考虑不同掩护条件的设计波浪标准确定

胡建波，尹永欣，2，吕迎雪

（1.中交天津港湾工程设计院有限公司大连分公司，辽宁 大连 116001；2.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

1 项目背景

1.1 工程概况

东营港三突堤1—6号泊位工程位于山东省东营市东北部、渤海西南岸，黄河入海口以北约50 km处。在港区规划[1]的三突堤位置处建设5 000~10 000吨级泊位6个，泊位总长1 019 m。码头采用高桩梁板式结构，通过引桥与后方陆域连接，陆域护岸长1 556 m，采用斜坡堤结构。港区现状及规划情况分别见图1和图2。

图1 港区现状图（阶段一）Fig.1 Present situation of harbour district（first period）

图2 港区规划图（阶段四）Fig.2 Planning of harbour district（forth period）

不同于一般工程大致分为施工期和运营期两阶段，本工程护岸和码头可详细划分为如下实施进度：1）护岸施工期；2）护岸结构完工后的罐区施工期；3）码头施工期；4）工程运营初期（近期）；5）南北防波堤形成环抱式港池后的运营期（远期）。

本工程开展研究工作之初，规划中的南、北防波堤及港内突堤均未建设，整个东营港仅有北防沙堤与西侧陆域形成一定掩护，东-东南方向均处于开敞无掩护状态，易受波浪影响。但未来防波堤实施后，掩护条件良好。设计波要素选取过大会造成不必要的投资浪费，选取过小则不能保证工程安全。因此分阶段确定掩护条件，采用合理的设计波要素是建设方案研究的重点内容之一。

1.2 掩护条件分析

方案研究过程中，随着工作的不断深入和对周边项目的调查研究，结合周边工程建设情况，对本工程采取“近期无掩护、远期有掩护”相结合的方案。通过调查得知，北防波堤正开展前期工作，预计将先于本项目投入使用。南防波堤当时尚未开展工作，但作为南港池航道的掩护工程，预计一突堤北围堰将先行建设。

因此，在前期工作阶段，根据北防波堤、一突堤北围堰及南防波堤的实施方案和预估进度，分为4个阶段推算设计波浪。阶段一为现状情况下，北防波堤及一突堤围堰均未建，周边掩护情况见图1；阶段二为北防波堤建成，一突堤围堰尚未建设，周边掩护情况见图3；阶段三为北防波堤与一突堤北围堰均建设完成，港池航道疏浚完成，周边掩护情况见图4；阶段四为远期港区规划实施后，见图2。

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

图4 北防波堤及一突堤北围堰建成（阶段三）Fig.4 After north breakwater and north cofferdam of first jetty built（third period）

根据上述不同阶段下的平面布置，推算各阶段不同水位不同重现期不同波向作用时的设计波浪要素，为码头和护岸设计提供依据。

2 设计波要素推算

2.1 计算内容

波浪推算考虑ENE、E、ESE、SE、SSE共5个方向。其中设计波浪要素计算时考虑三突堤未建，且对三突堤位置处原建筑物进行消波处理。泊稳波高的计算考虑三突堤已建，并考虑相应结构物的反射作用。外海波浪采用国家海洋局第一海洋研究所[2]给出的本工程附近-13 m等深线处的各方向波要素。

2.2 计算方法

BW模型建立在Boussinesq方程[3]基础上，是MIKE21模型中的波浪模块。MIKE21-BW模块中考虑的物理现象有：波浪的浅水变形、绕射、折射、波浪的破碎、底摩阻损耗、波浪的全反射和部分反射、波-波非线性作用、波-流作用以及波浪在水流的作用下完全受阻的现象等，近年来在海港工程波浪研究中应用广泛，可用于港内波况和码头泊稳计算以及码头设计波要素计算。

MIKE21-BW不同于一般波浪数学模型，它是在指定时段和指定区域内模拟波浪运动的物理过程，然后根据记录下来的水面波动过程，统计波高等特征值。从这个意义上讲，用MIKE21-BW进行数学模型试验与通常的物理模型试验方法及步骤完全相同，所以它对现场波况的描述更加真实可靠。

BW的控制方程为一套经过改进的水平二维Boussinesq方程，可以表达为：

连续方程：

对上述方程采用ADI算法（交替方向法），式中各项保证二阶精度。新形式的Boussinesq方程改进了色散关系式，使MIKE21-BW模型适合模拟从深水到浅水的传播。

