某電廠防波堤及航道工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉 明, 裴玉國(guó), 黃玉新

(1.廣東電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510660； 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

2003年開(kāi)始進(jìn)行了某大型臨海電廠北防波堤、北航道工程的建設(shè)規(guī)劃和設(shè)計(jì)研究工作。針對(duì)北航道建設(shè)對(duì)已建成的島堤和北防波堤設(shè)計(jì)波浪造成不利影響的問(wèn)題，提出港池口門外部分挖泥消波的“大開(kāi)挖”方案。2007年北防波堤及航道工程實(shí)施過(guò)程中，“大開(kāi)挖”方案挖泥區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)基巖層，部分挖泥消波方案的實(shí)施與原設(shè)計(jì)開(kāi)挖方案有所不同，部分開(kāi)挖區(qū)域無(wú)法開(kāi)挖到原設(shè)計(jì)深度，海底炸礁清巖需要投入的資金很大。為了節(jié)省工程投資并確保島堤及北防波堤的安全，需要通過(guò)整體物理模型試驗(yàn)，掌握挖泥實(shí)施現(xiàn)狀條件下，島堤及北防波堤的設(shè)計(jì)波要素，為防波堤設(shè)計(jì)和工程進(jìn)一步實(shí)施方案的確定提供可靠依據(jù)。

試驗(yàn)委托了大連理工大學(xué)完成，本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了在原地形和原地形上開(kāi)挖航道工況下北防波堤及島堤軸線處的波浪分布情況，對(duì)工程現(xiàn)狀下的北防波堤及島堤處的波浪要素進(jìn)行了分析，然后有針對(duì)性的提出了原地形上開(kāi)挖航道的現(xiàn)狀下對(duì)航道邊坡進(jìn)行削坡處理的優(yōu)化方案，通過(guò)與原“大開(kāi)挖”方案的對(duì)比，證明了在原地形上開(kāi)挖航道的現(xiàn)狀下對(duì)航道邊坡進(jìn)行削坡處理，可降低島堤及北防波堤處的波浪要素并確保工程安全，該方案簡(jiǎn)單易行且可節(jié)省工程投資，對(duì)類似的實(shí)際工程項(xiàng)目具有借鑒意義。

1 物理模型試驗(yàn)

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室波流水池中進(jìn)行。水池長(zhǎng)55m，有效寬度28m，深1.5m。水池前端配備蛇型三維不規(guī)則波造波機(jī)。波浪測(cè)量采用天津水科院研制生產(chǎn)的SG800型波浪測(cè)量系統(tǒng)。

本試驗(yàn)采用重力相似準(zhǔn)則，模型幾何比尺取為1∶110?？紤]波浪由外海傳播至工程水域，將受到海底地形、岸域邊界和已建南防波堤、島堤工程及的影響而發(fā)生變化，因此在試驗(yàn)過(guò)程中，海底地形的模擬完全按照1∶110的幾何比尺，將海圖地形制作在試驗(yàn)水池中。模型地形由水泥制作，高程控制點(diǎn)設(shè)置為0.5m×0.5m，控制點(diǎn)高程由水準(zhǔn)儀逐點(diǎn)測(cè)量，絕對(duì)誤差小于0.1mm。梳式直立島堤及北防波堤直立堤段采用木材制作，北防波堤斜坡式護(hù)面采用碎石堆砌模型。

考慮到影響工程設(shè)計(jì)波浪的水位、入射波浪方向、重現(xiàn)期等諸因素，試驗(yàn)時(shí)選擇試驗(yàn)工況如下：

試驗(yàn)水位：極端高水位5.10m；設(shè)計(jì)高水位4.00m；平均水位3.0m。入射波浪方向：SE、ESE 、SSE及SE偏南11.250(該工況以下簡(jiǎn)記為SE02)方向波浪入射的工況。重現(xiàn)期：考慮50a、、25a、10a共3種波浪重現(xiàn)期。試驗(yàn)方案：原地形、原地形上開(kāi)挖航道(開(kāi)挖現(xiàn)狀)、 “大開(kāi)挖”以及原地形上開(kāi)挖航道+優(yōu)化4種方案。

波浪模擬采用不規(guī)則波進(jìn)行，選擇國(guó)際上公認(rèn)的JONSWAP譜進(jìn)行模擬，譜峰升高因子取為3.3。首先將給定的H4%波高按ГПУХОВСКИЙ分布換算成不規(guī)則波的各統(tǒng)計(jì)特征波高。采用3次重復(fù)的平均波高值和平均周期值作為原始波浪要素的波高和周期。

原始波要素測(cè)量是在航道未開(kāi)挖、防波堤等模型放置之前的純天然地形上(原地形方案)，在預(yù)定的波高監(jiān)測(cè)處放置波高儀測(cè)定。

