中利石化5萬噸級化工碼頭工程碼頭面高程確定的試驗研究

耿寶磊，李新慧，高 峰，李 焱

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；3.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津300457）

中利石化5萬噸級化工碼頭工程碼頭面高程確定的試驗研究

耿寶磊1,2，李新慧3，高 峰2，李 焱2

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；3.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津300457）

針對中利石化5萬t級化工碼頭工程，通過物理模型試驗，首先研究了E向波浪作用下，碼頭各位置的波高與波峰面高程，并對碼頭面高程進行了優化。在此基礎上進一步利用NE向和SE向浪對優化結果進行了檢驗，最終得到了滿足設計要求的碼頭面高程。

碼頭面高程；波高；波峰面高程；物理模型試驗

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Sketch of engineering position

1 試驗條件與研究依據

1.1 水文資料

（1）水位。根據后石港1994～1995年的潮位資料作累積頻率分析得出設計高水位5.81m，極端高水位7.14m。

（2）波浪。根據工程平面布置及海區波浪條件，工程區常浪向為E向，本研究主要針對該方向來浪確定碼頭面高程。以原地形條件下數模計算得到的A點（位置在擬建碼頭工程回旋區的中心，水深約-12.5 m）波要素為試驗的率定波要素，重現期包括：50 a、25 a、15 a、10 a和2 a一遇。不同重現期的試驗波浪要素見表1［5］。

水位 重現期 H1%（m）H4%（m）H13%（m） Ts（s）極端高水位（7.14 m）50 a 4.79 4.07 3.33 8.61 25 a 4.51 3.83 3.13 8.13 15 a 4.07 3.41 2.70 7.71 10 a 3.92 3.32 2.70 7.62 2 a 2.23 1.87 1.51 5.88設計高水位（5.81 m）50 a 4.68 3.98 3.27 8.61 25 a 4.41 3.75 3.07 8.13 15 a 3.96 3.32 2.65 7.71 10 a 3.83 3.25 2.63 7.62 2 a 2.18 1.83 1.48 5.88

1.2 工程平面布置方案

根據碼頭使用要求，擬建區域水文地質情況、本地區周邊碼頭現有結構形式，以及本地區的施工能力及施工經驗，碼頭擬采用重力墩式結構，碼頭與陸域之間采用鋼棧橋連接。

擬建碼頭方位基本與水深等深線一致，為325°～145°，碼頭前沿位于-10.0～-15.0 m水深位置，與規劃中的后石罐區液體散貨碼頭前沿線一致。碼頭長度按5萬t級原油船設計，為345 m，由3個工作平臺和4個系纜墩組成，兩側1#和3#平臺尺度相同，長為69 m，最大寬度為22.5m，中間2#平臺長45.4 m，寬29 m，3個工作平臺間距為10.3m，平臺之間采用鋼橋連接（以下稱管線橋）；4個系纜墩為圓形，直徑14m。工作平臺與系纜墩，以及系纜墩之間的采用鋼橋連接（以下稱人行鋼橋）。

作業平臺頂面高程本階段取+9.5 m，系纜墩頂面高程取+8.0 m。管線橋和人行鋼橋的底高程均為+10.0 m。碼頭前沿設計底標高5萬t級油船為-14.0 m，水工結構按10萬t級原油船預留，為-16.3 m。5萬t級航道設計水深為-10.5 m，方位與碼頭方位一致，長約3.2 km，航道有效寬度取170 m，航道天然水深滿足要求。

后方陸域工程包括東護岸、南護岸和北護岸，均采用斜坡堤，坡度均為1:1.5。東護岸長505 m，頂高程根據斷面試驗，現階段取+10.8 m，采用5 t扭王字塊斜坡護面；北護岸長495 m，頂高程為+10.0～+9.5 m,塊石護面；南護岸長約100 m，堤頂高程+9.5 m，塊石護面。碼頭前沿距后方陸域150m。

工作平臺與后方陸域采用10m寬的棧橋連接，棧橋長119.5m，底部高程+10.0m。

在本工程設計中，要求對于設計高水位15 a重現期的波浪輕微上水，即上水考慮控制在5%以內；對于設計高水位10 a重現期的波浪基本不上水，即上水概率控制在3%以內。

