印尼爪哇島面臨印度洋海域波浪特性及防波堤施工技術(shù)分析

周加杰，曹兵，李漢渤

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

印尼位于亞洲東南部，由太平洋和印度洋之間的17508個(gè)大小島嶼組成，是世界第四人口大國(guó)，人口總數(shù)2.38億，其中近60%的人集中在爪哇島，爪哇島也是其首都雅加達(dá)、經(jīng)濟(jì)特區(qū)日惹和主要經(jīng)濟(jì)城市泗水、萬(wàn)隆、三寶壟所在地。自2005年以來(lái)其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率一直保持在4.5%～6.5%，根據(jù)其2011—2025年國(guó)民經(jīng)濟(jì)15 a中期規(guī)劃，未來(lái)15 a的年均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率為7%～8%，但印尼基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，已成為制約其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一大瓶頸。近年來(lái)其大力發(fā)展水運(yùn)及港口建設(shè)，爪哇島面臨印度洋的港工建設(shè)越來(lái)越多。港口及電廠建設(shè)均需要進(jìn)行防波堤圍護(hù)以創(chuàng)造港內(nèi)良好的水文環(huán)境，如已建的Cilacap一期電廠（C），在建的 Pacitan電廠（A）、Adipala電廠（B）及擬建的Cilacap二期（C）、Gama水泥廠項(xiàng)目（D），見(jiàn)圖1。本文將對(duì)爪哇島面臨印度洋的風(fēng)浪水文進(jìn)行分析，結(jié)合已建、在建和擬建的項(xiàng)目資料，為在爪哇島印度洋海域進(jìn)行防波堤建設(shè)提供參考與建議。

圖1 印尼面臨印度洋防波堤地理位置圖Fig.1 Location of the breakwater facing Indian Ocean in Indonesia

1 自然條件

1.1 氣象

工程所在地屬熱帶雨林氣候，全年分為旱（季風(fēng)期）、雨（非季風(fēng)期）兩季，旱季為每年的5—10月，這段時(shí)間基本無(wú)雨，雨季為11月—次年4月，基本天天降雨，年降雨量超過(guò)3.0 m。

1.2 潮流與水位

防波堤所在海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮，即每天發(fā)生2次低潮、2次高潮，設(shè)計(jì)高低水位差值約2.0 m，工程所在地外海潮流方向常年為SSW向。

1.3 風(fēng)

工程所在地受季風(fēng)氣候影響，每年5—9月常風(fēng)向及強(qiáng)風(fēng)向?yàn)橄虬叮?1月—次年3月常風(fēng)向及強(qiáng)風(fēng)向?yàn)殡x岸，10月及4月為過(guò)渡月份，50 a一遇最大風(fēng)速為20.96m/s。

1.4 波浪

堤前波浪由外海涌浪及風(fēng)成浪組成，外海涌浪常年為SSW向，波高較大，周期較長(zhǎng)；工程海區(qū)風(fēng)成浪隨風(fēng)向變化，旱季增強(qiáng)波浪作用，雨季則減弱波浪作用。

1.5 泥砂

海岸為砂質(zhì)海岸，泥砂運(yùn)動(dòng)活躍，近岸波浪破碎，垂直海岸及平行海岸輸砂隨季節(jié)變化。

2 波浪特征分析

工程區(qū)域?yàn)榛旌侠?，波浪以涌浪為主，風(fēng)成浪為輔。受地形、洋流等影響，涌浪自印度洋中心形成，呈面狀襲擊爪哇島海域，4個(gè)工程所在區(qū)波浪情況因地形地貌、水深變化有所差異，但均不改變其涌浪為特征的波浪形式；風(fēng)成浪與當(dāng)?shù)貧夂蛳嗷リP(guān)聯(lián)，每年雨季風(fēng)向與涌浪方向相反，同時(shí)降雨較多，降低了波浪活躍程度，雨季綜合表現(xiàn)出波浪平均強(qiáng)度較弱，適宜于工程施工活動(dòng)，但是每月仍有強(qiáng)浪襲擊，強(qiáng)浪周期長(zhǎng)達(dá)21 s，波高超過(guò)3.5m（圖2），旱季則風(fēng)向與涌浪方向相同，同時(shí)基本無(wú)降雨，遠(yuǎn)海洋流活躍，風(fēng)浪與涌浪的疊加增大了波浪的攜能，近堤前波浪沖擊力大，施工期防波堤出現(xiàn)經(jīng)常性越浪，陸上施工處于停滯狀態(tài)。

圖2 某大浪來(lái)臨時(shí)海面波高及流向分布圖Fig.2 The sea surface wave height and flow distribution when a huge wave comes

通過(guò)某波浪預(yù)測(cè)網(wǎng)站波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)4個(gè)工程所在地外海波高進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，沿爪哇島海岸線波高變化規(guī)律具有很大相似性，其波高占比統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖3所示，幾個(gè)工程外海側(cè)波浪常年波高大于1.3m的天數(shù)占比均超過(guò)70%，5—10月份波高超過(guò)2m的占比達(dá)到40%～85%。結(jié)合Adipala防波堤工程施工經(jīng)驗(yàn)，6—9月份時(shí)間段防波堤陸上基本無(wú)法施工，風(fēng)浪較大，5月份及10月份為風(fēng)浪過(guò)渡季節(jié)，11月—次年4月風(fēng)浪稍平靜，但每月仍有1～3次較大波浪，為防波堤陸上有效施工季節(jié)。

