陆丰海洋基地码头工程防波堤平面布置

2020-04-09彭于轩严晨宇王世俊冯海波

水运工程 2020年3期

彭于轩，严晨宇，王世俊，冯海波

(1.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东广州 510290；2.广东省海岸与岛礁工程技术研究中心，广东广州 510006；3.珠江水利科学研究院，广东广州 510611)

在全面落实国家“十三五”规划、强力推进可持续绿色经济发展的大背景下，作为可再生能源开发利用的重要组成部分，风电场建设进入快速发展期。与陆上风电相比，海上风电凭借其占用土地资源少、对周边环境影响小、发电效率较高等优势[1]，近年来发展迅速，海上风电生产与运维基地也应运而生[2]。

防波堤作为海上风电生产与运维基地码头工程的屏障，其布置应科学合理。众多学者对防波堤平面布置进行了深入研究，包括数值模拟及整体物理模型等，研究因素包括防波堤的轴线走向和长度[3-5]，以求港内获得优良的掩护效果、更多的作业天数及减少波能集中。此外，也有学者研究防波堤建设对口门流速及泥沙淤积的影响[6-7]，或通过操船模拟试验研究防波堤口门宽度与操船安全之间的关系[8],以及从规划布局、建设时序、初期投资及可持续发展等角度[9]论述防波堤平面布置的优化。防波堤的布置关系到港内泊稳条件及投资规模。若布置不当，可能会扰乱周边流场、恶化进出港及靠离泊条件，或增加港内淤积带来的维护成本，甚至导致发生大规模的海岸侵蚀或堆积等不利的岸滩演变，破坏当地海洋生态平衡。

陆丰海洋基地位于陆丰市碣石镇陆丰核电厂东北侧约2 km处，总用地约145万m2，规划有海上风机制造配套厂区及特种运输船舶专用码头。码头包括8 000吨级重件泊位、5 000吨级重件泊位和运维泊位各1个。工程所在海域常年风浪大，作业条件差，防波堤的建设尤为必要。

本文主要从防波堤开口方向及延伸长度2个角度，结合对应的波浪、潮流泥沙及岸滩演变数值模拟研究，对防波堤平面布置进行分析，以期提出既满足基地近期运维能力需要、工程投资节约，又有利于港区泊位将来发展的方案性建议，同时尽量降低工程建设对所在海区海洋生态环境的影响。

1 水文条件及作业标准

1.1 水文条件

1)波浪。工程所在海区波浪大，是影响本项目建设考虑的主要因素之一[10]。根据工程周边波浪测站(图1)全年连续观测资料，结合工程所在地形特点，对以上测站资料进行分析、修正，得出适用于本工程的波浪玫瑰图(图2)。可见，工程海区常浪向为SE、次常浪向为ESE和SSE，频率分别为35.6%，25.4%和21.1%，强浪向为S。夏季风期波向分布主要以S～SSW为主，占55%以上；冬季风期波向分布主要以E～SE为主，占90%以上。年平均波高H为1.2 m，平均周期4.8 s。

图2 波浪玫瑰图

2)潮流。潮流观测资料[11]显示，海域海流属规则或不规则半日潮流，潮流运动形式均为较明显的往复性流动，最大可能流速为83.5 cms。

3)泥沙。工程所在海岸属于螺线弧形侵蚀性海岸，岸线整体以侵蚀遮蔽段方式逼近极端平衡状态，附近无入海河流，海源来沙有限。工程处波浪动力较强，潮流作用相对较弱，存在一定的沿岸输沙。

4)岸滩演变。根据遥感影像历史资料比较分析及现场考察，工程所在海域岸线整体后退严重(尤其是2014—2017年，岸线后退超过100 m)，其中人为干扰显著(无序大肆采挖)，岸线变化远超出自然侵蚀后退速率(工程所在老红砂区岸滩侵蚀阶地主要以高潮位附近水流淘蚀后崩塌的形式导致岸线后退，当地潮汐作用较弱，其引起的后退速率也较低)。

1.2 作业标准

根据《海港总体设计规范》[12]及船厂提供部分数据,工程设计船型作业标准如表1所示。

表1 作业标准

2 数值模拟

2.1 波浪模型

基于第三代海浪数值模式WAVEWATCH III建立台风浪后报模式，风场模式采用改进的Jelesnianski经验风场模型NCEP再分析风场相结合的方式；在充分验证的基础上，对1986—2017年间对工程海域可能产生影响的211次热带气旋进行台风浪数值后报，并统计、分析工程外海30 m等深线附近不同重现期的设计风、浪要素，为近岸波浪数学模型计算提供边界条件。

解决中尺度空间近岸波浪计算时采用MIKE21 SW波浪模型，考虑波-波间的非线性作用、水深变化引发的波浪破碎产生的能量损耗、底摩阻引起的能量损耗、水深变化以及干湿边界的影响、风生浪、波浪反射、绕射及浅水变形等。入射波浪采用JONSWAP谱模拟不规则波，计算时按砂质海域考虑底摩擦系数的取值，根据经验取0.008～0.040，破碎指标取0.81。