圖2 碼頭及護岸平面布置圖Fig.2 Layout of port and seawall

2 試驗設備及試驗方法

2.1 試驗設備

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院的波浪試驗廳水池進行，水池長40m，寬35 m，深1.3m，水池兩端配備給排水系統。模型波浪由可移動搖板式不規則波造波機產生，該造波機由造波板及伺服驅動器、伺服電機、編碼器、服務器、計算機及其他外設組成。造波時按所需波浪對應一定參數，首先由計算機完成造波控制信號的計算，并經接口電路將造波控制信號傳輸到伺服驅動器中，然后由伺服驅動器控制伺服電機的轉動，通過電動缸將伺服電機輸出軸的轉動轉換為電動缸推桿的直線運動，最后經過杠桿機構將運動傳遞到推波板，帶動推波板產生期望的水波。

試驗中采用交通運輸部天津水運工程科學研究院制造的TK-2006型動態水位測量系統對試驗波浪進行采集分析。

2.2 試驗方法

（1）模型設計。依據本試驗的目的及要求，結合試驗場地和設備，并考慮兼顧接下來的船舶系泊試驗，確定模型幾何比尺Lr=60。模型按重力相似準則設計，重量比尺。試驗采用定床、正態進行模擬，其中水平比尺、水深比尺、波高比尺為1∶60，波周期比尺為1∶7.75。

試驗區模擬原型范圍包括碼頭、回轉水域和南、北、東護岸等。其中，直立沉箱結構碼頭以木板和水泥砌筑模擬，護岸以及棧橋和樁墩等結構采用預制構件（木質、塑料板及水泥等）拼組模擬。護岸護面塊石等按照其坡度鋪設相近重量塊體模擬。地形采用樁點法復制，樁點間距1.5 m，對于變化復雜區域加密樁點間距。地形及建筑物高程用水準儀測控，平面尺寸用經緯儀和鋼尺測量。港池靜水位用精度0.1mm的水位測針測量，試驗中靜水位變動控制在±0.5 mm以內。

此外，水工建筑物到造波機的距離大于6～7倍波長，建筑物兩側垂直波向的方向上取3～6倍波長，模型四周均設消波吸能設施，防止多余波能反射及擴散干擾試驗。模型照片如圖3所示。

圖3 模型實景照片Fig.3 Model pictures

（2）波浪模擬。試驗波浪采用頻譜不規則波，頻譜首先考慮《海港水文規范》（JTJ 213-98）中規定的波譜進行，在規范譜中有2個參數來決定規范譜的適用條件，即H*和P。由提供的試驗波要素計算可得，H*滿足深水水域條件（H*＜0.1），而P值難以滿足1.54≤P＜6.77條件，因此本試驗模擬不規則波頻譜難以適用規范譜，故試驗采用JONSWAP譜（簡稱J譜）模擬。

在模擬過程中，將給定的有效波高及周期送入計算機進行波譜模擬，經過修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗規程要求［6-7］，即：①波能譜總能量的允許偏差為±10%；②峰頻模擬值的允許偏差為±5%；③在譜密度大于或等于0.5倍譜密度的范圍內，譜密度分布的允許偏差為±15%；④有效波高、有效波周期或譜峰周期的允許偏差為±5%；⑤模擬的波列中1%累積頻率波高、有效波與平均波高比值的允許偏差為±15%。

（3）試驗方法。試驗主要測量了各試驗工況的波面過程，并經由分析程序以上跨零點法實時統計不同累積頻率的波高、周期等波要素。數據的采集和處理遵循交通部《波浪模型試驗規程》(JTJ/T234-2001)進行，試驗時不規則波連續采集的波浪個數大于100個，采樣時間間隔為0.02 s，小于有效波周期的1/10，每組試驗均重復3次以上，取每組最大值的平均值作為最終結果。

