沙坝防波堤设计施工新理念

2021-11-07吴文力

港工技术 2021年5期

向松，吴文力，王刚

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

业主Dangote Oil Refining Company（以下简称DORC）计划在尼日利亚拉各斯以东约62 英里的莱基自贸区建设一个年处理650 000 桶的石油炼化厂。为建设该工程，DORC 计划在炼化厂附近修建一个滚装重件码头做为其大型设备和大宗材料提供装卸货，并可停靠拖轮和辅助船只。该项目在现有莱基深水港以东约10 英里，项目主要包含防波堤建设和港池航道疏浚两个部分。

1 设计方案

1.1 设计方案介绍

1.2 原案

1）总平面布置

原案设计为常规的抛石防波堤，主要包含一条长约670 m 的主堤，一条长约229 m 的辅堤，一条长约138 m的护岸以及7条每条长约175 m的潜堤；另外，需要疏浚一条-8.0 mCD 的航道和一个-7.0 mCD 的港池，合计需疏浚约70 万方[1]。总平面及港区平面布置如图1。

图1 项目总平面图（原案）

图2 港区平面布置示意图（原案）

2）防波堤断面形式

防波堤典型断面图如下：

图3 主防波堤及辅堤典型断面示意图（原案）

图4 潜堤典型断面（原案）

1.3 代案

1）总平面布置

代案设计以沙坝防波堤作为主要形式，主要包括一条长约700 m 的沙坝防波堤，在其端头连接一条225 m 长的潜堤，港池东侧有一条长约150 m 的护岸，再往东衔接一条长约1 100 m 的袋装砂护岸，以及在袋装砂护岸东侧吹填约85 万方砂的冲刷缓冲区。另外，需要疏浚-8.65 m CD 的港池及航道，合计需疏浚约85 万方[2]。总平面及港区平面布置图如下：

图5 总平面图（代案）

思路较为新颖的是，整个防波堤外海侧（迎浪侧）均为吹填砂，无任何护面结构，吹填砂形成自然坡直接面对海浪冲刷，仅仅在最端头的一小部分做成了抛石潜堤的形式，而且，抛石潜堤也是做在砂垫层之上。

习近平在讲话中指出，当今世界，发展和变革风起云涌。站在历史前进的十字路口，我们应该认清世界大势，把握经济脉动，明确未来方向，解答时代命题。坚持推进区域经济一体化，构建开放型亚太经济。坚持创新驱动，培育增长新动能。坚持完善互联互通网络，促进包容联动发展。坚持深化伙伴关系，携手应对共同挑战。

2）防波堤断面形式

防波堤典型断面图如下：

图6 沙坝防波堤海侧典型断面示意图（代案）

图7 沙坝防波堤典型断面港池侧防护示意图（代案）

图8 沙坝防波堤堤头段典型断面示意图（代案）

2 方案比选

2.1 工程量比较

两个设计方案均可以满足业主的功能要求，但由于防波堤设计的理念不同，工程量相差很大。主要工程量对比如下表。

表1 主要工程量对比表

根据上表可以看出，代案使用沙坝防波堤方案，相当于用365 万方砂取代了375 万t 石料，这是两个设计方案的最大区别所在，也是代案优化费用的关键所在。

2.2 造价比较

1）地材情况

根据尼日利亚当地石料供应情况：项目附近石料资源匮乏，石场均在100 公里以外，石料费单价高，本次对比采用20 美元每吨进行造价估算。砂源情况：本项目附近海域砂层较厚，海砂资源丰富，本次造价对比按照4 美元每方进行造价估算。

2）造价估算对比

根据上述地材价格情况，对代案优化的费用情况进行大致估算，如下表。

表2 主要材料费用对比表

从上表可以得出，仅材料费进行计算来看，就优化节省费用达到了6 000 多万美元，而且，从施工费用上来讲，相对于沙坝防波堤，抛石堤施工费用会高出很多，预计整体优化费可能会达到8 000万美元以上。