圖3 波高大于1.3m及2m月出現(xiàn)頻率圖Fig.3 The frequency of the wave height higher than 1.3m and 2m of each month

大浪出現(xiàn)時(shí)間無(wú)確定規(guī)律性，但根據(jù)Adipala工程現(xiàn)場(chǎng)施工觀察，通常在每月陰歷初一、十五前后幾天波浪水流變化會(huì)較平時(shí)劇烈，在這段時(shí)間前后幾天出現(xiàn)強(qiáng)浪的幾率較多，其他時(shí)間也有出現(xiàn)大浪的可能性。強(qiáng)浪絕大部分可以根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站波高變化進(jìn)行推斷，但現(xiàn)場(chǎng)也有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較小而堤前波浪較大的情況，這與潮位、水流速度、風(fēng)速風(fēng)向等因素綜合相關(guān)，在Adipala防波堤1 a的施工時(shí)間中，出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的情況大概2次，所占比例較小。

3 工程布置特點(diǎn)

Pacitan[1]、Adipala[2]、Cilacap 3 個(gè)防波堤均為長(zhǎng)短雙突堤環(huán)抱形式，Gama防波堤因布置在岬角位置，故布置成單突堤形式，上述4種防波堤均為采用人工護(hù)面塊體進(jìn)行防護(hù)的斜坡式拋石堤，塊體分別采用扭工字塊、扭王字塊、A-JACK塊體，Gama防波堤擬采用具有自主產(chǎn)權(quán)的雙聯(lián)塊體；長(zhǎng)突堤在布置時(shí)主要考慮為內(nèi)側(cè)港池形成良好的水域，突堤外側(cè)迎浪，短突堤穿越浪濺區(qū)，阻斷泥砂回淤和減弱沿岸輸砂對(duì)港池造成的回淤。

在防波堤斷面形式的選擇上，因?yàn)楣こ趟趨^(qū)域波浪周期長(zhǎng)、波長(zhǎng)長(zhǎng)、波高大、大波出現(xiàn)頻率高，大型水工施工設(shè)備匱乏，施工難度較大，不適宜直立式岸壁結(jié)構(gòu)施工，同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)厥呢S富的特征，輔以陸上施工，防波堤多選用人工護(hù)面塊體斜坡式結(jié)構(gòu)。

4 工程施工特殊性分析

4.1 堤頭防護(hù)頻次

中國(guó)沿海地處西北太平洋沿岸，防波堤施工受西北太平洋熱帶氣旋影響，其影響時(shí)間主要發(fā)生在7—9月份，其他季節(jié)熱帶氣旋數(shù)量明顯減少且強(qiáng)度減弱，1945—2009年登陸中國(guó)沿海的熱帶氣旋個(gè)數(shù)年均9.2個(gè)，形成熱帶風(fēng)暴并對(duì)防波堤安全構(gòu)成威脅的熱帶氣旋個(gè)數(shù)年均1～3個(gè)[3-4]，熱帶氣旋的形成及發(fā)展已能夠得到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，對(duì)于沿海防波堤施工能夠提供足夠的預(yù)警時(shí)間做好防波堤施工期防護(hù)，呈現(xiàn)出防護(hù)頻次低等特性。

印度尼西亞地處印度洋東北側(cè)，防波堤施工常年受印度洋季風(fēng)氣候影響。季風(fēng)期為每年5—10月，防波堤基本無(wú)法推填施工；非季風(fēng)期為11—次年4月，非季風(fēng)期中每月有1～3次波高在2.5～3.5m、波浪周期在18～21 s的波浪襲擊防波堤，施工期防波堤堤頭防護(hù)頻次高。

相比國(guó)內(nèi)防波堤施工每年受1～3次臺(tái)風(fēng)影響的情況，印度洋環(huán)境下防波堤施工每月受1～3次強(qiáng)浪影響，強(qiáng)浪表現(xiàn)出頻次高、多發(fā)特征。

4.2 波浪特征差異

中國(guó)沿海近岸強(qiáng)浪主要由熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）引起，多為風(fēng)成浪，平時(shí)波浪周期一般在10 s以下，波長(zhǎng)較短，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)臺(tái)風(fēng)中心的波浪周期會(huì)增大至18～18.5 s[5]，海水水位受地理環(huán)境限制會(huì)產(chǎn)生較大增水，風(fēng)成浪及潮水水位上漲形成對(duì)堤頭的雙重破壞。

