基于性能需求的中長周期涌浪條件下島式防波堤平面布置

王君輝,林朝霞

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

國內(nèi)新建港區(qū)的開發(fā)與建設，常著眼于社會經(jīng)濟環(huán)境、統(tǒng)籌兼顧港口未來發(fā)展，因而防波堤布置通?！耙淮尾贾?、一次建成”。防波堤“一次布置、一次建成”的主要優(yōu)點是能夠形成良好的人工掩護港池，有利于后期的港區(qū)開發(fā)；缺點是前期工程投資過高、港口未來發(fā)展不確定風險大[1-2]。而在國際工程中，建設單位通常為私營(股份)公司，往往更關注項目自身的綜合效益，而不是著眼于港口綜合開發(fā)或者是港區(qū)的分期投資建設，故防波堤建設的針對性和目的性更為明確。由此，不同的國別環(huán)境、不同項目的建設單位對防波堤的性能需求不盡相同。

國內(nèi)現(xiàn)有的港口建設，大部分都位于短周期波海域，對于中長周期涌浪條件下的防波堤平面布置研究較少。另外，如何定量去分析中長周期涌浪條件下防波堤的建設滿足港口運營的性能需求，這也是港口工程建設面臨的難題。

本文依托巴基斯坦某電廠港口工程(采用工程總承包)，介紹在中長周期涌浪條件下，如何基于港口建設目的確定性能需求，進而利用數(shù)學模型確立滿足需求的標準，提出并優(yōu)化島式防波堤平面布置。該港口島式防波堤工程設計方案的形成與實施，豐富了島式防波堤工程建設案例，可為類似項目提供重要參考。

1 工程概況

為滿足巴基斯坦電力供應，降低其國內(nèi)電價成本，根據(jù)中巴經(jīng)濟走廊優(yōu)先項目框架協(xié)議，巴基斯坦某私有發(fā)電企業(yè)與某中資發(fā)電企業(yè)組成合資公司，開發(fā)建設巴基斯坦某2×660 MW燃煤發(fā)電項目，該項目位于巴基斯坦俾路支省，距離卡拉奇市區(qū)約55 km。為保證電廠所需煤炭的穩(wěn)定供給，規(guī)劃建設一個專用煤炭進口港口。

2 自然條件

2.1 氣象

本項目地處阿拉伯海北部，位于北緯25°附近，屬于干燥高溫的亞熱帶氣候，受印度洋季風影響明顯。每年5—9月為西南季風期，11月—次年3月為東北季風期，10和4月為季風轉換期。全年平均氣溫約25.3 ℃，最高氣溫達47.8 ℃。多年平均降雨量為167 mm。區(qū)域風向以SSW～W和N～ENE向為主，全年大于8 m/s以上的風速約占14%[3]，風玫瑰圖見圖1。

圖1 風玫瑰圖

2.2 潮位

工程潮汐為不規(guī)則半日潮，平均高高潮位為2.60 m(海圖基面起算，下同)，平均潮位為1.57 m，平均低低潮位為0.60 m。

2.3 波浪

根據(jù)2016年6—9月季風期實測波高數(shù)據(jù)，實測期間常浪向為SSW 向，有效波高平均值為3.13 m，有效波高最大值為5.38 m，平均周期多集中在10～14 s，最大波周期18.1 s。經(jīng)數(shù)學模型論證，8.0 m水深處，設計100 a一遇有效波高為6.16 m，設計波浪平均周期為14 s,波玫瑰圖見圖2。

圖2 波玫瑰圖

2.4 潮流

工程海域潮流旋轉流特征明顯，漲落潮流向大致與岸線走向垂直，漲落潮主要為NNE～SE 向，最大垂線平均流速小于0.3 m/s。

3 港口的性能需求

3.1 港口定位

本項目由中巴合資發(fā)電企業(yè)投資建設，港口為經(jīng)營性、非公共港。港口的主要功能是為后方電廠提供生產(chǎn)用煤，不兼顧其他需求。

3.2 設計船型

本項目煤炭運輸外海采用10萬～15萬t散貨船，至港區(qū)附近后經(jīng)由過駁平臺轉運至駁船，再經(jīng)由駁船運輸?shù)綌M建港口進行卸煤作業(yè)。根據(jù)建設單位與煤炭運輸公司協(xié)議，選用1萬t穿梭駁船，無動力方駁，1萬t駁船主要尺度為：型長110.0 m，型寬30.0 m，型深7.2 m,滿載吃水5.6 m。