港内波浪计算采用MIKE21 BW波浪数学模型的2DH BW波浪模块，模型基于Madsen和Sørensen于1992年提出的改进Boussinesq方程数值解。边界条件为内部造波，并采用海绵层进行消浪(入射边界将消波层设置在波浪生成线后方)。利用孔隙层设置反射系数，其中斜坡式防波堤取值0.85。

2.2 潮流泥沙模型

潮流泥沙数值模型主要基于MIKE21 Flow Model FM模块进行研究，计算范围覆盖碣石湾、甲子水域，西边界位于遮浪角，东边界位于甲子港，南边界超越-30 m等深线。采用非结构性网格，对工程及地形变化较大处进行加密，网格最大步长1 000 m，最小步长5 m，时间步长30 s。动边界处理中，采用冻结法处理潮滩的干湿特征，动边界控制水深采用5 cm，并根据已有水文测站资料对模型进行了验证。港池航道悬沙回淤强度预测采用刘家驹公式进行计算，大风作用下的骤淤量依据《港口与航道水文规范》中粉砂质海岸推移质淤积强度计算方法进行计算，推移质底沙中值粒径按粉砂-细砂的粒径0.032 0、0.062 5、0.125 0 mm选取，计算时长3 h。

2.3 岸滩演变模型

岸滩演变模型假设岸滩剖面在变形过程中保持不变，海岸泥沙运动的向岸和向海侧两条界线保持不变，等深线与岸线平行，岸滩演变简化为剖面的前进或后退。根据沿岸输沙质量守恒(即认为某一段海岸中，输入和输出的沿岸输沙率的差值就等于该段海岸的淤积率或冲刷率)，得出沿岸输沙的连续方程，即岸线变形方程。忽略岸滩剖面的季节性变化，取为保持不变的平均剖面形状；当地岸线有一个长期的演变趋势时，计算单向入射波条件下，月-年际时间内、大范围平直沙质海岸建筑物附近岸线变化。考虑绕过建筑物头部的泥沙转运和透过或越过建筑物的泥沙输移，并假设沿岸输沙率在横向上分布均匀。

工程区域泥沙运动以横向输移为主。结合岸线模型自身的特点，以工程为中心，模拟区域为矩形，外边界在-18 m等深线附近，垂直岸线方向宽约1.2 km，平行岸线方向长约3.2 km。波浪边界条件由大尺度风浪场提供，并考虑近岸风浪传播、波浪破碎及波生流。泥沙粒径以岸滩采样泥沙颗分结果为基础。

3 防波堤平面布置分析

3.1 开口方向

工程所在SE向为常浪向，近期泊位需求数量、投资有限且本项目特种船型使用天数及对泊稳条件要求不一，防波堤暂不考虑SE向开口的环抱式布置方式。根据岸线生态保护要求，防波堤设置为离岸式，距离海陆分界线150 m。考虑到海岸走向近似为SW～NE，常浪向为SE及码头所在位置水深及地形特点(后方基地陆域位置已定)，口门方向考虑为近似SW向开口及近似NE向开口两种情况(图3)。对开口方向影响的因素主要有：泊稳条件、港内极端波浪荷载、对现有流场的影响、泥沙运动方式的变化、岸滩演变及远期发展空间等。

图3 防波堤平面布置方案

3.1.1泊稳条件

由表2可见，2个方案泊位处的2 a一遇H4%均超过作业标准要求。从波浪影响作业天数考虑，西南开口泊稳条件更好；从延长相同长度带来的收益考虑，东北开口方向延长以后泊稳条件改善更明显。

表2 港内2 a一遇波高及不可作业天数对比

可见，在相同的防波堤长度条件下，东北开口方案港内2 a一遇波高相对较小，但波浪影响作业天数明显多于西南开口方案。总体而言，西南开口方案港内泊稳条件更好，工程代价更小。但是，东北开口1#泊位波浪影响作业98 d，是根据运维船作业标准(横浪0.4 m，周期小于6 s)进行考虑的，根据运量分析该船年需作业时间仅为200 d，1#泊位运营需求已满足。因此，东北开口方案也可接受。

3.1.2极端波浪荷载

工程海域强浪向为S向，根据岸线走向及防波堤围护特点，防波堤SW向开口条件下，波浪从S向入射时，不仅边界值大，绕射衰减也更小，根据计算结果(表3)，西南开口泊位波高比东北开口大70%～100%，码头承受波浪荷载须特别考虑。总体而言，防波堤西南开口条件下，港内泊位处极端情况波高值更大。

表3 港内极端波高对比

3.1.3潮流及泥沙条件

1)流场。工程实施引起的流态变化主要位于防波堤附近水域，表现为涨落潮水流在流经防波堤时产生小范围的绕流，港池内流速大幅减弱，距离防波堤位置较远水域水流流态基本不变。总体而言，各方案变幅均在±0.1 ms以内，差别不大。图4为东北、西南开口方案与现状工况下夏季涨急流态对比。