碼頭面上水及水舌厚度的測量，采用人工方法在固定點使用三角板測量模型上浪高度，每組試驗同樣重復3次以上，取每組測量的最大值作為最終結果。

圖4 碼頭面上水Fig.4 Pictures of overtopping

3 試驗結果與分析

3.1 原設計方案試驗

（1）碼頭及護岸上浪情況［8］。原設計方案作業平臺頂面高程為+9.5m，系纜墩頂面高程為+8.0 m。系纜墩之間及碼頭平臺之間的鋼引橋的底部高程為+10.0m。工程實施后，由于E向浪與碼頭前沿走向呈55°夾角，重力墩式結構碼頭前沿波高反射明顯，碼頭前沿的波高與工程前對應測點的波高比平均在1.68左右，設計高水位時，工作平臺在重現期10 a的波浪作用下，觀測到有上水；圓形系纜墩前的波高反射要小于工作平臺，由于其高程低，重現期10 a的波浪作用下上水較大；3個工作平臺之間的管線橋下水域，由于斜向浪作用，平臺側壁有反射，造成其中的波高會瞬時增大，從而也會造成局部上水，在設計高水位，重現期25 a波浪作用下，該處的管線橋底部輕微觸浪；在極端高水位，10 a以上的波浪作用下，該處的管線橋底部觸浪。原設計方案設計高水位重現期15 a波浪作用下，碼頭面上水試驗照片見圖4。

4個人行橋中，2#人行橋處受到碼頭的一定掩護，該處波高要小于其他人行橋。極端高水位重現期15 a波浪作用下，人行橋底部明顯觸浪；接路域棧橋處受到碼頭一定的掩護，波高不大，其端部沉箱與東護岸角的波浪略有反射，但影響不大，極端高水位，重現期50 a波浪作用，棧橋護岸端部大波作用時觸浪。

接路域棧橋以南的東護岸，碼頭對其掩護作用不大，E向浪能傳進來，尤其東南角的護岸基本為開敞；而接路域棧橋以北的部分東護岸受碼頭一定掩護，波高明顯減小，但掩護范圍有限，東北角護岸所受的波浪仍較大。南護岸基本無掩護，其端部與周邊地形邊界形成凹角，但由于地形淺，波浪破碎，波能衰減較大，波浪對南護岸作用也較小。北護岸受到東護岸的掩護，除與東護岸相接處的波高略大外，越向岸的位置波高越小。

（2）碼頭波峰面高程。E向浪作用下，設計高水位，重現期2 a波浪作用下，均不上水；重現期10 a以上波浪作用下，均上水，南側系纜墩較北側系纜墩上浪要大；極端高水位時，重現期2 a波浪作用下，碼頭面不上水，但系纜墩均上水。以重現期15 a波浪為例，設計高水位時，碼頭面前最大波高為5.91m，實測最大波峰面高程為9.80 m，水舌厚度0.93 m；系纜墩前最大波高為5.03 m，實測最大波峰面高程為9.03 m，水舌厚度1.26m。

3.2 碼頭面高程加高0.5 m

由于設計擬采用設計高水位和重現期15 a、10 a H4%的波高組合來檢驗碼頭面高程，因此鑒于原設計方案中碼頭面+9.5 m頂高程時上水相對較為頻繁的情況，經溝通后調整碼頭設計高程，首先將碼頭面高程加高至+10.0 m，系纜墩高程相應抬高0.5 m，即+8.5 m，各管線橋、人行鋼引橋和接陸域引橋底高程加高為+10.5 m。

將碼頭面高程加高到+10.0m（系纜墩加高至+8.5m）時，在設計高水位，15 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面仍然有上水。通過記錄一個波列中出現上水的波浪個數得出，在140個波中，平均有10個波出現上水，上水概率約為7.14%。設計高水位、10 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面存在輕微上水。同時，系纜墩仍然有較為明顯的上水，僅上水頻率好于原高程，南側系纜墩相對大于北側系纜墩。

以重現期15 a波浪為例，設計高水位時，碼頭面前最大波高為5.98m，實測最大波峰面高程為10.08m，水舌厚度0.66 m；系纜墩前最大波高為5.01 m，實測最大波峰面高程為8.96m，水舌厚度0.98 m。

3.3 碼頭面高程加高0.9 m

將碼頭面高程繼續加高至+10.4m時，系纜墩高程相應抬高0.9m，即+8.9m。在設計高水位、15 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面基本不上水。在140個波中，平均有6個波出現輕微上水，上水概率約為4.28%。此時，10 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面基本不上水。同時，系纜墩上水程度明顯改善，仍是南側系纜墩略大于北側系纜墩。

以重現期15 a波浪為例，設計高水位時，碼頭面前最大波高為5.91m，實測最大波峰面高程為10.12m，水舌厚度0.21 m；系纜墩前最大波高為4.98 m，實測最大波峰面高程為8.98m，水舌厚度0.64 m。

