燕窩山陸島交通碼頭工程水域平面布置

周 躍，金頡臻，浦偉慶

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

1 工程背景

浙江舟山群島新區(qū)地處我國東南沿海和長江出?？谀蟼?cè)，是長江三角洲江海聯(lián)運和海上門戶的通道?！皽垧ǖ馈?是新區(qū)未來綜合交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，上?！笊健飞健凵奖緧u(北向通道)是3 條跨海陸路通道之一。是溝通舟山群島新區(qū)與長三角經(jīng)濟(jì)圈的重要橋梁、國家沿海大通道的輔助通道、促進(jìn)我國現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐、保障國防人員和物資等暢通運輸?shù)闹匾ǖ馈?/p>

鑒于北向通道(陸路)尚未全線貫通，舟山本島及岱山與上海、嵊泗、衢山等地之間的對接仍須依靠傳統(tǒng)的水運交通運輸，為適應(yīng)寧波舟山港主通道通車后舟山北向車、客水陸運輸轉(zhuǎn)換樞紐節(jié)點北移岱山的水運交通新格局，保障北向通道全線建成運營前的水運交通路徑，需在岱山島北側(cè)建設(shè)陸島交通碼頭。

碼頭工程選址于岱山本島北側(cè)的燕窩山島西側(cè)，通過引橋與饅頭山相連，到達(dá)陸域客運中心。該段岸線北向和西向海域開敞，50 a一遇極端高水位H1%達(dá)6.29 m。此外，工程所處水域受鯗蓬山、東墾山等周邊島嶼影響，存在潮流挑流、回流和泥沙大量落淤等現(xiàn)象，屬于典型的外海開敞式島礁地形[1]。因此，本文圍繞工程所處海域的波浪條件和水文泥沙條件，綜合考慮客運船舶系靠泊要求、工程投資以及未來港池日常營運成本等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，對工程水域平面布置的可行性進(jìn)行了相關(guān)論證，并確定了工程的水域平面布置方案。工程整體效果見圖1。

圖1 工程鳥瞰圖

2 建設(shè)條件

本工程所處海域三面臨海，水域開闊，見圖2。偏北向和偏東向外海大浪能直接傳入對港池產(chǎn)生影響；偏西到偏北面向杭州灣，在大風(fēng)條件下會形成一定風(fēng)區(qū)浪影響。目前，工程周邊無其他港口工程。

圖2 工程位置

1)工程所處水域為外海開敞式，波況不佳，對建設(shè)陸島交通碼頭不利。

本工程地處舟山群島中部、岱山島北側(cè)水域，周邊島嶼眾多。偏北向分布有崎嶇列島，東北到東向依次有嵊泗列島、衢山島等島嶼作屏障，東到南向有岱山本島、中街山列島、秀山島、長白島、舟山本島、金塘島等，對外海偏N—SE 向外海大浪有一定的掩護(hù)作用。但由于偏N 向崎嶇列島與衢山島間、偏E 向衢山島與岱山島間水域相對開闊，偏N 向和偏E 向外海大浪仍能直接傳入而對岱山北側(cè)產(chǎn)生影響，其中偏E 向波浪可受燕窩山自身的掩護(hù)。同時，工程區(qū)偏W—NW 向面向杭州灣，水域開闊，在大風(fēng)條件下會形成一定風(fēng)區(qū)浪影響。

根據(jù)2018 年2 月—2019 年2 月工程前沿20 m水深處設(shè)置的短期波浪觀測站，整年觀測期內(nèi)的波浪特征如下:①工程點常浪向為N 向，頻率13.5%；次常浪向為NE 向，頻率11.6%。②工程點強(qiáng)浪向為NNW 向，最大H1∕10波高為2.6 m；次強(qiáng)浪向為NNE向，最大H1∕10波高為2.5m。③H1∕10＞0.6 m的波浪占總體的30.3%，且主要集中于ENE—WNW 波向(占總體的29.7%)；H1∕10波高＞1.0 m 的頻率占6.1%，集中于ENE—NW 向。④平均波周期T主要集中于2～5 s，合計頻率99%；T＞5 s 的頻率占0.2%，主要集中于偏E—NE 向。測期平均波周期T最大值為6.0 s，對應(yīng)波向為ENE 向，對應(yīng)H1∕10波高0.2 m；T＜5 s對應(yīng)的最大H1∕10波高為2.5 m，波向WNW 向，其次為1.8 m，波向NNW 向[2]。