2.3 计算结果

根据推算[4]，各阶段下ESE向均为最大波浪方向，最大波浪出现在码头最东侧。设计波浪推算结果见表1。

表1 设计波浪要素Table 1 Element of design wave

远期东营港总体规划实施后，南北防波堤全部建成，形成环抱式掩护，港内波高进一步减小，考虑风成浪的港池内波高可降低至0.8 m以下。

3 设计标准的确定

3.1 确定原则

1）本工程实施之初，北防波堤前期工作已进入尾声，短期内即将开工；作为航道掩护工程的一突堤北围堰也已开展前期研究工作，预计建成时间与本工程大致相当。但是南防波堤尚未有较为明确的实施计划。因此设计时应考虑到工程投产时南防波堤未建成的可能。

2）本工程设计过程中可按照周边工程实施进度和本工程工期确定本工程不同构筑物的掩护条件，合理节约投资。虽然北防波堤与一突堤北围堰已经开展工作，但考虑工程建设的不确定性，也应考虑到这两个掩护工程工期延后的可能性，考虑掩护条件不足时采取结构加强措施，在保证安全的前提下合理平衡工期和造价。

3.2 陆域护岸设计标准

3.2.1 结构稳定性计算

1）本工程陆域护岸开始实施之初，北防波堤尚未开工建设，工程所在位置处于无掩护状态，因此按照图1所示阶段一的情况，考虑重现期10 a的设计波要素计算护岸结构的稳定性，包括护面块体、护底块石、挡浪墙稳定性。

2）由于护岸开工建设之初，尚不确定南防波堤的具体实施工期，因此按图4所示阶段三的掩护条件，考虑重现期50 a的设计波要素计算护岸结构的稳定性。

因此护岸挡浪墙、护面块体、护底块石等结构的稳定性由阶段一重现期10 a和阶段三重现期50 a的设计波要素控制。

3.2.2 挡浪墙顶高程的确定

罐区投入使用后，护岸将作为直接掩护罐区海堤，根据GB 50074—2014《石油库设计规范》[5]，罐区属于一级石油库。根据GB 50201—2014《防洪标准》[6]和GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》[7]，护岸应按一级海堤设计，潮位和波浪的重现期取100 a。按照JTS 165—2013《海港总体设计规范》[8]，直接掩护罐区的堤岸也应按重现期100 a的潮位和波浪进行设计。罐区投入使用后按图2所示阶段四的掩护条件确定挡浪墙顶高程。阶段四南北防波堤形成环抱式港池后，港内掩护条件非常好，因此还应按照其他阶段进行复核。

阶段一和阶段二基本对应陆域形成工程的建设期，因此对挡浪墙顶高程不作要求。根据周边工程建设情况预估，当陆域护岸和地基处理完成后，陆域储油罐、管线等设备的施工期将基本对应阶段三。由于罐区均属于危化品储罐，考虑两方面因素，一是在设备施工完成到正式运营期这段时间，防止越浪上水造成设备腐蚀等安全隐患；二是考虑到周边掩护工程建设工期的不确定性，如果罐区投入运营时南防波堤未建成，则需按阶段三掩护条件确定的标准加高挡浪墙。考虑上述两方面因素，按阶段三重现期50 a的设计波要素控制挡浪墙顶高程，为加高挡浪墙留有余地。

3.3 码头设计标准

《海港总体设计规范》[8]规定，码头面顶高程应考虑上水标准和受力标准。由于陆域形成完成后再进行码头施工，北防波堤堤身已基本形成，因此码头设计不考虑阶段一。

上水标准：考虑南防波堤建设的不确定性，按照阶段三的掩护条件，分别考虑设计高水位组合10 a一遇波浪和极端高水位组合2 a一遇波浪。

受力标准：按阶段三重现期50 a的设计波浪控制。同时考虑施工期影响，采用阶段二设计高水位下重现期10 a的波浪复核。

港池航道底高程：应按运营期需要的水深确定底高程，原则上应按阶段四确定，但考虑南防波堤建设的不确定性，按阶段三（近期）和阶段四（远期）分别计算。实施阶段再根据南防波堤建设情况最终确定疏浚底高程。

设计波要素确定结果见表2。

表2 设计波浪重现期标准汇总表Table2 Summary tableof reappearance period of design wave

4 结语

工程实施初期，周边基本处于无掩护状态，但未来防波堤实施后，掩护条件良好。若直接采用过大的设计波要素会造成不必要的投资浪费，也会导致陆域和码头顶面高程过高，给运营带来一定不便。设计波要素选取过小，又给工程安全带来隐患。

研究过程中，结合周边工程建设情况，对本工程采取“近期无掩护、远期有掩护”相结合的方案，并根据周边工程建设进度和本工程实施情况适当留有调整的余地，分阶段确定掩护条件。对施工期和使用期采用不同重现期设计波浪要素，与外海防波堤的实施计划相协调，既保证施工期的结构安全，又能保证运营期正常使用，同时节约投资，推进了工程实施进度。