基于性能需求的中长周期涌浪条件下岛式防波堤平面布置

王君辉,林朝霞

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027)

国内新建港区的开发与建设，常着眼于社会经济环境、统筹兼顾港口未来发展，因而防波堤布置通常“一次布置、一次建成”。防波堤“一次布置、一次建成”的主要优点是能够形成良好的人工掩护港池，有利于后期的港区开发；缺点是前期工程投资过高、港口未来发展不确定风险大[1-2]。而在国际工程中，建设单位通常为私营(股份)公司，往往更关注项目自身的综合效益，而不是着眼于港口综合开发或者是港区的分期投资建设，故防波堤建设的针对性和目的性更为明确。由此，不同的国别环境、不同项目的建设单位对防波堤的性能需求不尽相同。

国内现有的港口建设，大部分都位于短周期波海域，对于中长周期涌浪条件下的防波堤平面布置研究较少。另外，如何定量去分析中长周期涌浪条件下防波堤的建设满足港口运营的性能需求，这也是港口工程建设面临的难题。

本文依托巴基斯坦某电厂港口工程(采用工程总承包)，介绍在中长周期涌浪条件下，如何基于港口建设目的确定性能需求，进而利用数学模型确立满足需求的标准，提出并优化岛式防波堤平面布置。该港口岛式防波堤工程设计方案的形成与实施，丰富了岛式防波堤工程建设案例，可为类似项目提供重要参考。

1 工程概况

为满足巴基斯坦电力供应，降低其国内电价成本，根据中巴经济走廊优先项目框架协议，巴基斯坦某私有发电企业与某中资发电企业组成合资公司，开发建设巴基斯坦某2×660 MW燃煤发电项目，该项目位于巴基斯坦俾路支省，距离卡拉奇市区约55 km。为保证电厂所需煤炭的稳定供给，规划建设一个专用煤炭进口港口。

2 自然条件

2.1 气象

本项目地处阿拉伯海北部，位于北纬25°附近，属于干燥高温的亚热带气候，受印度洋季风影响明显。每年5—9月为西南季风期，11月—次年3月为东北季风期，10和4月为季风转换期。全年平均气温约25.3 ℃，最高气温达47.8 ℃。多年平均降雨量为167 mm。区域风向以SSW～W和N～ENE向为主，全年大于8 m/s以上的风速约占14%[3]，风玫瑰图见图1。

图1 风玫瑰图

2.2 潮位

工程潮汐为不规则半日潮，平均高高潮位为2.60 m(海图基面起算，下同)，平均潮位为1.57 m，平均低低潮位为0.60 m。

2.3 波浪

根据2016年6—9月季风期实测波高数据，实测期间常浪向为SSW 向，有效波高平均值为3.13 m，有效波高最大值为5.38 m，平均周期多集中在10～14 s，最大波周期18.1 s。经数学模型论证，8.0 m水深处，设计100 a一遇有效波高为6.16 m，设计波浪平均周期为14 s,波玫瑰图见图2。

图2 波玫瑰图

2.4 潮流

工程海域潮流旋转流特征明显，涨落潮流向大致与岸线走向垂直，涨落潮主要为NNE～SE 向，最大垂线平均流速小于0.3 m/s。

3 港口的性能需求

3.1 港口定位

本项目由中巴合资发电企业投资建设，港口为经营性、非公共港。港口的主要功能是为后方电厂提供生产用煤，不兼顾其他需求。

3.2 设计船型

本项目煤炭运输外海采用10万～15万t散货船，至港区附近后经由过驳平台转运至驳船，再经由驳船运输到拟建港口进行卸煤作业。根据建设单位与煤炭运输公司协议，选用1万t穿梭驳船，无动力方驳，1万t驳船主要尺度为：型长110.0 m，型宽30.0 m，型深7.2 m,满载吃水5.6 m。

3.3 港口通过能力

后方电厂设计装机能力为2台660 MW超临界燃煤机组，电厂年运行时间为335 d(机组每年应停机一个月进行检修)，电厂设计煤种为南非煤、校核煤种为印尼煤，校核煤种年煤炭消耗总量为440万t，因而港口年通过能力应不低于440万t。

3.4 港口年作业时间

本项目港口作业时间主要受煤场规模、燃煤消耗速率、燃煤供给速率、最低燃煤警戒限制等因素制约，电厂燃煤供给模型可按下式描述：

T堆-F消D厂+F进D港≥T安

(1)

式中：T堆为场内储煤规模，其值为90 d的电厂设计燃煤消耗量(巴基斯坦电力法规规定，电厂设计煤场规模为90 d)；F消为电厂设计日燃煤消耗量；D厂为电厂设计生产时间，取335 d(机组每年停机一个月进行检修)；F进为港口设计日煤炭进口量；D港为港口设计生产时间；T安为场内储煤警戒规模，其值为7 d的电厂设计燃煤消耗量。

代入相关参数后，得出：D港≥252F消/F港。如电厂每个运行年度开始时场内煤场满堆的情况下，港口作业时间应不小于252F消/F港(单位为d)，通常情况下在设计时，港口日煤炭进口量都应大于电厂日燃煤消耗量，这不仅可以保障电厂正常运行，还可以为下一年度煤场提供燃煤储备，本项目经综合论证后F消/F港取0.85，因而港口最低作业时间不应小于214.2 d，偏安全考虑最终确定港口最低作业时间不小于220 d。