图4 2种开口方案与工程前的夏季涨急流态对比

2)常年淤积。港池和航道开挖后的泥沙回淤包括悬移质引起的淤积和推移质引起的淤积两部分。拟建工程位于甲子海域近岸区域，工程后防波堤能够阻挡水域大部分来沙，因此防波堤内以悬沙为主进行回淤估算。根据刘家驹公式[13]，对各方案常年淤积厚度进行计算，结果见表4。

表4 不同方案条件下常年回淤计算结果

工程海域含沙量低，防波堤及码头均为离岸式，各方案港内水动力条件类似，泥沙整体以横向运动为主，常年淤积量不大，且各方案差异较小。

3)骤淤。泥沙骤淤计算依据《港口与航道水文规范》中粉砂质海岸推移质淤积强度计算方法。推移质底沙中值粒径按粉砂-细砂的粒径0.032 0、0.062 5、0.125 0 mm进行计算，计算时长3 h。一次大风情况下，不同方案条件下50 a一遇及2 a一遇波浪产生的骤淤强度见表5。根据不同方案泥沙骤淤的结果对比分析可知，西南开口向方案航道骤淤淤强更小。

表5 各方案工程后不同粒径底沙骤淤结果 m

根据潮流泥沙数学模型结论可知，防波堤开口方向在流场变化及港内泥沙淤积上并未引起较大的区别。流场影响范围有限，均表现为港池及航道流速减小、防波堤堤头(离岸较近的堤头)与岸线缺口处流速略微增大；港内淤积以悬沙淤积为主，由于当地含沙量较少，码头及港池离岸有一定距离，淤积强度不大，差异主要表现在航道骤淤，南开口有相对优势(骤淤更少)。总体而言，相比波浪条件差异程度，潮流泥沙因素对于开口方向的判定影响比重更小。

3.1.4岸滩演变条件

工程所在海岸为华南沿海典型的弧形海岸切线岸段[14-15]，现阶段呈现侵蚀状态。海岸演变主要由波浪动力控制，潮汐动力相对较弱。泥沙输运以横向输沙为主，年均纵向输沙量约10万m3，净输沙方向为NE～SW向。

根据计算结果，东北开口方案条件下，防波堤堤头在岸线垂直投影以南侧发生一定的淤积，淤积范围在188～336 m，最大淤积宽度36 m；在堤头投影以北相邻区域发生冲刷，最大冲刷宽度20 m，冲刷范围在616～868 m。在1#泊位引桥根部发生一定程度的淤积，岸线最大淤积宽度41 m，纵向淤积长度在130～216 m。2#码头南侧突堤根部亦发生一定程度淤积，淤积宽度在33～46 m，纵向淤积长度在230～386 m，南侧岸段略有冲刷后退，最大冲刷宽度12.6 m，纵向冲刷长度在450 m左右,见图5 a)。

在西南开口条件下，防波堤堤头在岸线垂直投影以北侧发生一定的淤积，淤积范围大致在100 m以内，最大淤积宽度22 m；在堤头投影以南相邻区域发生冲刷，最大冲刷宽度约13 m，冲刷范围在480～510 m。在1#泊位引桥以北区域有一定程度的淤积，岸线最大淤积宽度18 m，纵向淤积长度在130 m以内。南侧岸段局部冲刷，岸滩冲刷纵向长度在510 m以内，最大冲刷宽度4.7 m，见图5b)。

图5 2种方案岸滩演变

在东北开口防波堤方案的影响下，拟建工程所在岸线将向平衡岸线形态调整。对于1#码头东北侧岸线，在防波堤掩护下，入射波浪发生绕射折射，掩护范围内岸线及引桥接岸附近岸线淤积，淤积区以北侧岸线发生侵蚀。与西南开口方案相比，东北侧开口方案入射波浪折射绕射影响更为显著，导致岸滩横向冲淤宽度和纵向冲淤幅度更大。西南开口方案对现有岸线造成的影响较小，采用东北开口方案时须对更大范围的岸滩采取保护措施。

3.1.5远期发展空间

目前工程后方陆域厂区布置和码头位置已定，在上述既定的基础上对防波堤平面布置进行研究(图6)。

图6 工程海区地形

从陆域上看，码头往西南方向至下岬角距离较近，结合水深测图、工程进出港航道平面尺度要求及已规划岸线等分析，工程远期往西南侧发展空间相对有限，未来厂区以往东北侧发展为主。在此条件下，若防波堤开口方向朝西南，工程扩建所需范围较大、远期东北侧需要增加泊位时，须另设防波堤，形成双港池。形成双港池时，2个港池不相互连通，船舶使用不便。若开口朝北，防波堤可根据实际需要分期延长，到发展后期可从东北侧远端另设防波堤并向西南向围护，与已建防波堤共同形成环抱状，围成一个大型港池，或在需要的位置设置适宜数量的拦沙堤，港内淤积问题将可得到解决。

总体而言，从远期发展的角度看，东北开口方案更有利。