本工程設(shè)計船型為3 000 噸級車客渡船或1 000總噸級客船，碼頭前沿泊穩(wěn)條件要求為各向入射波浪在2 a 一遇設(shè)計高水位碼頭前沿波高H4%不大于0.6 m。根據(jù)波況分析及測波結(jié)果，工程所在位置的港池需要建設(shè)防波堤以保證船舶停靠和安全營運。

2)工程所處水域外側(cè)水深，建設(shè)實體防波堤難度大，投資高。

類似工程位置，若需要建設(shè)陸島交通碼頭，須建設(shè)實體防波堤進(jìn)行掩護(hù)，滿足港池泊穩(wěn)條件要求。本工程所需停泊水域?qū)挾葹?8.8 m、回旋水域短軸直徑為120 m，根據(jù)港池水域需要，若建設(shè)實體防波堤，為保證港池尺度和漲落潮通暢，須將防波堤建設(shè)于碼頭外150～200 m 處。然而，本工程所在水域外側(cè)水深急劇加深，距擬建位置外側(cè)約150 m 處，部分等深線已達(dá)-20 m，此處建設(shè)實體防波堤需大量石料，每延米工程費用約為水深-10 m 處的3 倍。而且，實體防波堤的建設(shè)將造成嚴(yán)重的港池淤積。

3)工程所處水域潮流流態(tài)復(fù)雜。

根據(jù)工程布設(shè)的6 個定點測站的實測資料，工程區(qū)域除燕窩山東側(cè)測站外，總體漲、落潮流主流向為W—E 向，近岸區(qū)域受地形影響較明顯。

大潮期垂線平均最大漲、落潮流速在0.77～2.34 m∕s，其中外側(cè)潮流動力整體強(qiáng)于內(nèi)側(cè):燕窩山—東墾山連線以外測站漲、落潮最大流速普遍大于2 m∕s，連線以內(nèi)測站最大流速不超過1.1 m∕s，處在連線附近的測站漲潮最大流速1.15 m∕s、落潮最大流速2.07 m∕s。大潮期垂線平均最大漲、落潮流速對應(yīng)流向，除燕窩山東側(cè)測站外，漲潮流向在233°～271°(WS—W)、落潮流向在60°～93°(EN—E)[3]。大、中、小潮垂線平均流矢見圖3。

圖3 水文測驗大、中、小潮垂線平均流矢

流速情況表明，漲潮水流由東向西通過燕窩山北側(cè)后，受燕窩山西側(cè)—東墾山之間凹灣地形影響，潮流向灣內(nèi)偏轉(zhuǎn)，灣內(nèi)流速小于灣外深水區(qū)；落潮水流基本沿相反方向，由西向東通過東墾山北側(cè)后，向灣內(nèi)偏轉(zhuǎn)，灣內(nèi)流速小于灣外深水區(qū)，但近燕窩山區(qū)域受其北側(cè)磯頭挑流作用，流速也較大。

上述觀測結(jié)果表明，擬建碼頭處受島礁地形影響，流速大、磯頭存在挑流現(xiàn)象，為滿足船舶安全通航、系靠泊和作業(yè)的要求，有必要采用人工導(dǎo)流措施進(jìn)行流態(tài)歸順，改善港池水域的泊穩(wěn)條件和進(jìn)出港通航條件。

