相對優(yōu)勢(驟淤更少)?？傮w而言，相比波浪條件差異程度，潮流泥沙因素對于開口方向的判定影響比重更小。

3.1.4岸灘演變條件

工程所在海岸為華南沿海典型的弧形海岸切線岸段[14-15]，現(xiàn)階段呈現(xiàn)侵蝕狀態(tài)。海岸演變主要由波浪動力控制，潮汐動力相對較弱。泥沙輸運以橫向輸沙為主，年均縱向輸沙量約10萬m3，凈輸沙方向為NE～SW向。

根據(jù)計算結(jié)果，東北開口方案條件下，防波堤堤頭在岸線垂直投影以南側(cè)發(fā)生一定的淤積，淤積范圍在188～336 m，最大淤積寬度36 m；在堤頭投影以北相鄰區(qū)域發(fā)生沖刷，最大沖刷寬度20 m，沖刷范圍在616～868 m。在1#泊位引橋根部發(fā)生一定程度的淤積，岸線最大淤積寬度41 m，縱向淤積長度在130～216 m。2#碼頭南側(cè)突堤根部亦發(fā)生一定程度淤積，淤積寬度在33～46 m，縱向淤積長度在230～386 m，南側(cè)岸段略有沖刷后退，最大沖刷寬度12.6 m，縱向沖刷長度在450 m左右,見圖5 a)。

在西南開口條件下，防波堤堤頭在岸線垂直投影以北側(cè)發(fā)生一定的淤積，淤積范圍大致在100 m以內(nèi)，最大淤積寬度22 m；在堤頭投影以南相鄰區(qū)域發(fā)生沖刷，最大沖刷寬度約13 m，沖刷范圍在480～510 m。在1#泊位引橋以北區(qū)域有一定程度的淤積，岸線最大淤積寬度18 m，縱向淤積長度在130 m以內(nèi)。南側(cè)岸段局部沖刷，岸灘沖刷縱向長度在510 m以內(nèi)，最大沖刷寬度4.7 m，見圖5b)。

圖5 2種方案岸灘演變

在東北開口防波堤方案的影響下，擬建工程所在岸線將向平衡岸線形態(tài)調(diào)整。對于1#碼頭東北側(cè)岸線，在防波堤掩護下，入射波浪發(fā)生繞射折射，掩護范圍內(nèi)岸線及引橋接岸附近岸線淤積，淤積區(qū)以北側(cè)岸線發(fā)生侵蝕。與西南開口方案相比，東北側(cè)開口方案入射波浪折射繞射影響更為顯著，導致岸灘橫向沖淤寬度和縱向沖淤幅度更大。西南開口方案對現(xiàn)有岸線造成的影響較小，采用東北開口方案時須對更大范圍的岸灘采取保護措施。

3.1.5遠期發(fā)展空間

目前工程后方陸域廠區(qū)布置和碼頭位置已定，在上述既定的基礎(chǔ)上對防波堤平面布置進行研究(圖6)。

圖6 工程海區(qū)地形

從陸域上看，碼頭往西南方向至下岬角距離較近，結(jié)合水深測圖、工程進出港航道平面尺度要求及已規(guī)劃岸線等分析，工程遠期往西南側(cè)發(fā)展空間相對有限，未來廠區(qū)以往東北側(cè)發(fā)展為主。在此條件下，若防波堤開口方向朝西南，工程擴建所需范圍較大、遠期東北側(cè)需要增加泊位時，須另設(shè)防波堤，形成雙港池。形成雙港池時，2個港池不相互連通，船舶使用不便。若開口朝北，防波堤可根據(jù)實際需要分期延長，到發(fā)展后期可從東北側(cè)遠端另設(shè)防波堤并向西南向圍護，與已建防波堤共同形成環(huán)抱狀，圍成一個大型港池，或在需要的位置設(shè)置適宜數(shù)量的攔沙堤，港內(nèi)淤積問題將可得到解決。

總體而言，從遠期發(fā)展的角度看，東北開口方案更有利。

3.2 防波堤延伸的影響因素

3.2.1泊穩(wěn)條件

防波堤延長280 m后，港內(nèi)波高減小約30%，盡管2 a一遇波高未達設(shè)計船型泊穩(wěn)要求，但波浪影響作業(yè)天數(shù)已大大減少，其中東北開口方案延長后優(yōu)化效果明顯。從已有計算結(jié)果及泊穩(wěn)要求上看，碼頭的作業(yè)需求尚能滿足，工程實施后可根據(jù)實際需要(作業(yè)天數(shù)要求或泊位增加)進行相應的延長或調(diào)整(表6)。

表6 各方案港內(nèi)2 a一遇波高及不可作業(yè)天數(shù)對比

3.2.2極端波浪荷載

在防波堤不延長的條件下，防波堤西南開口時港內(nèi)泊位波高比東北開口大70%～100%。將防波堤長度各延長280 m后，增大值差距縮小至25%～70%。因此，在選擇將防波堤開口方向取西南時，碼頭受波浪作用更強，結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性要求更高(表7)。

表7 各方案港內(nèi)極端波高對比

3.3 綜合建議

3.3.1開口方向

若考慮預留更多的擴建空間及分期建設(shè)便利性，建議防波堤開口為東北方向，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)泊位擴建需求并結(jié)合實際使用情況，逐步延長防波堤，使其能滿足港內(nèi)泊穩(wěn)要求。同時對港內(nèi)侵蝕岸線及時采取削坡養(yǎng)灘，或在適宜的位置設(shè)置丁壩等整治措施，降低對自然岸線造成的不利影響。

若未來擴建需求不足，防波堤采用西南開口方案時，在獲得同等的作業(yè)天數(shù)條件下需要付出的工程投資更少，對海洋環(huán)境造成的影響更小。

3.3.2延伸長度

從已有的計算結(jié)果、近期海洋基地泊位泊穩(wěn)條件需求看，無論是東北開口還是西南開口，防波堤目前均不需要延長。未來擴建泊位、延長岸線時，則須對掩護較差岸段重新進行泊穩(wěn)條件評估，并根據(jù)評估結(jié)論對防波堤長度進行適度延長。

綜上所述，考慮預留更多的擴建空間及分期建設(shè)便利性，在滿足當前碼頭營運需求的情況下，建議采用東北開口且不延長防波堤的方案，并對受影響岸段輔以相應的岸灘整治措施。

4 結(jié)語

1)防波堤平面布置應結(jié)合當?shù)厮臈l件、數(shù)值模擬結(jié)論、工程建設(shè)需求及對海洋生態(tài)環(huán)境影響等因素綜合考慮，分析防波堤不同開口方式的利弊及防波堤適宜長度。

2)考慮預留更多的擴建空間及分期建設(shè)便利性時，建議防波堤朝東北開口，并輔以相應的岸灘整治措施。

3)防波堤西南開口方案泊穩(wěn)條件更好，對周邊海岸影響更少,但未來擴建便利性不足，建議在評估得出港區(qū)未來擴建需求不足后考慮采用。

4)當前方案防波堤長度滿足近期可作業(yè)天數(shù)需求，遠期則根據(jù)使用需求變化適度延長。

5)從已有計算結(jié)果看，防波堤根部接岸與否，對港內(nèi)泊穩(wěn)條件及極端波浪荷載影響不大。由于港區(qū)海域懸沙含量較小，防波堤根部離岸條件下港內(nèi)淤積強度不大。對于防波堤接岸與否對周邊岸灘演變帶來的影響，值得深入研究。