某電廠防波堤及航道工程設計優化

劉 明, 裴玉國, 黃玉新

(1.廣東電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510660； 2.大連理工大學，遼寧 大連 116024)

2003年開始進行了某大型臨海電廠北防波堤、北航道工程的建設規劃和設計研究工作。針對北航道建設對已建成的島堤和北防波堤設計波浪造成不利影響的問題，提出港池口門外部分挖泥消波的“大開挖”方案。2007年北防波堤及航道工程實施過程中，“大開挖”方案挖泥區部分區域出現基巖層，部分挖泥消波方案的實施與原設計開挖方案有所不同，部分開挖區域無法開挖到原設計深度，海底炸礁清巖需要投入的資金很大。為了節省工程投資并確保島堤及北防波堤的安全，需要通過整體物理模型試驗，掌握挖泥實施現狀條件下，島堤及北防波堤的設計波要素，為防波堤設計和工程進一步實施方案的確定提供可靠依據。

試驗委托了大連理工大學完成，本文通過物理模型試驗研究了在原地形和原地形上開挖航道工況下北防波堤及島堤軸線處的波浪分布情況，對工程現狀下的北防波堤及島堤處的波浪要素進行了分析，然后有針對性的提出了原地形上開挖航道的現狀下對航道邊坡進行削坡處理的優化方案，通過與原“大開挖”方案的對比，證明了在原地形上開挖航道的現狀下對航道邊坡進行削坡處理，可降低島堤及北防波堤處的波浪要素并確保工程安全，該方案簡單易行且可節省工程投資，對類似的實際工程項目具有借鑒意義。

1 物理模型試驗

試驗在大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室波流水池中進行。水池長55m，有效寬度28m，深1.5m。水池前端配備蛇型三維不規則波造波機。波浪測量采用天津水科院研制生產的SG800型波浪測量系統。

本試驗采用重力相似準則，模型幾何比尺取為1∶110。考慮波浪由外海傳播至工程水域，將受到海底地形、岸域邊界和已建南防波堤、島堤工程及的影響而發生變化，因此在試驗過程中，海底地形的模擬完全按照1∶110的幾何比尺，將海圖地形制作在試驗水池中。模型地形由水泥制作，高程控制點設置為0.5m×0.5m，控制點高程由水準儀逐點測量，絕對誤差小于0.1mm。梳式直立島堤及北防波堤直立堤段采用木材制作，北防波堤斜坡式護面采用碎石堆砌模型。

考慮到影響工程設計波浪的水位、入射波浪方向、重現期等諸因素，試驗時選擇試驗工況如下：

試驗水位：極端高水位5.10m；設計高水位4.00m；平均水位3.0m。入射波浪方向：SE、ESE 、SSE及SE偏南11.250(該工況以下簡記為SE02)方向波浪入射的工況。重現期：考慮50a、、25a、10a共3種波浪重現期。試驗方案：原地形、原地形上開挖航道(開挖現狀)、 “大開挖”以及原地形上開挖航道+優化4種方案。

波浪模擬采用不規則波進行，選擇國際上公認的JONSWAP譜進行模擬，譜峰升高因子取為3.3。首先將給定的H4%波高按ГПУХОВСКИЙ分布換算成不規則波的各統計特征波高。采用3次重復的平均波高值和平均周期值作為原始波浪要素的波高和周期。

原始波要素測量是在航道未開挖、防波堤等模型放置之前的純天然地形上(原地形方案)，在預定的波高監測處放置波高儀測定。

為了分析比較工程開挖現狀情況下的設計波浪要素與原設計的“大開挖”方案條件下和原地形上開挖航道+優化條件下設計波浪要素的變化，設計波浪要素測量試驗分別在“原地形上開挖航道方案”、“‘大開挖’方案”和“原地形上開挖航道+優化方案” 條件下進行。

