基于功能的深水岛式斜坡式防波堤方案设计

2013-01-21杨云兰司银云王汝凯

中国港湾建设 2013年6期

杨云兰，司银云，王汝凯

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

1 依托工程概况

“中委合资广东石化2 000万t/a重质原油加工工程”是中国石油天然气股份有限公司与委内瑞拉国家石油公司的合资项目，也是目前国内乃至世界一次性建设加工能力最大的炼油项目[1]。炼厂建在广东省揭阳市惠来县新龙江河出海口西岸。与炼厂配套的30万吨级原油码头工程建在惠来县东部沿海石碑山灯塔东侧开敞海域，接卸的原油通过海上大跨度钢引桥（管线桥）输送至陆域的原油中转库，再通过陆上管道输送到相距26 km的炼厂[2-4]。

根据工程海域的波浪实测资料统计[5-9]，无掩护时，30万吨级原油泊位的可作业天数不足180 d，且连续不可作业天数达56 d。为确保炼厂的供油安全，避免增加运输船舶的购置费及中转库容的建设费，减少船舶发生等候靠泊或中途离泊带来的高额滞船费用，必须设置防波堤为30万吨级原油泊位提供掩护。考虑到原油泊位离岸较远，选择了岛式防波堤平面布置方案，见图1[10]。

2 主要自然条件

2.1 水深条件及波浪

岛式防波堤离岸约2.0 km，水深约-21.0～22.0 m（从当地理论深基面起算）。

根据岛式防波堤区域实测波浪资料[9]，波浪方向主要分布在S向～E向之间，全年H1/3大于150 cm的出现天数为182 d，特别是东北季风控制期的212 d时间内出现156 d，即东北季风控制期内，约有2/3以上日数H1/3大于150 cm。资料显示，无掩护状态下，30万吨级原油码头的可作业天数不足180 d，且连续不可作业天数达56 d。

图1 原油码头区总平面布置图

2.2 防波堤设计波浪要素

防波堤使用期和施工期设计波浪要素详见表1、表2（高程系从当地理论深度基准面起算）。

表1 防波堤设计波浪要素（50 a一遇，使用期）

表2 防波堤设计波浪要素（10 a一遇，施工期）

2.3 地质条件

岛式防波堤区域表层覆盖着10.0～15.0 m厚度软弱土层（表层为2.0～4.0 m厚度的淤泥，其下为标贯N≤10击的中粗砂、淤泥质土、黏土～粉质黏土），之下为密实的粉细砂层或中砂、粗砂、砾砂层。

2.4 地震条件

依据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》，本区域的地震基本烈度为VII度，地震水平动峰值加速度为0.15 g。

3 平面布置和堤顶高程确定

3.1 防波堤的功能分析

通常防波堤的功能是为某个港区提供掩护，很少为单个泊位提供掩护。当防波堤与港区码头分离式布置时，防波堤堤顶高程常按允许少量越浪设计，堤顶高程宜定在设计高水位之上不小于0.6H（50 a一遇设计波高）处。

对于特殊工程，当防波堤仅为单个泊位提供掩护，且因远离陆域采用岛式布置时，防波堤的功能和设计标准是值得研究的。如果防波堤的功能仅考虑提供泊稳条件和可作业天数，则防波堤的设计标准可适当降低，只需考虑阻挡高频率方向上2 a一遇的波浪，而让50 a一遇的极值波浪大量越过堤顶，堤体结构仍保持稳定即可。按此标准设计，防波堤的堤顶高程可以大幅度降低，防波堤的工程造价也会大幅度降低，当防波堤位于深水海域时，经济效果会十分显著。

3.2 基于功能的防波堤设计新思路

根据依托工程海域的波浪实测资料，无掩护时，30万吨级原油泊位的可作业天数不足200 d，且船舶发生等候靠泊或中途离泊的几率大，高额滞船费用风险高，即使增加泊位，也不能保证炼厂的正常营运，必须设置防波堤为原油泊位提供掩护。考虑到原油泊位离岸较远，选择了岛式防波堤平面布置方案。

由于岛式防波堤海域水深达-22.0 m，有效波高达8.5 m，如果按现行规范[11]设计，则防波堤高程较高，防波堤断面尺度巨大，造价高昂。为降低工程造价，从实现防波堤功能的角度，采用了基于功能的超大型低矮型斜坡式防波堤的设计新思路：即尽可能降低防波堤顶高程，最大限度缩小防波堤断面，降低工程投资，防波堤设计只需考虑阻挡高频率方向上2 a一遇的波浪，而让低频率的大浪（台风浪、50 a一遇的波浪）从堤顶越过，并通过适当拉开防波堤与码头之间的距离，确保越过堤顶的波浪不直接冲击码头结构。

3.3 防波堤设计标准

防波堤的设计标准包括设计潮位标准、设计波浪标准、越浪量标准、抗震设防标准。其中3个标准在现行港口工程规范[11]中都有明确的规定，只有防波堤越浪量标准是建议性的，是由防波堤功能确定的。依托工程防波堤的功能是阻挡高频率方向2 a一遇的波浪，为30万吨级原油泊位提供完成运量的可作业天数305 d。为此确定其设计标准为：