印尼沿海受印度洋波浪影響，強(qiáng)浪主要由涌浪和風(fēng)成浪組成，季風(fēng)期外海涌浪與風(fēng)成浪相互疊加，近岸水流變化劇烈，基本無(wú)法施工；非季風(fēng)期波浪主要表現(xiàn)為外海環(huán)境變化所引起的近岸涌浪，涌浪周期一般大于10 s，平均周期大于13 s，最大周期達(dá)21 s，波長(zhǎng)大于180m，波高達(dá)3.5 m，高波高、大周期、長(zhǎng)波長(zhǎng)波浪是破壞堤頭的主因，根據(jù)Adipala工程2012年4月—2013年3月觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，強(qiáng)浪周期及相應(yīng)波高見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)浪周期及相應(yīng)波高表（2012-04—2013-03）Table1 Strong wave period and the corresponding wave height（2012-04—2013-03）

國(guó)內(nèi)防波堤施工以受短周期、風(fēng)成浪為主因的波浪影響，印度洋環(huán)境的波浪則表現(xiàn)為周期大、波長(zhǎng)長(zhǎng)，有研究表明，當(dāng)波浪周期達(dá)到20 s時(shí)，波浪所攜帶的能量較為集中不易擴(kuò)散，快速推進(jìn)的波浪將深深地滲透到防波堤內(nèi)，易導(dǎo)致塊體隨水流力起伏而造成防波堤護(hù)面損壞。

5 防波堤施工工藝分析

國(guó)內(nèi)斜坡式拋石人工塊體防護(hù)防波堤施工工藝通常如表2所示，但在印度洋海域，因?yàn)槭艿礁哳l次、大波長(zhǎng)、長(zhǎng)周期波浪的影響，大型的施工船舶如大型開(kāi)體駁、自航方駁、專用拋石船均無(wú)法適用，采用小型開(kāi)體駁拋填更為適宜此風(fēng)浪環(huán)境下的防波堤施工，用以緩解陸上推填的進(jìn)度壓力，同時(shí)，因無(wú)法使用定位方駁或自航方駁進(jìn)行定位補(bǔ)拋，需要在陸上推填出去后采用陸上起重機(jī)配拋石斗定點(diǎn)吊拋的方式補(bǔ)拋斷面成型，確保質(zhì)量效果，本工藝在Adipala防波堤施工中已得到成功驗(yàn)證。

表2 防波堤施工機(jī)械設(shè)備組合表Table 2 Mechanical equipment combination of the breakwater construction

施工期防波堤堤頭遭受高頻次強(qiáng)浪襲擊時(shí)要做到及時(shí)防護(hù)。Pacitan[1]防波堤開(kāi)始施工時(shí)無(wú)印度洋波浪變化規(guī)律預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，堤頭被沖毀10次以上，給項(xiàng)目施工帶來(lái)了巨大損失；結(jié)合Pacitan施工經(jīng)驗(yàn)和波浪預(yù)測(cè)的Adipala防波堤施工，采用小開(kāi)體駁水上拋填減小陸上推填數(shù)量，以減少堤頭臨時(shí)防護(hù)次數(shù)，降低工程造價(jià)，施工期的堤頭防護(hù)次數(shù)仍超過(guò)15次，與國(guó)內(nèi)項(xiàng)目相比，堤頭臨時(shí)防護(hù)費(fèi)用大大增加。

擬施工的Gama防波堤長(zhǎng)550 m，其中近500 m堤身底標(biāo)高為-16.0m，堤頭段護(hù)面塊體擬采用30 t雙聯(lián)塊體，如塊體全部采用陸上施工，則需要配置起重能力400 t的大型起重設(shè)備，造價(jià)高同時(shí)也不利于堤頭及時(shí)防護(hù)，因此擬結(jié)合Adipala項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，采用小開(kāi)體駁進(jìn)行粗拋，同時(shí)采用工藝創(chuàng)新，在風(fēng)浪平靜時(shí)采用橫雞躉抓拋石及安裝雙聯(lián)塊體，以實(shí)現(xiàn)水下安裝工藝，減輕陸上施工壓力和減少防護(hù)次數(shù)，創(chuàng)造防波堤施工的“時(shí)空效應(yīng)”，確保工程施工質(zhì)量與造價(jià)。

6 結(jié)語(yǔ)

印度尼西亞近印度洋海岸線水工建設(shè)一般需要建設(shè)防波堤進(jìn)行防護(hù)，以抵抗長(zhǎng)周期、大波高、高頻率的波浪襲擊，同時(shí)防波堤一般布置成環(huán)抱形以減弱泥砂運(yùn)動(dòng)對(duì)港內(nèi)的回淤，防波堤施工工藝成為制約工程實(shí)施的關(guān)鍵。本文基于對(duì)某波浪預(yù)測(cè)網(wǎng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)比分析，掌握了印度洋海域波浪變化規(guī)律，分析了此環(huán)境條件下防波堤施工面臨的問(wèn)題和難題，提出了防波堤施工的有效模式，其中小開(kāi)體駁施工工藝在Adipala項(xiàng)目得到驗(yàn)證和實(shí)施，在即將開(kāi)始的Gama項(xiàng)目防波堤和Cilacap電廠二期防波堤施工中，將進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)施工工藝，以實(shí)現(xiàn)在印度洋環(huán)境條件下防波堤施工最經(jīng)濟(jì)有效的模式。

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