測量北防波堤設計波浪要素時，擺放島堤、南堤(部分)，不擺放北堤。測量島堤設計波浪要素時，擺放北防波堤、南堤(部分)，不擺放島堤。

如前所述，原始波要素模擬在天然地形上進行。此時，波浪要素測量共布置了31個測點。分別在北防波堤、北防波堤挖泥區、島堤、島堤前、航道等周圍布置。測量北防波堤設計波浪要素時，在北堤軸線上布置10個測點(方案4中布置了19個)。其它位置(北防波堤挖泥區、島堤前、航道等周圍)波要素測點布置和原始波要素模擬測點布置相同。

測量島堤設計波浪要素時，在島堤軸線上布置5個測點(方案4中布置了13個)。其它位置(北防波堤挖泥區、航道等周圍)波要素測點布置和原始波要素模擬測點布置相同，不贅述。

2 試驗結果及分析

對實驗數據進行整理分析，利用EXCEL的折線圖，對50a一遇的波浪重現期分別對應入射波浪方向：SE、SE02((該工況偏南11.250)的工況在原地形、原地形上開挖航道(開挖現狀)、“大開挖”以及原地形上開挖航道+優化4種方案的距離北防波堤和島堤(僅D對比了SE入射波浪向)測得的各點波要數進行對比分析。圖中主要列舉了各實驗工況下不同位置所測得的H1%波要素。

2.1 四種方案下北防波堤處的波浪要素

如圖2～圖7所示。

圖2 極端高水位SE向浪50a重現期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖3 極端高水位SE02向浪50a重現期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖4 設計高水位SE向浪50a重現期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖5 設計高水位SE02向浪50a重現期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖6 平均水位SE向浪50a重現期4種種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖7 平均水位SE02向浪50a重現期4種種方案下北防波堤各點的波浪要素

2.2 四種方案下島堤處的波浪要素

如圖8～圖10所示。

圖8 極端高水位SE向浪50a重現期4種方案下島堤各點的波浪要素

圖9 設計高水位SE向浪50a重現期4種方案下島堤各點的波浪要素

圖10 平均水位SE向浪50a重現期4種方案下島堤各點的波浪要素

3 結論

⑴ 天然地形下港池口門附近的波高分布比較均勻，北防波堤軸線50a重現期H1%大波波高在8.5m，出現的主要區域是北防波堤軸線距堤跟距離225～300m處，以及堤頭處。島堤軸線50a重現期H1%大波波高在8.15m，出現的主要區域是島堤軸線南堤頭150m范圍內。

⑵ 開挖南北航道后波浪折射嚴重，同時使得港池口門附近的波高分布變得不均勻。對島堤和北防波堤影響較為嚴重(島堤和北防波堤設計波高可分別約增大25%和20%)是島堤軸線南堤頭150m范圍內。

⑶ 開挖航道及大挖泥方案，可以改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，在大部分工況下可以恢復到天然地形條件下的情況。島堤的設計波要素不會增加(略有減小)，但北防波堤波能集中的100～225m范圍的50a再現期的H1%波高達到8.5m。

⑷ 在原有地形及開挖航道基礎上對航道做消邊坡處理，消浪效果不如規劃地形中的大開挖方案，但可以部分改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，北防波堤及島堤軸線處H1%平均值減小了10～20%，H1%減小了20cm左右。使得北防波堤軸線處的設計波要素可以控制在8.5m以內，島堤軸線處的設計波要素可以控制在8.2m以內。

[1]JTJ/213-98.海港水文規范[S].

[2]趙今聲，等.海岸河口動力學[M].北京：海洋出版社，1993.

[3]薛洪超，等.海岸動力學[M].北京：人民交通出版社，1980.

[4]邱大洪.工程水文學[M].人民交通出版社，1999.

[5]洪承禮.港口規劃與布置[M],北京：人民交通出版社, 1999.

[6]俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社, 2003.

[7]劉風華，常雪峰.關于海港航道設計寬度的探討[J].港工技術，2007,(6).

[8]楊桂樨.海港水域強潮流影響船舶作業條件和總平面布置[J].港工技術，2002,(3).