為了分析比較工程開(kāi)挖現(xiàn)狀情況下的設(shè)計(jì)波浪要素與原設(shè)計(jì)的“大開(kāi)挖”方案條件下和原地形上開(kāi)挖航道+優(yōu)化條件下設(shè)計(jì)波浪要素的變化，設(shè)計(jì)波浪要素測(cè)量試驗(yàn)分別在“原地形上開(kāi)挖航道方案”、“‘大開(kāi)挖’方案”和“原地形上開(kāi)挖航道+優(yōu)化方案” 條件下進(jìn)行。

測(cè)量北防波堤設(shè)計(jì)波浪要素時(shí)，擺放島堤、南堤(部分)，不擺放北堤。測(cè)量島堤設(shè)計(jì)波浪要素時(shí)，擺放北防波堤、南堤(部分)，不擺放島堤。

如前所述，原始波要素模擬在天然地形上進(jìn)行。此時(shí)，波浪要素測(cè)量共布置了31個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別在北防波堤、北防波堤挖泥區(qū)、島堤、島堤前、航道等周圍布置。測(cè)量北防波堤設(shè)計(jì)波浪要素時(shí)，在北堤軸線上布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)(方案4中布置了19個(gè))。其它位置(北防波堤挖泥區(qū)、島堤前、航道等周圍)波要素測(cè)點(diǎn)布置和原始波要素模擬測(cè)點(diǎn)布置相同。

測(cè)量島堤設(shè)計(jì)波浪要素時(shí)，在島堤軸線上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)(方案4中布置了13個(gè))。其它位置(北防波堤挖泥區(qū)、航道等周圍)波要素測(cè)點(diǎn)布置和原始波要素模擬測(cè)點(diǎn)布置相同，不贅述。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，利用EXCEL的折線圖，對(duì)50a一遇的波浪重現(xiàn)期分別對(duì)應(yīng)入射波浪方向：SE、SE02((該工況偏南11.250)的工況在原地形、原地形上開(kāi)挖航道(開(kāi)挖現(xiàn)狀)、“大開(kāi)挖”以及原地形上開(kāi)挖航道+優(yōu)化4種方案的距離北防波堤和島堤(僅D對(duì)比了SE入射波浪向)測(cè)得的各點(diǎn)波要數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖中主要列舉了各實(shí)驗(yàn)工況下不同位置所測(cè)得的H1%波要素。

2.1 四種方案下北防波堤處的波浪要素

如圖2～圖7所示。

圖2 極端高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

圖3 極端高水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

圖4 設(shè)計(jì)高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

圖5 設(shè)計(jì)高水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

圖6 平均水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

圖7 平均水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種種方案下北防波堤各點(diǎn)的波浪要素

2.2 四種方案下島堤處的波浪要素

如圖8～圖10所示。

圖8 極端高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點(diǎn)的波浪要素

圖9 設(shè)計(jì)高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點(diǎn)的波浪要素

圖10 平均水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點(diǎn)的波浪要素

3 結(jié)論

⑴ 天然地形下港池口門附近的波高分布比較均勻，北防波堤軸線50a重現(xiàn)期H1%大波波高在8.5m，出現(xiàn)的主要區(qū)域是北防波堤軸線距堤跟距離225～300m處，以及堤頭處。島堤軸線50a重現(xiàn)期H1%大波波高在8.15m，出現(xiàn)的主要區(qū)域是島堤軸線南堤頭150m范圍內(nèi)。

⑵ 開(kāi)挖南北航道后波浪折射嚴(yán)重，同時(shí)使得港池口門附近的波高分布變得不均勻。對(duì)島堤和北防波堤影響較為嚴(yán)重(島堤和北防波堤設(shè)計(jì)波高可分別約增大25%和20%)是島堤軸線南堤頭150m范圍內(nèi)。

⑶ 開(kāi)挖航道及大挖泥方案，可以改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，在大部分工況下可以恢復(fù)到天然地形條件下的情況。島堤的設(shè)計(jì)波要素不會(huì)增加(略有減小)，但北防波堤波能集中的100～225m范圍的50a再現(xiàn)期的H1%波高達(dá)到8.5m。

⑷ 在原有地形及開(kāi)挖航道基礎(chǔ)上對(duì)航道做消邊坡處理，消浪效果不如規(guī)劃地形中的大開(kāi)挖方案，但可以部分改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，北防波堤及島堤軸線處H1%平均值減小了10～20%，H1%減小了20cm左右。使得北防波堤軸線處的設(shè)計(jì)波要素可以控制在8.5m以內(nèi)，島堤軸線處的設(shè)計(jì)波要素可以控制在8.2m以內(nèi)。

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