3.5 其他需求

由于海上煤炭运输需采用过驳方式进行，每年5月15日—9月15日受季风影响将关闭过驳作业，因而港口在该时段予以关闭。

4 防波堤平面布置

4.1 总体布置方案选择

防波堤的布置形式一般有双堤、单堤及岛堤等，具体工程选型应根据海域波浪、海底地形、地质、泥沙等自然条件综合确定，原则上防波堤既应满足掩护结构安全需要，又应满足港口作业时间的要求。

本项目海域波浪50 a一遇设计有效波高达6 m，防波堤平均水深达8 m，防波堤每延米造价较高。采用双堤布置时，堤身总长约3.2 km，双堤布置港口前沿掩护条件良好，泥沙回淤风险较小，作业时间有较大富余，经济性较差。采用单堤布置时，由于波浪主要是集中在WSW与S向之间，掩护效果较双堤稍差，作业时间有一定富余，单堤两侧水体无交换，沿岸输沙回淤风险较大。采用岛堤布置，通过选择合理的防波堤线型和长度，在满足防波堤基础性能需求的前提下，还可以改善近岸水体的交换、避免港池回淤，因此本项目防波堤选用岛式防波堤。

4.2 岛式防波堤平面布置

岛式防波堤的主要功能有防御波浪袭击，保障港内结构安全，掩护港池为船舶提供平稳、安全的停泊和作业条件等。其中港池掩护效果的优劣直接关系到整个港口的运营时间，因而应重点分析。

4.2.1中长周期涌浪条件下驳船作业标准

中国的《开敞式码头设计与施工技术规程》[4]给出了不同船型的允许作业波高，但该规程对小于2万t的船舶，要求平均波浪周期不应大于6 s。本工程在非季风期，波浪周期多为12～14 s，远高于其限值。PIANC 标准(1995)[5]同样也针对船舶作业标准给出相关规定，与中国的《开敞式码头设计与施工技术规程》不同的是，PIANC标准针对不同船型、不同货种、不同装卸设备给出的是船舶运动量限值，这些限值包括船舶的纵移、横移、升沉等(图3)，对于干散货船，卸船机为抓斗类型时，PIANC标准(1995)推荐的限值为：纵移2.0 m，横移1.0 m，升沉1.0 m，回转2.0°，纵摇2.0°，横摇6.0°。

图3 船舶运动量

本项目利用船舶系泊数学模型，建立波高、周期与船舶运动量的关系，并通过对不同波浪周期、波高的回归计算，得出可以满足PIANC标准(1995)推荐参数的波浪条件[6]，见表1。

表1 驳船作业波浪标准

4.2.2岛式防波堤平面布置

本项目常浪向为SSW和SW向,强浪向主要为SW向，防波堤布置选择为L形，防波堤两直线段方位角分别为74.73°～254.73°及129.73°～309.73°，见图4。

波堤长度方面重点分析波浪绕射对港口的影响。防波堤东堤头距离泊位端点应不小于波长的1/2,以避开剧烈绕射区，同时由于波浪方向较集中，东堤头过度延长对于改善港内波浪条件作用不大，因此设计时东堤头位置基本固定。防波堤西段与主浪向夹角大于45°，西堤头布置直接影响港池内控制点绕射系数。设计时利用波浪数学模型试验，不同的西堤头位置计算出港内波高绕射系数见表2[7]，通过不同的绕射系数结合波浪统计数据，得出港口非季风期不可作业时间，见表3。

图4 防波堤平面布置

表2 港口控制点不同方案绕射系数

表3 非季风期不可作业时间

由于本项目码头在季风期关闭4个月(共计122 d)，结合表3可得出不同方案的码头年可作业时间为：方案1为227 d，方案2为223 d，方案3为210 d。

从上述分析可知，方案1、2均可满足作业时间的要求，而方案3不能满足；方案1的年可作业时间比方案2多4 d，防波堤长度增加50 m，因此设计方案确定为方案2。防波堤的总平面布置见图5。

图5 防波堤平面布置(单位：m)

5 结语

1)岛式防波堤与常规的接岸式防波堤相比，其功能相对单一、明确。实际工程设计中，防波堤平面布置应以满足基本性能需求为设计准则，不易盲目追求高标准、高参数。岛式防波堤布置应尽量做到角度合理、长度最优，从而可提高工程整体经济效益。

2)中国的《开敞式码头设计与施工技术规程》对于船舶允许作业标准的推荐值，不适用于中长周期涌浪海域，因而有针对性地开展船舶系泊数学模型或物理模型研究，对于确定船舶作业标准、论证港口作业时间具有重要指导意义。

3)本项目防波堤自2018年4月起具备整体掩护功能，在2018、2019年的季风期中抵挡了50 a一遇的波浪袭击，防波堤、港口结构安全，同时在非季风期港口前沿波波高满足合同及卸船作业要求，港口全年可运行时间大于220 d。该工程的实施，对在中长周期涌浪海域采用岛式防波堤进行港口掩护进行了成功探索，相关工程经验对指导类似项目有重要意义。