2.3 选定方案

由于代案设计方案在项目建设总费用上优势特别明显，而且沙坝防波堤施工需要在一个旱季内完成，所以，代案工期也相对原案要短，这也迎合了业主急需码头投入使用的要求。业主针对两个方案进行了多次询价，最后选择了代案，采用了沙坝防波堤的形式，项目实施过程十分顺利。

3 沙坝防波堤设计理念分析

代案设计的沙坝防波堤是否成功，最关键的因素应该有两个：一方面，在设计年限内沙坝是否会被冲刷破坏；另一方面，由于吹填砂不同于石料抛填，是否可以吹填成型是实施阶段的关键。代案设计在可行性分析中，也重点进行了这两方面的分析，通过沿岸输砂和模型试验的结果从理论上验证了沙坝设计理念的可行性。

3.1 沿岸输砂

根据分析，附近海域存在从西向东的沿岸输砂现象，理论上沙坝防波堤外侧，也就是西侧，会不断淤积海砂，最后达到平衡。所以沙坝防波堤不会被冲刷掉，这是沙坝防波堤设计方案的理论精髓所在。另外，代案对沙坝防波堤的走向对沿岸输砂的影响进行了分析，如图9 所示[3]。

图9 沙坝防波堤走向与沿岸输砂分析图

3.2 施工可行性分析

作为本项目实施可行性的重点，CDR 从设计层面就沙坝防波堤的施工顺序提供了概念性规划，主要施工顺序如图10 所示[3]。

图10 沙坝防波堤施工顺序示意

第一步：使用耙吸船水下抛沙至标高-5.5m CD，-5.5 m CD 以上部分采用吹填和陆上回填相结合的方式完成，同时，沿着岸边吹填砂沿着沙坝的方向吹填接通到端头潜堤的位置，同时在吹填形成的沙堤顶部向潜堤的方向修建临时通道。

第二步：随着临时通道的建设，继续向已完成水下砂抛填的潜堤部分吹填和修建，此时需配合部分陆上运输砂进行临时通道修建。

第三步：临时通道接通潜堤部分后，在潜堤位置进行石料推填，开始潜堤结构施工。

第四步：在已形成掩护的条件下，进行港池和航道疏浚工作，将疏浚砂吹填至外沙坝防波堤西侧，同时，东侧沙坝护岸开始施工，并补充防冲刷区域吹填砂。

在沙坝防波堤主体完成后，内侧的护坡结构在有掩护条件下，施工变得十分容易。

4 沙坝防波堤的可行性验证

4.1 项目施工过程验证

根据该地区的海况特点，有旱季和雨季之分，旱季从10 月到次年4 月份，旱季海况条件好，沙坝的吹填施工必须在旱季完成主体部分施工，否则到雨季将受到风浪的严重冲刷，将无法完成沙坝防波堤主体施工，功亏一篑。

该项目施工单位为有名的荷兰疏浚单位boskalis，在施工过程中，我们有幸多次进行了现场参观，施工过程十分顺利。项目从2017 年11 月份开始施工进行沙坝防波堤主体施工，到2018 年3月份已完成主体吹填，4 月份已完成沙坝防波堤前段的潜堤主体结构，形成主要的防护结构。施工单位采用2 艘3 000～5 000 方的耙吸船和1 艘小型绞吸船为主要疏浚设备实施该项目，成功赶在雨季来临前完成了项目主体结构。

由项目施工过程的顺利实施情况，可以看出，该沙坝防波堤的方案是实实在在可行的一种方案，是一种防波堤设计新理念、新思路。

4.2 其他项目验证

关于外侧会逐渐淤积海砂的趋势，在莱基港项目的岸滩研究中也有同样的结论，从西向东的沿岸输砂也会造成同样的结果。莱基港防波堤的西防波堤部分大致为南北走向，从2017 年12 月开始推填，截止2018 年4 月份完成直线段340 m 主体部分抛石防波堤施工，从莱基港岸线观测数据来看，很好的验证了沿岸输砂的理论研究，其抛石防波堤外海侧（西侧，即图11 中左侧）已严重淤积海砂，形成了大片滩涂，截止2018 年4 月份，相对于原海岸线，沿着防波堤方向淤积已经超过100 m。海砂淤积对防波堤形成了一种天然保护。