沙壩防波堤設(shè)計(jì)施工新理念

向 松，吳文力，王 剛

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

業(yè)主Dangote Oil Refining Company（以下簡稱DORC）計(jì)劃在尼日利亞拉各斯以東約62 英里的萊基自貿(mào)區(qū)建設(shè)一個(gè)年處理650 000 桶的石油煉化廠。為建設(shè)該工程，DORC 計(jì)劃在煉化廠附近修建一個(gè)滾裝重件碼頭做為其大型設(shè)備和大宗材料提供裝卸貨，并可停靠拖輪和輔助船只。該項(xiàng)目在現(xiàn)有萊基深水港以東約10 英里，項(xiàng)目主要包含防波堤建設(shè)和港池航道疏浚兩個(gè)部分。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)方案介紹

1.2 原案

1）總平面布置

原案設(shè)計(jì)為常規(guī)的拋石防波堤，主要包含一條長約670 m 的主堤，一條長約229 m 的輔堤，一條長約138 m的護(hù)岸以及7條每條長約175 m的潛堤；另外，需要疏浚一條-8.0 mCD 的航道和一個(gè)-7.0 mCD 的港池，合計(jì)需疏浚約70 萬方[1]?？偲矫婕案蹍^(qū)平面布置如圖1。

圖1 項(xiàng)目總平面圖（原案）

圖2 港區(qū)平面布置示意圖（原案）

2）防波堤斷面形式

防波堤典型斷面圖如下：

圖3 主防波堤及輔堤典型斷面示意圖（原案）

圖4 潛堤典型斷面（原案）

1.3 代案

1）總平面布置

代案設(shè)計(jì)以沙壩防波堤作為主要形式，主要包括一條長約700 m 的沙壩防波堤，在其端頭連接一條225 m 長的潛堤，港池東側(cè)有一條長約150 m 的護(hù)岸，再往東銜接一條長約1 100 m 的袋裝砂護(hù)岸，以及在袋裝砂護(hù)岸東側(cè)吹填約85 萬方砂的沖刷緩沖區(qū)。另外，需要疏浚-8.65 m CD 的港池及航道，合計(jì)需疏浚約85 萬方[2]?？偲矫婕案蹍^(qū)平面布置圖如下：

圖5 總平面圖（代案）

思路較為新穎的是，整個(gè)防波堤外海側(cè)（迎浪側(cè)）均為吹填砂，無任何護(hù)面結(jié)構(gòu)，吹填砂形成自然坡直接面對(duì)海浪沖刷，僅僅在最端頭的一小部分做成了拋石潛堤的形式，而且，拋石潛堤也是做在砂墊層之上。

習(xí)近平在講話中指出，當(dāng)今世界，發(fā)展和變革風(fēng)起云涌。站在歷史前進(jìn)的十字路口，我們應(yīng)該認(rèn)清世界大勢(shì)，把握經(jīng)濟(jì)脈動(dòng)，明確未來方向，解答時(shí)代命題。堅(jiān)持推進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化，構(gòu)建開放型亞太經(jīng)濟(jì)。堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，培育增長新動(dòng)能。堅(jiān)持完善互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)包容聯(lián)動(dòng)發(fā)展。堅(jiān)持深化伙伴關(guān)系，攜手應(yīng)對(duì)共同挑戰(zhàn)。

2）防波堤斷面形式

防波堤典型斷面圖如下：

圖6 沙壩防波堤海側(cè)典型斷面示意圖（代案）

圖7 沙壩防波堤典型斷面港池側(cè)防護(hù)示意圖（代案）

圖8 沙壩防波堤堤頭段典型斷面示意圖（代案）

2 方案比選

2.1 工程量比較

兩個(gè)設(shè)計(jì)方案均可以滿足業(yè)主的功能要求，但由于防波堤設(shè)計(jì)的理念不同，工程量相差很大。主要工程量對(duì)比如下表。

表1 主要工程量對(duì)比表

根據(jù)上表可以看出，代案使用沙壩防波堤方案，相當(dāng)于用365 萬方砂取代了375 萬t 石料，這是兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的最大區(qū)別所在，也是代案優(yōu)化費(fèi)用的關(guān)鍵所在。

