考慮不同掩護(hù)條件的設(shè)計(jì)波浪標(biāo)準(zhǔn)確定

胡建波，尹永欣，2，呂迎雪

（1.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

東營(yíng)港三突堤1—6號(hào)泊位工程位于山東省東營(yíng)市東北部、渤海西南岸，黃河入?？谝员奔s50 km處。在港區(qū)規(guī)劃[1]的三突堤位置處建設(shè)5 000~10 000噸級(jí)泊位6個(gè)，泊位總長(zhǎng)1 019 m。碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，通過(guò)引橋與后方陸域連接，陸域護(hù)岸長(zhǎng)1 556 m，采用斜坡堤結(jié)構(gòu)。港區(qū)現(xiàn)狀及規(guī)劃情況分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 港區(qū)現(xiàn)狀圖（階段一）Fig.1 Present situation of harbour district（first period）

圖2 港區(qū)規(guī)劃圖（階段四）Fig.2 Planning of harbour district（forth period）

不同于一般工程大致分為施工期和運(yùn)營(yíng)期兩階段，本工程護(hù)岸和碼頭可詳細(xì)劃分為如下實(shí)施進(jìn)度：1）護(hù)岸施工期；2）護(hù)岸結(jié)構(gòu)完工后的罐區(qū)施工期；3）碼頭施工期；4）工程運(yùn)營(yíng)初期（近期）；5）南北防波堤形成環(huán)抱式港池后的運(yùn)營(yíng)期（遠(yuǎn)期）。

本工程開(kāi)展研究工作之初，規(guī)劃中的南、北防波堤及港內(nèi)突堤均未建設(shè)，整個(gè)東營(yíng)港僅有北防沙堤與西側(cè)陸域形成一定掩護(hù)，東-東南方向均處于開(kāi)敞無(wú)掩護(hù)狀態(tài)，易受波浪影響。但未來(lái)防波堤實(shí)施后，掩護(hù)條件良好。設(shè)計(jì)波要素選取過(guò)大會(huì)造成不必要的投資浪費(fèi)，選取過(guò)小則不能保證工程安全。因此分階段確定掩護(hù)條件，采用合理的設(shè)計(jì)波要素是建設(shè)方案研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

1.2 掩護(hù)條件分析

方案研究過(guò)程中，隨著工作的不斷深入和對(duì)周邊項(xiàng)目的調(diào)查研究，結(jié)合周邊工程建設(shè)情況，對(duì)本工程采取“近期無(wú)掩護(hù)、遠(yuǎn)期有掩護(hù)”相結(jié)合的方案。通過(guò)調(diào)查得知，北防波堤正開(kāi)展前期工作，預(yù)計(jì)將先于本項(xiàng)目投入使用。南防波堤當(dāng)時(shí)尚未開(kāi)展工作，但作為南港池航道的掩護(hù)工程，預(yù)計(jì)一突堤北圍堰將先行建設(shè)。

因此，在前期工作階段，根據(jù)北防波堤、一突堤北圍堰及南防波堤的實(shí)施方案和預(yù)估進(jìn)度，分為4個(gè)階段推算設(shè)計(jì)波浪。階段一為現(xiàn)狀情況下，北防波堤及一突堤圍堰均未建，周邊掩護(hù)情況見(jiàn)圖1；階段二為北防波堤建成，一突堤圍堰尚未建設(shè)，周邊掩護(hù)情況見(jiàn)圖3；階段三為北防波堤與一突堤北圍堰均建設(shè)完成，港池航道疏浚完成，周邊掩護(hù)情況見(jiàn)圖4；階段四為遠(yuǎn)期港區(qū)規(guī)劃實(shí)施后，見(jiàn)圖2。

圖3 北防波堤建成（階段二）Fig.3 After north breakwater built（second period）

圖4 北防波堤及一突堤北圍堰建成（階段三）Fig.4 After north breakwater and north cofferdam of first jetty built（third period）

根據(jù)上述不同階段下的平面布置，推算各階段不同水位不同重現(xiàn)期不同波向作用時(shí)的設(shè)計(jì)波浪要素，為碼頭和護(hù)岸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)波要素推算

2.1 計(jì)算內(nèi)容

波浪推算考慮ENE、E、ESE、SE、SSE共5個(gè)方向。其中設(shè)計(jì)波浪要素計(jì)算時(shí)考慮三突堤未建，且對(duì)三突堤位置處原建筑物進(jìn)行消波處理。泊穩(wěn)波高的計(jì)算考慮三突堤已建，并考慮相應(yīng)結(jié)構(gòu)物的反射作用。外海波浪采用國(guó)家海洋局第一海洋研究所[2]給出的本工程附近-13 m等深線(xiàn)處的各方向波要素。