綜上所述，本工程的建設(shè)須采用創(chuàng)新平面布置和結(jié)構(gòu)方案來解決港池波浪、水流、淤積等工程問題。

3 平面布置難點

1)工程所處水域為典型的外海開敞式島礁地形，未來工程運營受波浪、潮流、泥沙影響較大，不適合建設(shè)常規(guī)陸島交通碼頭。因此，如何減小港池作業(yè)波高，歸順泊位前沿的流態(tài)，創(chuàng)造港池泊穩(wěn)條件，提高客輪、車客渡船系靠泊和上下旅客安全，并盡可能減少港池淤積是本工程水域平面布置成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2)工程所在水域受海底地形條件和潮流泥沙影響，不適合通過建設(shè)實體防波堤為港池創(chuàng)造合理的避風(fēng)條件。因此，如何采用先進(jìn)設(shè)計理念對平面、結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整從而為船舶系泊?？刻峁l件是本工程水域平面布置成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在工程設(shè)計過程中首先須解決港池作業(yè)波高這個核心問題，在船舶安全停泊作業(yè)的前提下，盡可能優(yōu)化水流流態(tài)、減少港池淤積，從而提高陸島交通碼頭經(jīng)濟(jì)效益。

4 平面布置論證

4.1 平面布置思路

工程所處水域流態(tài)復(fù)雜，水深變化劇烈，風(fēng)浪、涌浪較大，基于前期觀測、研究成果，在現(xiàn)狀條件下，無論是否建設(shè)實體防波堤，都無法同時解決泊穩(wěn)條件和港池淤積兩大核心問題。因此，在水域平面布置上，須結(jié)合特殊結(jié)構(gòu)形式才能為客輪和車客渡提供安全系泊的港池作業(yè)條件。根據(jù)以上設(shè)計原則，將工程水域平面布置設(shè)計思路歸納為:

1)將實體防波堤設(shè)計調(diào)整為透空式防波堤，并結(jié)合防波堤與碼頭結(jié)構(gòu)，布置于同一平面位置。

2)將碼頭與防波堤平面布置于水深合適區(qū)域，減少波浪對碼頭與防波堤結(jié)構(gòu)的作用力。

3)考慮碼頭與防波堤的布置形態(tài)和位置，阻擋波浪、歸順?biāo)?，以滿足船舶安全系靠泊運營作業(yè)條件與港池有限淤積，并最大化體現(xiàn)工程設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 平面布置方案

工程選址區(qū)域地形復(fù)雜，偏北向海域開闊、易受W—EW 向波浪的影響，泊穩(wěn)條件差，深槽水域潮流動力較強(qiáng)、漲落潮流不平順，工程實施后泥沙有回淤、建港條件較差。

4.2.1 防波堤平面布置

防波堤前沿線位置和軸線方位角的確定應(yīng)綜合考慮水深條件、潮流條件、泥沙淤積條件、波浪掩護(hù)效果等因素。影響港內(nèi)泊穩(wěn)條件的主要因素為波浪的繞射和透射，波浪繞射主要可通過防波堤平面位置、軸線布置優(yōu)化及長度增加得到改善，波浪透射主要通過密排樁和碼頭擋浪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化得到改善。

模型試驗結(jié)果表明，在設(shè)計高水位及設(shè)計低水位與8 級、7 級風(fēng)組合作用下，碼頭內(nèi)側(cè)H4%波高大于0.6 m 的設(shè)計要求，在增加底高程為-0.4 m 的擋浪板后，7 級風(fēng)波浪作用下碼頭內(nèi)側(cè)H4%波高滿足小于0.6 m 的設(shè)計要求。根據(jù)模型試驗結(jié)果，本工程防波堤水域布置如下:1)通過不同長度防波堤的港內(nèi)波浪對比分析，在不考慮波浪透射的情況下，滿足全部4 個泊位(長度400 m)在8 級風(fēng)波況下的H4%≤0.6 m，同時考慮工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)性，確定防波堤長度為650 m。2)防波堤軸線方位角總體同碼頭方位角，為N55°～N235°，水深為-10～-8 m。根據(jù)波浪整體物理模型試驗成果，東西兩側(cè)防波堤軸向從有利改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件角度考慮進(jìn)行合理布置。中間段防波堤長度440 m，防波堤結(jié)構(gòu)與車、客渡碼頭平臺、連接平臺結(jié)構(gòu)結(jié)合，采用密排樁結(jié)構(gòu)，平臺頂面高程6.0 m，防波堤密排樁頂高程0.65 m，軸線方位角為N55°～N235°；東側(cè)防波堤，長度90 m，采用密排樁結(jié)構(gòu)，軸線曲線布置，平行于引橋中心線(曲率半徑120 m)，并作為引橋的部分結(jié)構(gòu)樁，該段引橋頂面高程6.0 m，防波堤密排樁頂高程3.0 m；西側(cè)防波堤長度120 m，采用密排樁＋斜頂樁＋高樁墩臺結(jié)構(gòu)，頂高程4.0 m，前沿設(shè)置反弧形擋墻，防浪墻頂高程5.0 m，其中東側(cè)48 m 段軸線方位角為N55°～N235°。西側(cè)72 m 段軸線方位角向內(nèi)偏轉(zhuǎn)5°，為N50°～N230°。工程水域平面布置見圖4，工程典型斷面見圖5。