2.2 造價(jià)比較

1）地材情況

根據(jù)尼日利亞當(dāng)?shù)厥瞎?yīng)情況：項(xiàng)目附近石料資源匱乏，石場均在100 公里以外，石料費(fèi)單價(jià)高，本次對(duì)比采用20 美元每噸進(jìn)行造價(jià)估算。砂源情況：本項(xiàng)目附近海域砂層較厚，海砂資源豐富，本次造價(jià)對(duì)比按照4 美元每方進(jìn)行造價(jià)估算。

2）造價(jià)估算對(duì)比

根據(jù)上述地材價(jià)格情況，對(duì)代案優(yōu)化的費(fèi)用情況進(jìn)行大致估算，如下表。

表2 主要材料費(fèi)用對(duì)比表

從上表可以得出，僅材料費(fèi)進(jìn)行計(jì)算來看，就優(yōu)化節(jié)省費(fèi)用達(dá)到了6 000 多萬美元，而且，從施工費(fèi)用上來講，相對(duì)于沙壩防波堤，拋石堤施工費(fèi)用會(huì)高出很多，預(yù)計(jì)整體優(yōu)化費(fèi)可能會(huì)達(dá)到8 000萬美元以上。

2.3 選定方案

由于代案設(shè)計(jì)方案在項(xiàng)目建設(shè)總費(fèi)用上優(yōu)勢(shì)特別明顯，而且沙壩防波堤施工需要在一個(gè)旱季內(nèi)完成，所以，代案工期也相對(duì)原案要短，這也迎合了業(yè)主急需碼頭投入使用的要求。業(yè)主針對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了多次詢價(jià)，最后選擇了代案，采用了沙壩防波堤的形式，項(xiàng)目實(shí)施過程十分順利。

3 沙壩防波堤設(shè)計(jì)理念分析

代案設(shè)計(jì)的沙壩防波堤是否成功，最關(guān)鍵的因素應(yīng)該有兩個(gè)：一方面，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)沙壩是否會(huì)被沖刷破壞；另一方面，由于吹填砂不同于石料拋填，是否可以吹填成型是實(shí)施階段的關(guān)鍵。代案設(shè)計(jì)在可行性分析中，也重點(diǎn)進(jìn)行了這兩方面的分析，通過沿岸輸砂和模型試驗(yàn)的結(jié)果從理論上驗(yàn)證了沙壩設(shè)計(jì)理念的可行性。

3.1 沿岸輸砂

根據(jù)分析，附近海域存在從西向東的沿岸輸砂現(xiàn)象，理論上沙壩防波堤外側(cè)，也就是西側(cè)，會(huì)不斷淤積海砂，最后達(dá)到平衡。所以沙壩防波堤不會(huì)被沖刷掉，這是沙壩防波堤設(shè)計(jì)方案的理論精髓所在。另外，代案對(duì)沙壩防波堤的走向?qū)ρ匕遁斏暗挠绊戇M(jìn)行了分析，如圖9 所示[3]。

圖9 沙壩防波堤走向與沿岸輸砂分析圖

3.2 施工可行性分析

作為本項(xiàng)目實(shí)施可行性的重點(diǎn)，CDR 從設(shè)計(jì)層面就沙壩防波堤的施工順序提供了概念性規(guī)劃，主要施工順序如圖10 所示[3]。

圖10 沙壩防波堤施工順序示意

第一步：使用耙吸船水下拋沙至標(biāo)高-5.5m CD，-5.5 m CD 以上部分采用吹填和陸上回填相結(jié)合的方式完成，同時(shí)，沿著岸邊吹填砂沿著沙壩的方向吹填接通到端頭潛堤的位置，同時(shí)在吹填形成的沙堤頂部向潛堤的方向修建臨時(shí)通道。

第二步：隨著臨時(shí)通道的建設(shè)，繼續(xù)向已完成水下砂拋填的潛堤部分吹填和修建，此時(shí)需配合部分陸上運(yùn)輸砂進(jìn)行臨時(shí)通道修建。

