防波堤對(duì)“東祥號(hào)”施工的掩護(hù)分析

◎冀登輝 鄒騰飛 中國(guó)港灣西部非洲區(qū)域公司 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

加納位于非洲西部幾內(nèi)亞灣，西鄰科特迪瓦，東毗多哥，南面大西洋。特馬港是加納最大的商港，位于加納東南沿海，與首都阿克拉相距約26km。擬建的新集裝箱碼頭地處特碼老港西側(cè)，距岸50km左右即為3000m以上水深，向岸水深迅速轉(zhuǎn)淺，離岸不足3km即為20m以上水深，且空間上20m等深線近乎與岸平行，呈ENE～WSW向展布于工程區(qū)外，工程近岸底地形坡度呈向岸漸陡的變化趨勢(shì)?！癓型”防波堤堤長(zhǎng)約3600m，內(nèi)側(cè)布置集裝箱碼頭，通過(guò)填海的方式形成港口陸域。為滿足通航條件，外航道、回旋區(qū)和港池水域需疏浚（疏浚深度分別為19.0m、17.4m和16.9m）。

2.工程區(qū)波浪條件

河海大學(xué)對(duì)加納特碼新集裝箱碼頭工程施工期的波浪數(shù)模分析，是基于防波堤外圍DHI 600_1600+_6點(diǎn)、DHI 1600+_2點(diǎn)、DHI 1600+_4點(diǎn)以及DHI 1600+_7點(diǎn)，根據(jù)1993～2015年逐時(shí)波浪資料，對(duì)四站波高和平均波向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)港域波浪受防波堤掩護(hù)效果進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下主要結(jié)論：

（1）防波堤外圍四站的盛行浪向尤為集中，主要集中在155～195°N，該方位內(nèi)波浪的出現(xiàn)頻率在99.9%以上，其中又以175～185°N向波浪的頻率為最高。

（2）譜峰波周期的分布范圍寬（4～20s），其中9～16s譜峰周期波浪的出現(xiàn)頻率占88.7%，20s以上譜峰周期波浪亦有出現(xiàn)，頻率為0.44%。

（3）165～175°N向波浪，相對(duì)于防波堤的走向，該向波浪對(duì)防波堤的掩護(hù)效果更為不利。

（4）工程所在海域存在局地強(qiáng)風(fēng)引起大浪的可能，如1996年10月27日發(fā)生的強(qiáng)浪事件，其最大波高為2.57m，對(duì)應(yīng)的譜峰波周期為8.5s，平均波向?yàn)?34°N，但根據(jù)DHI的研究可知，該類局部強(qiáng)風(fēng)引起的極端海浪事件出現(xiàn)的頻次極低。

3.“東祥號(hào)”介紹

3.1 “東祥號(hào)”簡(jiǎn)介

“東祥號(hào)”是日本小島組于1995年建造的第一艘200m3非自航抓斗式挖泥船，總長(zhǎng)100m，總寬36m，型深6m，吃水3.6m，最大挖深30m，總噸位6985t，排水量約13000t，鋼樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)45m，直徑1.6m，重90噸/根，設(shè)計(jì)工作限制為船舶側(cè)傾2°。

3.2 “東祥號(hào)”在大涌浪、長(zhǎng)周期條件下的施工情況

在防波堤未形成掩護(hù)情況下，2016年12月29日“東祥號(hào)”進(jìn)入施工區(qū)域就位，準(zhǔn)備開工，當(dāng)鋼樁下到海床后由于暗涌的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，周期約10s以上，能量大，造成鋼樁的頂部不停撞擊鋼樁架，無(wú)法利用鋼樁進(jìn)行定位，出于安全考慮，防止鋼樁被撞擊斷裂或變形彎曲，故暫停施工，起樁拋錨避涌。之后每天在實(shí)時(shí)潮水的漲、退潮、高平、低平潮嘗試下鋼樁若干次，鋼樁晃動(dòng)嚴(yán)重，無(wú)法施工。

從2017年1月3日之后，由于施工區(qū)域不具備條件，在暗涌的影響下船舶尚未施工已側(cè)傾約3°，超過(guò)設(shè)計(jì)限制，加上鋼樁撞擊樁架等原因無(wú)法施工。并根據(jù)隨船技術(shù)圖紙資料及受力分析計(jì)算，若“東祥號(hào)”在存在暗涌波長(zhǎng)較長(zhǎng)工況下施工（船體傾斜角度θ＞2.5°），“東祥號(hào)”的抓斗起重機(jī)存在重大風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致抓斗起重機(jī)移位而卡死驅(qū)動(dòng)齒輪或傾覆，因此暫停施工。

隨著防波堤堤長(zhǎng)的不斷推進(jìn)，對(duì)部分施工區(qū)開始形成掩護(hù)?！皷|祥號(hào)”于2017年10月15日正式開工，施工和防波堤施工同步進(jìn)行，防波堤對(duì)施工區(qū)形成的掩護(hù)面積越來(lái)越大。

4.“東祥號(hào)”適應(yīng)的波浪條件

200m3抓斗船“東祥號(hào)”在海上進(jìn)行疏浚作業(yè)時(shí)，波浪要素需滿足一定條件，波高＜0.5m、譜峰波周期＜12s才能保證海上施工安全。