圖4 工程平面布置(單位:m)

圖5 工程典型斷面(高程:m；尺寸:mm)

4.2.2 東、西兩側(cè)防波堤內(nèi)收對港池淤積的影響

根據(jù)波浪整體物理模型試驗，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，為保證船舶安全?？浚瑬|側(cè)防波堤內(nèi)收與引橋結(jié)構(gòu)結(jié)合，西側(cè)72 m 防波堤方位角內(nèi)偏轉(zhuǎn)5°。此設(shè)計方案將導(dǎo)致港池淤積量的增加，為調(diào)整設(shè)計引起的淤積量增加，對兩個平面布置方案開展了數(shù)模分析[4]。年沖淤分布見圖6。

圖6 年沖淤分布

經(jīng)計算，常規(guī)方案港池年淤積量約為10 萬m3，防波堤內(nèi)收方案港池年淤積量約為12.6 萬m3。內(nèi)收方案增加的淤積方量在建設(shè)方的承受范圍之內(nèi)，為提高港池防風(fēng)擋浪效果、創(chuàng)造良好避風(fēng)條件、提高旅客出行舒適度，故選擇防波堤內(nèi)收方案作為最終實施方案。

4.2.3 水域平面布置

根據(jù)本工程風(fēng)、浪、流、泥沙、地形等自然特點，碼頭水域總平面布置將車客渡泊位、客運泊位均布置于防波堤內(nèi)側(cè)，分東、中、西3 個區(qū)域布置，呈品字形。

防波堤內(nèi)檔東側(cè)、西側(cè)區(qū)域各布置1 個3 000 總噸級車客渡泊位，其靠泊平臺寬21 m、高程6.0 m。車客渡船通過鋼吊橋與接岸平臺連接。

東西兩側(cè)靠泊平臺中間布置接岸設(shè)施平臺，長185 m、寬37 m(包括鋼吊橋、吊橋架墩)，高程6.0 m，局部放坡，鋼吊橋擱置段高程5.0 m。平臺上布置2 座吊橋架控制室及1 座變電所。

內(nèi)檔中間區(qū)域布置2 個1 000 總噸級客運泊位(2＃、3＃泊位)，位于接岸設(shè)施平臺內(nèi)側(cè)，其平臺尺度為185 m×16 m，為方便旅客上下船，碼頭面頂高程取3.30 m，平臺上設(shè)置一線候船室。港內(nèi)短駁大巴車位布置于車客渡泊位靠泊平臺處，旅客可在一線候船室作短暫停留，通過踏步到客運碼頭平臺，并通過登船橋或固定踏步上下船。

5 結(jié)論

1)燕窩山陸島交通碼頭工程水域周邊存在潮流挑流、回流和泥沙大量落淤等現(xiàn)象，屬于典型的外海開敞式島礁地形。擬建水域受海底地形條件和潮流泥沙影響，不適合通過建設(shè)實體防波堤為港池創(chuàng)造合理的避風(fēng)條件。

2)為減少波浪、歸順?biāo)鲃?chuàng)造港池泊穩(wěn)條件，并減少港池淤積，將實體防波堤設(shè)計為透空式，并結(jié)合防波堤與碼頭結(jié)構(gòu)布置于同一平面位置。通過多個數(shù)學(xué)模型和物理模型驗證，成功解決避風(fēng)問題、淤積問題、潮流問題和工程經(jīng)濟(jì)問題，滿足了客運船舶安全?？康男枨?，為工程的實施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為外海開敞碼頭的建設(shè)提供了設(shè)計思路與參考。