1）设计潮位标准：重现期50 a一遇的潮位；

2）设计波浪标准：重现期50 a一遇的波浪；

3）抗震设防标准：按工程区域的基本烈度设防；

4）越浪量标准：在设计高潮位与2 a一遇的波浪组合工况下（S向至E向高频率波向），越过堤顶的波浪与绕射波浪、透浪叠加后，仍能满足30万吨级油船的可作业标准；在50 a一遇的潮位与50 a一遇的波浪组合工况下防波堤结构保持稳定，且越过的水体不直接冲击码头结构。

3.4 防波堤平面布置及堤顶高程确定

根据依托工程前期大量的技术、经济综合比选，30万吨级原油泊位前沿线位置确定在粤东石碑山灯塔东侧-21.50 m海域，离岸约2.0 km，如果采用接岸的防波堤平面布置，则防波堤的造价高达11.0亿元，为节省投资，推荐采用岛式防波堤的布置形式。

岛式防波堤布置在30万吨级原油泊位外海侧-22.0 m水深附近，走向为55°～235°，和潮流的流向基本一致，可以较好地掩护南向至东向高频率方向上的波浪。防波堤分为北段及南段两段。30万吨级原油泊位布置在南段防波堤内，走向和南段防波堤平行（见图1）。

岛式防波堤与码头前沿线的距离、防波堤各段的长度、防波堤的堤顶高程最终是通过波浪整体物模试验确定的。

在平面设计之初，确定的岛式防波堤中心线与码头前沿线距离为140 m，南段防波堤长度为800 m，北段防波堤长度为150 m，防波堤堤顶高程为5.5 m（考虑堤顶垫层块石的顶高程取与设计高水位+1.87 m齐平,目的是减少透浪系数）；后经波浪整体物理模型试验进行了优化，试验成果表明：岛式防波堤中心线与码头前沿线距离为122 m、南段防波堤长度为743.9 m、北段防波堤长度为113.0 m、圆弧段长度为63.5 m（防波堤总长为920.4 m）、防波堤堤顶高程为4.0 m就能实现防波堤的功能，使原油码头能获得305 d的可作业天数。同时，50 a一遇的潮位与50 a一遇的波浪组合工况下，越过防波堤的水体不直接冲击码头。

30万吨级油船的可作业标准、允许作业的防波堤外海波高详见表3和表4。

表3 船舶装卸作业标准

表4 各向允许可作业波高H 1/10

4 防波堤结构

4.1 结构方案

超大型低矮型斜坡式防波堤堤顶高程+4.0 m，堤心顶高程为-1.85 m，堤身外侧从坡顶到坡脚分别采用52 t、41 t和20 t扭王字块护面；堤身内侧分别采用52 t、41 t和10 t扭王字块护面；堤顶采用52 t扭王字块护面；堤身内、外侧边坡均为1∶1.5。堤头两侧分别采用63 t、50 t和20 t扭王字块护面；堤顶采用63 t扭王字块护面；两侧边坡均为1∶1.5。41～63 t扭王字块体的垫层块石重量2～3 t，20 t扭王字块体的垫层块石重量 1～2 t，10～12 t扭王字块体的垫层块石重量0.6～1 t。

防波堤位置水深浪大，地基表层淤泥较薄，水上抛填堤心石不能达到陆上推填挤淤效果，为了满足堤体稳定，表层淤泥需清除后再抛填堤心石。堤身两侧均采用100～150 kg块石护底。防波堤堤身断面图见图2。

4.2 防波堤结构断面设计

1）防波堤堤顶高程确定。在研究防波堤的功能、确定防波堤的设计标准之后，确定防波堤采用低矮型斜坡式防波堤设计方案。最初的思路是将防波堤堤顶护面块体的垫层块石的顶面与设计高水位齐平（以避免过大的透浪），这样确定的堤顶高程为+5.5 m，通过波浪整体物模试验，将堤顶优化为+4.0 m（如果按规范[11]设计，则堤顶高程达+9.5 m）。

2）防波堤护面块体稳定计算。防波堤护面块体的稳定重量按规范[11]计算，见表5。

表5 斜坡堤扭王字护面块体计算表

由于防波堤的堤顶高程较低，在设计高水位之上0.22 H5%处，堤顶护面块体的重量需增加：堤身段，在外坡坡顶段和堤顶取52 t的扭王字块体；堤头段，在内外坡坡顶段和堤顶取63 t的扭王字块体（因高于设计高水位0.2 H5%，因此，不直接按规范[11]将块体重件增大到计算值的1.5倍）。

图2 超大型岛式斜坡式防波堤断面图

3）防波堤整体稳定性验算。采用slope软件按简单条分法计算，见表6。

表6 斜坡堤整体稳定计算结果

4.3 防波堤波浪断面物模试验

1）断面试验内容。使用期（工况一）：验证各设计水位与对应50 a一遇设计波浪组合工况下，防波堤断面各部分结构的稳定性以及量测堤后次生波浪要素、越浪水体冲击范围；使用期（工况二）：在设计高水位与2 a一遇波浪（S向—E向）组合工况下，量测码头停泊水域的波高；施工期：验证在设计高低水位与10 a一遇波浪组合工况下，防波堤堤顶高程施工至-8.0 m时各部分结构的稳定性（因防波堤施工跨越台风年，需考虑防波堤施工期的稳定性）。

2）试验结论。使用期（工况一）：防波堤各部分结构稳定，越浪水体不直接冲击码头；使用期（工况二）：越过堤顶的波浪与绕射波浪、透浪叠加后，仍能满足30万吨级油船的可作业标准；施工期：断面结构稳定。