2.2 計(jì)算方法

BW模型建立在Boussinesq方程[3]基礎(chǔ)上，是MIKE21模型中的波浪模塊。MIKE21-BW模塊中考慮的物理現(xiàn)象有：波浪的淺水變形、繞射、折射、波浪的破碎、底摩阻損耗、波浪的全反射和部分反射、波-波非線(xiàn)性作用、波-流作用以及波浪在水流的作用下完全受阻的現(xiàn)象等，近年來(lái)在海港工程波浪研究中應(yīng)用廣泛，可用于港內(nèi)波況和碼頭泊穩(wěn)計(jì)算以及碼頭設(shè)計(jì)波要素計(jì)算。

MIKE21-BW不同于一般波浪數(shù)學(xué)模型，它是在指定時(shí)段和指定區(qū)域內(nèi)模擬波浪運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程，然后根據(jù)記錄下來(lái)的水面波動(dòng)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)波高等特征值。從這個(gè)意義上講，用MIKE21-BW進(jìn)行數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)與通常的物理模型試驗(yàn)方法及步驟完全相同，所以它對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波況的描述更加真實(shí)可靠。

BW的控制方程為一套經(jīng)過(guò)改進(jìn)的水平二維Boussinesq方程，可以表達(dá)為：

連續(xù)方程：

對(duì)上述方程采用ADI算法（交替方向法），式中各項(xiàng)保證二階精度。新形式的Boussinesq方程改進(jìn)了色散關(guān)系式，使MIKE21-BW模型適合模擬從深水到淺水的傳播。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)推算[4]，各階段下ESE向均為最大波浪方向，最大波浪出現(xiàn)在碼頭最東側(cè)。設(shè)計(jì)波浪推算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)波浪要素Table 1 Element of design wave

遠(yuǎn)期東營(yíng)港總體規(guī)劃實(shí)施后，南北防波堤全部建成，形成環(huán)抱式掩護(hù)，港內(nèi)波高進(jìn)一步減小，考慮風(fēng)成浪的港池內(nèi)波高可降低至0.8 m以下。

3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

3.1 確定原則

1）本工程實(shí)施之初，北防波堤前期工作已進(jìn)入尾聲，短期內(nèi)即將開(kāi)工；作為航道掩護(hù)工程的一突堤北圍堰也已開(kāi)展前期研究工作，預(yù)計(jì)建成時(shí)間與本工程大致相當(dāng)。但是南防波堤尚未有較為明確的實(shí)施計(jì)劃。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到工程投產(chǎn)時(shí)南防波堤未建成的可能。

2）本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中可按照周邊工程實(shí)施進(jìn)度和本工程工期確定本工程不同構(gòu)筑物的掩護(hù)條件，合理節(jié)約投資。雖然北防波堤與一突堤北圍堰已經(jīng)開(kāi)展工作，但考慮工程建設(shè)的不確定性，也應(yīng)考慮到這兩個(gè)掩護(hù)工程工期延后的可能性，考慮掩護(hù)條件不足時(shí)采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，在保證安全的前提下合理平衡工期和造價(jià)。

3.2 陸域護(hù)岸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

1）本工程陸域護(hù)岸開(kāi)始實(shí)施之初，北防波堤尚未開(kāi)工建設(shè)，工程所在位置處于無(wú)掩護(hù)狀態(tài)，因此按照?qǐng)D1所示階段一的情況，考慮重現(xiàn)期10 a的設(shè)計(jì)波要素計(jì)算護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，包括護(hù)面塊體、護(hù)底塊石、擋浪墻穩(wěn)定性。

2）由于護(hù)岸開(kāi)工建設(shè)之初，尚不確定南防波堤的具體實(shí)施工期，因此按圖4所示階段三的掩護(hù)條件，考慮重現(xiàn)期50 a的設(shè)計(jì)波要素計(jì)算護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

因此護(hù)岸擋浪墻、護(hù)面塊體、護(hù)底塊石等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由階段一重現(xiàn)期10 a和階段三重現(xiàn)期50 a的設(shè)計(jì)波要素控制。

