一种适用于中小型游艇码头的透空式防波堤

2020-06-01李亮亮高羽末汤志生中交上海航道勘察设计研究院有限公司

珠江水运 2020年8期

李亮亮高羽末汤志生中交上海航道勘察设计研究院有限公司

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的城市依托河口、湖泊以及海岸规划新建高品质游艇俱乐部或住宅区，随之将产生区域内较为集中的中小型游艇码头。然而，传统实体式防波堤占用海域且不利于水体交换，造价较高且对原状地基有较高要求。故为了满足中小型游艇的泊稳需求，要配套新建透空式防波堤作为减小区域风成浪的设施。

本文以曹妃甸新城游客码头项目为例，对现在国内外流行的透空式防波堤从消浪效果、适用范围以及工程兼顾性加以对比分析，提出较适用于中小型游艇码头的透空式防波堤设计方案，供类似项目参考。

图1 工程位置图

1.工程案例

1.1 项目简介

曹妃甸新城游客码头项目位于唐山市曹妃甸新城南部，溯河河口西岸，东南方向约1km为滨海大道溯河大桥通航口，正东方向约2.0km为河口东岸，主要波浪类型为小风区风成浪，外海波浪影响较小。

工程所在位置外侧为滨海大道，有一定的掩护，但东向及东南向水域风区长度较长，导致风浪较大，船舶停泊条件较差，尤其是在大风浪天气，船舶泊稳条件很差。因此本工程需建设防波堤为船舶停泊提供较好的停泊条件。但考虑到本工程位于河口区，防波堤建设应尽可能的减少对河道的行洪影响，故宜采用透空式防波堤结构。

透空式防波堤是指由支墩和没入水中一定深度的挡浪结构组成的防波堤。在材料使用上和经济上看来都较为合理，特别适用于水深较大，波浪较小的条件；有利于港池内外的水体交换，相比于抛石斜坡堤成本较低。透空式防波堤可经布置护弦等靠船构件兼作码头结构。

1.2 主要参数选取

1.2.1 风况

在冀东油田南堡油田进海路及人工端岛工程波浪要素研究期间，国家海洋局北海预报中心曾根据南堡油田附近气象站1980年～2004年多年风速资料推算了南堡油田水域各方向的不同重现期风速，本文设计风速仍采用这一成果。表1列出这些方向不同重现期风速值。

1.2.2 游艇系泊条件

透空式防波堤内部布置游艇浮码头泊位25个，相对关系如图2。

根据《游艇码头设计规范》浮桥式泊位的系泊允许波高为：顺浪向50年一遇H1%≤1.1m，横浪向50年一遇H1%≤0.5m。

1.2.3 设计水位

极端高水位 4.34m

设计高水位 3.05m（历时累积频率P=1%）

设计低水位 0.30m（历时累积频率P=98%）

极端低水位 -1.27m

1.2.4 波浪计算

根据《港口与航道水文规范》规定，小风区风成浪的计算，需对风速进行高度、陆海订正，风区长度考虑建筑物、岛屿和陆域的影响，风浪有效波高和有效周期计算采用下式：

图2 工程平面图

等效风距计算采用下式：

式中：

g——为重力加速度（m/s2）；

H——为有效波高（m）；

F——为有效风区长度（m）；

T ——为有效周期（s）；

d——为水深（m）；

U——为风速（m/s）。

由于工程位于溯河口西岸，岸线大致成N NE-SSW向，因此N、N W、W、SW向风在工程区域内的几乎不会产生波浪，故只对其他主要风向的风成浪进行推算。工程风区内平均海底泥面高程为1.30m，故在设计低水位以下不会产生波浪，深槽内产生的波浪也在浅滩处破碎，工程只对设计高水位和极端高水位的小风区风成浪进行推算。推算结果如表2所示。