第三步：臨時(shí)通道接通潛堤部分后，在潛堤位置進(jìn)行石料推填，開始潛堤結(jié)構(gòu)施工。

第四步：在已形成掩護(hù)的條件下，進(jìn)行港池和航道疏浚工作，將疏浚砂吹填至外沙壩防波堤西側(cè)，同時(shí)，東側(cè)沙壩護(hù)岸開始施工，并補(bǔ)充防沖刷區(qū)域吹填砂。

在沙壩防波堤主體完成后，內(nèi)側(cè)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)在有掩護(hù)條件下，施工變得十分容易。

4 沙壩防波堤的可行性驗(yàn)證

4.1 項(xiàng)目施工過程驗(yàn)證

根據(jù)該地區(qū)的海況特點(diǎn)，有旱季和雨季之分，旱季從10 月到次年4 月份，旱季海況條件好，沙壩的吹填施工必須在旱季完成主體部分施工，否則到雨季將受到風(fēng)浪的嚴(yán)重沖刷，將無法完成沙壩防波堤主體施工，功虧一簣。

該項(xiàng)目施工單位為有名的荷蘭疏浚單位boskalis，在施工過程中，我們有幸多次進(jìn)行了現(xiàn)場參觀，施工過程十分順利。項(xiàng)目從2017 年11 月份開始施工進(jìn)行沙壩防波堤主體施工，到2018 年3月份已完成主體吹填，4 月份已完成沙壩防波堤前段的潛堤主體結(jié)構(gòu)，形成主要的防護(hù)結(jié)構(gòu)。施工單位采用2 艘3 000～5 000 方的耙吸船和1 艘小型絞吸船為主要疏浚設(shè)備實(shí)施該項(xiàng)目，成功趕在雨季來臨前完成了項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)。

由項(xiàng)目施工過程的順利實(shí)施情況，可以看出，該沙壩防波堤的方案是實(shí)實(shí)在在可行的一種方案，是一種防波堤設(shè)計(jì)新理念、新思路。

4.2 其他項(xiàng)目驗(yàn)證

關(guān)于外側(cè)會(huì)逐漸淤積海砂的趨勢(shì)，在萊基港項(xiàng)目的岸灘研究中也有同樣的結(jié)論，從西向東的沿岸輸砂也會(huì)造成同樣的結(jié)果。萊基港防波堤的西防波堤部分大致為南北走向，從2017 年12 月開始推填，截止2018 年4 月份完成直線段340 m 主體部分拋石防波堤施工，從萊基港岸線觀測數(shù)據(jù)來看，很好的驗(yàn)證了沿岸輸砂的理論研究，其拋石防波堤外海側(cè)（西側(cè)，即圖11 中左側(cè)）已嚴(yán)重淤積海砂，形成了大片灘涂，截止2018 年4 月份，相對(duì)于原海岸線，沿著防波堤方向淤積已經(jīng)超過100 m。海砂淤積對(duì)防波堤形成了一種天然保護(hù)。

圖11 萊基項(xiàng)目西防波堤外側(cè)回淤情況

在萊基港防波堤施工過程中，岸線觀測結(jié)果再次驗(yàn)證了沿岸輸砂，驗(yàn)證了沙壩防波堤設(shè)計(jì)方案的正確性。

5 結(jié)語

目前，該項(xiàng)目已在一個(gè)旱季時(shí)間內(nèi)順利完成了所有主體結(jié)構(gòu)施工內(nèi)容，為業(yè)主節(jié)省了項(xiàng)目造價(jià)，縮短了項(xiàng)目工期。該項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目當(dāng)?shù)厥蠀T乏而海砂豐富的特殊條件，合理利用豐富的海砂資源，結(jié)合沿岸輸砂的岸灘特點(diǎn)，成功的將沙壩防波堤設(shè)計(jì)新理念付諸實(shí)施，為特殊條件下防波堤設(shè)計(jì)與施工提供了新穎的思路。