3.3 港口通過能力

后方電廠設計裝機能力為2臺660 MW超臨界燃煤機組，電廠年運行時間為335 d(機組每年應停機一個月進行檢修)，電廠設計煤種為南非煤、校核煤種為印尼煤，校核煤種年煤炭消耗總量為440萬t，因而港口年通過能力應不低于440萬t。

3.4 港口年作業(yè)時間

本項目港口作業(yè)時間主要受煤場規(guī)模、燃煤消耗速率、燃煤供給速率、最低燃煤警戒限制等因素制約，電廠燃煤供給模型可按下式描述：

T堆-F消D廠+F進D港≥T安

(1)

式中：T堆為場內(nèi)儲煤規(guī)模，其值為90 d的電廠設計燃煤消耗量(巴基斯坦電力法規(guī)規(guī)定，電廠設計煤場規(guī)模為90 d)；F消為電廠設計日燃煤消耗量；D廠為電廠設計生產(chǎn)時間，取335 d(機組每年停機一個月進行檢修)；F進為港口設計日煤炭進口量；D港為港口設計生產(chǎn)時間；T安為場內(nèi)儲煤警戒規(guī)模，其值為7 d的電廠設計燃煤消耗量。

代入相關參數(shù)后，得出：D港≥252F消/F港。如電廠每個運行年度開始時場內(nèi)煤場滿堆的情況下，港口作業(yè)時間應不小于252F消/F港(單位為d)，通常情況下在設計時，港口日煤炭進口量都應大于電廠日燃煤消耗量，這不僅可以保障電廠正常運行，還可以為下一年度煤場提供燃煤儲備，本項目經(jīng)綜合論證后F消/F港取0.85，因而港口最低作業(yè)時間不應小于214.2 d，偏安全考慮最終確定港口最低作業(yè)時間不小于220 d。

3.5 其他需求

由于海上煤炭運輸需采用過駁方式進行，每年5月15日—9月15日受季風影響將關閉過駁作業(yè)，因而港口在該時段予以關閉。

4 防波堤平面布置

4.1 總體布置方案選擇

防波堤的布置形式一般有雙堤、單堤及島堤等，具體工程選型應根據(jù)海域波浪、海底地形、地質(zhì)、泥沙等自然條件綜合確定，原則上防波堤既應滿足掩護結構安全需要，又應滿足港口作業(yè)時間的要求。

本項目海域波浪50 a一遇設計有效波高達6 m，防波堤平均水深達8 m，防波堤每延米造價較高。采用雙堤布置時，堤身總長約3.2 km，雙堤布置港口前沿掩護條件良好，泥沙回淤風險較小，作業(yè)時間有較大富余，經(jīng)濟性較差。采用單堤布置時，由于波浪主要是集中在WSW與S向之間，掩護效果較雙堤稍差，作業(yè)時間有一定富余，單堤兩側水體無交換，沿岸輸沙回淤風險較大。采用島堤布置，通過選擇合理的防波堤線型和長度，在滿足防波堤基礎性能需求的前提下，還可以改善近岸水體的交換、避免港池回淤，因此本項目防波堤選用島式防波堤。

4.2 島式防波堤平面布置

島式防波堤的主要功能有防御波浪襲擊，保障港內(nèi)結構安全，掩護港池為船舶提供平穩(wěn)、安全的停泊和作業(yè)條件等。其中港池掩護效果的優(yōu)劣直接關系到整個港口的運營時間，因而應重點分析。