2.透空式防波堤消浪对比

2.1 透空式防波堤型式

2.1.1 固定式透空防波堤（挡浪板型）

防波堤顶前沿线港池内侧高程4.80m，外侧高程5.00m。采用高桩梁板式码头结构型式，下部排架间距6m，桩基础均采用φ=800mm，L=32m钢管桩，每个排架有1根直桩，2根叉桩。钢管桩与上部结构采用刚接方式。上部采用梁板结构，内外两侧均设挡浪板底高程0.7m。两侧挡浪板可安装橡胶护弦，使防波堤兼作码头使用。可停靠中型客船。

2.1.2 固定式透空防波堤（箱型）

防波堤顶前沿线港池内侧高程4.80m，外侧高程5.00m。下部桩基础均采用φ=800mm，L=32m钢管桩，每个排架有1根直桩，2根叉桩。钢管桩与上部结构采用刚接方式。上部采用箱式挡浪结构，板底高程0.7m。箱式挡浪结构两侧可安装橡胶护舷，使防波堤兼顾码头使用。可停靠中型客船。

2.1.3 浮式防波堤

防波堤浮箱结构主体采用钢结构浮箱结构，每段浮箱长45m，宽6.0m，高3.8m，干舷高度0.6～0.8m，吃水3.0m。浮式防波堤定位桩采用2排Φ800×26000mm钢管桩，桩长26m，防波堤与陆域连接采用3×12m 铝合金引桥。采用定位桩形式可以减少浮箱的横摇和水平位移（见图3）。

2.2 消浪系数及透射波高计算

根据《防波堤与护岸设计规范》（JTS 154-2018）6.2条的规定，桩基透空堤的透浪系数可按下式近似计算：

式中

Kt——透浪系数；

Ht——透射波高（m）；

H——入射波高（m）；

ξ——系数；

L——波长（m）；

d——堤前水深（m）；

表2 工程区域内风成浪计算结果单位：m

图3 防波堤断面图

表3 固定式透空防波堤（挡浪板型）外侧挡浪板消浪后透射波高计算结果

t0——挡浪板的入水深度（m）。

透射波浪计算结果如表3-表6所示。

2.3 透空式防波堤消浪对比

从透射波波高来看，浮式防波堤在设计高水位的消浪效果要远好于固定式透空防波堤，极端高水位时较差；固定式透空防波堤（挡浪板型）相当于将固定式透空防波堤（箱型）的透射波再进行了二次消浪，故它在极端高水位的消浪效果是最优的，设计高水位时透射波高与浮式防波堤相近。故综合来看固定式透空防波堤（挡浪板型）的消浪效果最优。

表4 固定式透空防波堤（挡浪板型）内侧挡浪板消浪后透射波高计算结果

表5 固定式透空防波堤（箱型）消浪后透射波高计算结果

表6 浮式防波堤消浪后透射波高计算结果

3.透空式防波堤的应用

浮式防波堤由浮箱及定位桩构成。其优点有：工程造价相对较低；定位桩、浮箱可以灵活拆移，可以二次利用；具有强大的水体交换功能，有利于海洋环境优化。缺点是消浪效果相对较弱，且工程兼容性较差。鉴于以上特点，浮式防波堤在波浪能量较低，有一定的掩护且主导波浪为风浪的区域。例如掩护水产养殖设施、人工海水浴场、海上工程施工临时措施以及军事上用于掩护海上机动码头的水域等等。

固定式透空防波堤采用高桩结构。上海吴淞口外炮台船舶基地的高桩固定透空式防波堤建成后，在一定程度上改善了港口内的泊稳条件。就工程实例来讲这种形式既可以作为港区掩护，又可以兼顾船舶停靠，在海域使用审批相对紧张的今天能达到最大使用效率。实现水体交换保证海水水质的同时又能达到较好的消浪效果。适用于河口、湖泊及相对掩护较好的风成浪水域，特别适用于近些年沿海及大型湖泊的沿湖旅游开发的游艇及客船码头。