3.2.2 擋浪墻頂高程的確定

罐區(qū)投入使用后，護(hù)岸將作為直接掩護(hù)罐區(qū)海堤，根據(jù)GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，罐區(qū)屬于一級(jí)石油庫(kù)。根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[6]和GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，護(hù)岸應(yīng)按一級(jí)海堤設(shè)計(jì)，潮位和波浪的重現(xiàn)期取100 a。按照J(rèn)TS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，直接掩護(hù)罐區(qū)的堤岸也應(yīng)按重現(xiàn)期100 a的潮位和波浪進(jìn)行設(shè)計(jì)。罐區(qū)投入使用后按圖2所示階段四的掩護(hù)條件確定擋浪墻頂高程。階段四南北防波堤形成環(huán)抱式港池后，港內(nèi)掩護(hù)條件非常好，因此還應(yīng)按照其他階段進(jìn)行復(fù)核。

階段一和階段二基本對(duì)應(yīng)陸域形成工程的建設(shè)期，因此對(duì)擋浪墻頂高程不作要求。根據(jù)周邊工程建設(shè)情況預(yù)估，當(dāng)陸域護(hù)岸和地基處理完成后，陸域儲(chǔ)油罐、管線(xiàn)等設(shè)備的施工期將基本對(duì)應(yīng)階段三。由于罐區(qū)均屬于?；穬?chǔ)罐，考慮兩方面因素，一是在設(shè)備施工完成到正式運(yùn)營(yíng)期這段時(shí)間，防止越浪上水造成設(shè)備腐蝕等安全隱患；二是考慮到周邊掩護(hù)工程建設(shè)工期的不確定性，如果罐區(qū)投入運(yùn)營(yíng)時(shí)南防波堤未建成，則需按階段三掩護(hù)條件確定的標(biāo)準(zhǔn)加高擋浪墻。考慮上述兩方面因素，按階段三重現(xiàn)期50 a的設(shè)計(jì)波要素控制擋浪墻頂高程，為加高擋浪墻留有余地。

3.3 碼頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定，碼頭面頂高程應(yīng)考慮上水標(biāo)準(zhǔn)和受力標(biāo)準(zhǔn)。由于陸域形成完成后再進(jìn)行碼頭施工，北防波堤堤身已基本形成，因此碼頭設(shè)計(jì)不考慮階段一。

上水標(biāo)準(zhǔn)：考慮南防波堤建設(shè)的不確定性，按照階段三的掩護(hù)條件，分別考慮設(shè)計(jì)高水位組合10 a一遇波浪和極端高水位組合2 a一遇波浪。

受力標(biāo)準(zhǔn)：按階段三重現(xiàn)期50 a的設(shè)計(jì)波浪控制。同時(shí)考慮施工期影響，采用階段二設(shè)計(jì)高水位下重現(xiàn)期10 a的波浪復(fù)核。

港池航道底高程：應(yīng)按運(yùn)營(yíng)期需要的水深確定底高程，原則上應(yīng)按階段四確定，但考慮南防波堤建設(shè)的不確定性，按階段三（近期）和階段四（遠(yuǎn)期）分別計(jì)算。實(shí)施階段再根據(jù)南防波堤建設(shè)情況最終確定疏浚底高程。

設(shè)計(jì)波要素確定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)波浪重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)匯總表Table2 Summary tableof reappearance period of design wave

4 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)施初期，周邊基本處于無(wú)掩護(hù)狀態(tài)，但未來(lái)防波堤實(shí)施后，掩護(hù)條件良好。若直接采用過(guò)大的設(shè)計(jì)波要素會(huì)造成不必要的投資浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致陸域和碼頭頂面高程過(guò)高，給運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定不便。設(shè)計(jì)波要素選取過(guò)小，又給工程安全帶來(lái)隱患。

研究過(guò)程中，結(jié)合周邊工程建設(shè)情況，對(duì)本工程采取“近期無(wú)掩護(hù)、遠(yuǎn)期有掩護(hù)”相結(jié)合的方案，并根據(jù)周邊工程建設(shè)進(jìn)度和本工程實(shí)施情況適當(dāng)留有調(diào)整的余地，分階段確定掩護(hù)條件。對(duì)施工期和使用期采用不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波浪要素，與外海防波堤的實(shí)施計(jì)劃相協(xié)調(diào)，既保證施工期的結(jié)構(gòu)安全，又能保證運(yùn)營(yíng)期正常使用，同時(shí)節(jié)約投資，推進(jìn)了工程實(shí)施進(jìn)度。