4.2.1中長周期涌浪條件下駁船作業(yè)標準

中國的《開敞式碼頭設計與施工技術規(guī)程》[4]給出了不同船型的允許作業(yè)波高，但該規(guī)程對小于2萬t的船舶，要求平均波浪周期不應大于6 s。本工程在非季風期，波浪周期多為12～14 s，遠高于其限值。PIANC 標準(1995)[5]同樣也針對船舶作業(yè)標準給出相關規(guī)定，與中國的《開敞式碼頭設計與施工技術規(guī)程》不同的是，PIANC標準針對不同船型、不同貨種、不同裝卸設備給出的是船舶運動量限值，這些限值包括船舶的縱移、橫移、升沉等(圖3)，對于干散貨船，卸船機為抓斗類型時，PIANC標準(1995)推薦的限值為：縱移2.0 m，橫移1.0 m，升沉1.0 m，回轉2.0°，縱搖2.0°，橫搖6.0°。

圖3 船舶運動量

本項目利用船舶系泊數(shù)學模型，建立波高、周期與船舶運動量的關系，并通過對不同波浪周期、波高的回歸計算，得出可以滿足PIANC標準(1995)推薦參數(shù)的波浪條件[6]，見表1。

表1 駁船作業(yè)波浪標準

4.2.2島式防波堤平面布置

本項目常浪向為SSW和SW向,強浪向主要為SW向，防波堤布置選擇為L形，防波堤兩直線段方位角分別為74.73°～254.73°及129.73°～309.73°，見圖4。

波堤長度方面重點分析波浪繞射對港口的影響。防波堤東堤頭距離泊位端點應不小于波長的1/2,以避開劇烈繞射區(qū)，同時由于波浪方向較集中，東堤頭過度延長對于改善港內(nèi)波浪條件作用不大，因此設計時東堤頭位置基本固定。防波堤西段與主浪向夾角大于45°，西堤頭布置直接影響港池內(nèi)控制點繞射系數(shù)。設計時利用波浪數(shù)學模型試驗，不同的西堤頭位置計算出港內(nèi)波高繞射系數(shù)見表2[7]，通過不同的繞射系數(shù)結合波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出港口非季風期不可作業(yè)時間，見表3。

圖4 防波堤平面布置

表2 港口控制點不同方案繞射系數(shù)

表3 非季風期不可作業(yè)時間

由于本項目碼頭在季風期關閉4個月(共計122 d)，結合表3可得出不同方案的碼頭年可作業(yè)時間為：方案1為227 d，方案2為223 d，方案3為210 d。

從上述分析可知，方案1、2均可滿足作業(yè)時間的要求，而方案3不能滿足；方案1的年可作業(yè)時間比方案2多4 d，防波堤長度增加50 m，因此設計方案確定為方案2。防波堤的總平面布置見圖5。

圖5 防波堤平面布置(單位：m)

5 結語

1)島式防波堤與常規(guī)的接岸式防波堤相比，其功能相對單一、明確。實際工程設計中，防波堤平面布置應以滿足基本性能需求為設計準則，不易盲目追求高標準、高參數(shù)。島式防波堤布置應盡量做到角度合理、長度最優(yōu)，從而可提高工程整體經(jīng)濟效益。

2)中國的《開敞式碼頭設計與施工技術規(guī)程》對于船舶允許作業(yè)標準的推薦值，不適用于中長周期涌浪海域，因而有針對性地開展船舶系泊數(shù)學模型或物理模型研究，對于確定船舶作業(yè)標準、論證港口作業(yè)時間具有重要指導意義。

3)本項目防波堤自2018年4月起具備整體掩護功能，在2018、2019年的季風期中抵擋了50 a一遇的波浪襲擊，防波堤、港口結構安全，同時在非季風期港口前沿波波高滿足合同及卸船作業(yè)要求，港口全年可運行時間大于220 d。該工程的實施，對在中長周期涌浪海域采用島式防波堤進行港口掩護進行了成功探索，相關工程經(jīng)驗對指導類似項目有重要意義。