為確?！皷|祥號(hào)”后續(xù)施工方案的可行性，各波浪因素條件選擇如下：（1）根據(jù)河海大學(xué)波浪數(shù)模分析，165～175°N向波浪對(duì)施工區(qū)最為不利，165°N向波浪更為不利，因此選用165°N向波浪；（2）“東祥號(hào)”施工邊界譜峰波周期為12s，選用接近但對(duì)“東祥號(hào)”施工更為不利的譜峰波周期15s；（3）波高采用每月平均的有效波高。

河海大學(xué)波浪數(shù)模分析運(yùn)用“比波高”（局地波高與入射波波高）的比值的概念，開展施工作業(yè)條件的數(shù)值計(jì)算工作。其中局地波高為研究區(qū)域的實(shí)際波高，入射波高采用多年統(tǒng)計(jì)的每月有效波高。

根據(jù)Danish Hydraulic Institute（簡(jiǎn)稱DHI）推算的外圍計(jì)算點(diǎn)1993～2015年逐時(shí)海浪后報(bào)資料，得知每月有效波高?！皷|祥號(hào)”施工的邊界波高為0.5m，即局地波高需＜0.5m，才能保證安全作業(yè)。由此，可計(jì)算出“東祥號(hào)”可施工的每月比波高范圍。根據(jù)河海大學(xué)在防波堤堤長(zhǎng)1.8km、2.0km、2.2km和3.0km，165°N向波浪、15s譜峰波周期條件下的數(shù)模分析，并結(jié)合防波堤各階段施工節(jié)點(diǎn)，即可得出“東祥號(hào)”每月的可施工范圍。

5.防波堤對(duì)“東祥號(hào)”施工的掩護(hù)分析

5.1 防波堤長(zhǎng)度施工至1.8km時(shí)

根據(jù)防波堤施工計(jì)劃，預(yù)計(jì)2017年10月14日，防波堤長(zhǎng)度可施工至1.8km，根據(jù)加納特碼項(xiàng)目部計(jì)算的“東祥號(hào)”可施工的每月比波高范圍，10月可施工的比波高范圍需＜0.36，根據(jù)河海大學(xué)波浪數(shù)模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，1.8km防波堤對(duì)施工區(qū)形成的掩護(hù)范圍為碼頭前沿KP0～KP40，沉箱出運(yùn)通道KP0-KP40，部分下潛坑區(qū)域。

5.2 防波堤長(zhǎng)度施工至2.0km時(shí)

根據(jù)防波堤施工計(jì)劃，預(yù)計(jì)2017年11月16日，防波堤長(zhǎng)度可施工至2.0km，根據(jù)加納特碼項(xiàng)目部計(jì)算的“東祥號(hào)”可施工的每月比波高范圍，11月“東祥號(hào)”可施工的比波高范圍需要小于0.38，根據(jù)河海大學(xué)波浪數(shù)模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，2.0km防波堤對(duì)施工區(qū)形成的掩護(hù)范圍為碼頭前沿KP0～KP300，沉箱出運(yùn)通道KP0-KP300，下潛坑區(qū)域及約300m左右的內(nèi)港池區(qū)域。

5.3 防波堤長(zhǎng)度施工至2.2km時(shí)

根據(jù)防波堤施工計(jì)劃，預(yù)計(jì)2017年12月29日，防波堤長(zhǎng)度可施工至2.2km，根據(jù)加納特碼項(xiàng)目部計(jì)算的“東祥號(hào)”可施工的每月比波高范圍，12月可施工的比波高范圍需＜0.42，根據(jù)河海大學(xué)波浪數(shù)模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，2.2km防波堤對(duì)施工區(qū)形成的掩護(hù)范圍為碼頭前沿KP0～KP500，沉箱出運(yùn)通道KP0-KP500，下潛坑區(qū)域及約500m左右的內(nèi)港池區(qū)域。

5.4 防波堤長(zhǎng)度施工至3.0km時(shí)

根據(jù)防波堤施工計(jì)劃，預(yù)計(jì)2018年7月28日，防波堤長(zhǎng)度可施工至3.0km，根據(jù)加納特碼項(xiàng)目部計(jì)算的“東祥號(hào)”可施工的每月比波高范圍，7月東祥可施工的比波高范圍需要＜0.31，根據(jù)河海大學(xué)波浪數(shù)模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，3.0km防波堤對(duì)施工區(qū)形成的掩護(hù)范圍為碼頭基槽KP0～KP1400，沉箱出運(yùn)通道KP0-KP1400，內(nèi)港池所有區(qū)域及部分調(diào)頭圓。

6.施工效果

防波堤對(duì)施工區(qū)域的掩護(hù)為“東祥號(hào)”的順利施工創(chuàng)造條件，根據(jù)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從“東祥號(hào)”開工至工程完工，在防波堤形成掩護(hù)條件下，惡劣天氣迫使停工的時(shí)間占總在場(chǎng)時(shí)間的2.7%。

河海大學(xué)波浪數(shù)模分析較為直觀地顯示了加納特碼新集裝箱碼頭的防波堤修建至不同長(zhǎng)度時(shí)“東祥號(hào)”的可施工范圍。模型所運(yùn)用的波浪條件，根據(jù)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的多年波要素，均取對(duì)“東祥號(hào)”施工偏安全的值，在滿足波浪條件下的防波堤長(zhǎng)度可保證施工區(qū)大多數(shù)時(shí)間的施工安全。

7.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，最終為該工程大型挖泥船“東祥號(hào)”的施工節(jié)省了寶貴時(shí)間，降低了船舶施工風(fēng)險(xiǎn)及停滯等成本，為后續(xù)“東祥號(hào)”在其他惡劣海況項(xiàng)目施工提供了解決思路。