將設計高水位重現期10 a和15 a，不同碼頭面高程的碼頭前沿波高、波峰面高程以及上水情況列表進行對比（表2）。同時，比較了2#平臺的碼頭前沿波高變化和波峰面高程的變化（圖5、圖6)。

表2 不同碼頭頂面高程后碼頭前沿波高及波峰面高程比較Tab.2 Comparison of front wave height and wave crest height of wharf with different top elevations

圖5 不同碼頭面高程2#平臺碼頭前沿波高比較Fig.5 Comparison of front wave height in front of 2#platform with different top elevations

圖6 不同碼頭面高程2#平臺波峰面高程比較Fig.6 Comparison of wave crest height in front of 2#platform with different top elevations

從圖5和圖6中可以看出，隨著碼頭面高度增加，碼頭前沿波高以及波峰面高程也有增大的趨勢（2#平臺處測得的數據最為明顯），這是由于碼頭前沿的波浪反射與雍高加強，致使波峰面高程略有增大，但碼頭面高程的提高，使得上水情況明顯好轉。綜上所述，碼頭面抬高至+10.4m，重現期10 a的波浪作用下，能保證碼頭面不上水；重現期15 a的波浪作用下，基本能保證的波高不上水。

3.4 NE向浪試驗對碼頭面高程的驗證

考慮正對碼頭的浪向，選取波高相對較大的NE向，以檢驗碼頭面高程及對應上水情況。以原地形條件下數模計算得到NE向來浪時A點的波高值，設計高水位10 a和15 a重現期分別為2.69 m和2.82m。

試驗表明：NE向浪與碼頭走向呈80°，近似橫浪作用，碼頭前沿波高與工程前比，平均比波高約為1.74，比E向略大，但由于其波高小于E向，其碼頭面上水情況好于E向，3個工作平臺之間的管線橋下水域的透浪要好于E向浪，因此該浪向并不是碼頭前波要素的控制波浪向，還是E向浪作用更需引起重視。

在設計高水位，NE向15 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面基本不上水。記錄一列波中的上水個數，在140個波中，平均有3個出現輕微上水，上水概率約為2.86%。10 a一遇重現期波浪作用下，碼頭面出現臨界上水，140個波中，平均有4個出現臨界上水或輕微上水，上水概率為2.14%。表3給出了設計高水位時，NE向浪作用下碼頭前沿波高和波峰面高程值。

同時，系纜墩前最大波高為4.08 m，實測最大波峰面高程為8.45m，有輕微上水，上水頻率不足3%。

表3 NE向來浪作用下碼頭前沿波高和波峰面高程Tab.3 Frontwave height and wave crest heightofwharf under NE position wave action

3.5 SE向浪試驗對碼頭面高程的驗證

根據數模研究報告，SE向浪是本工程區的強浪向之一，本試驗進一步利用SE向來浪以檢驗碼頭面高程及對應上水情況。以原地形條件下數模計算得到SE向來浪時A點的波高值，設計高水位10 a和15 a重現期分別為3.00m和3.27m。

試驗表明：SE向浪與碼頭走向呈10°，近似順浪作用，碼頭前沿波高與工程前比，平均比波高約為1.06，反射很小，但在3#平臺南側和南系纜墩前有一定反射；SE向的波高與E向相差不大，由于SE向基本為順浪，碼頭前沿的反射很小，因此也不是碼頭前波要素的控制波浪向。

表4 SE向來浪作用下碼頭前沿波高和波峰面高程Tab.4 Front wave height and wave crest height of wharf under SE position wave action

SE向浪作用下，工作平臺前上水情況明顯好轉，設計高水位時，1#和2#工作平臺基本不上水，3#平臺僅在其南端在個別大波作用下輕微上水。設計高水位，重現期15 a的波浪作用下，120個波中，3#平臺僅南端單個大波輕微上水，因此可以保證的波高工作平臺不上水。表4給出了設計高水位時，SE向浪作用下碼頭前沿波高和波峰面高程值。

設計高水位，重現期15 a波浪作用下，系纜墩前最大波高發生在南墩，為3.86m，實測最大波峰面高程為8.69m，南墩輕微上水。

將不同入射角度時，碼頭前沿波高的最大值以及波峰面高程的最大值進行比較，比較結果見圖7和圖8。從圖中可以看出E向浪作用下，碼頭前沿波高和波峰面高程都最大，說明E向為控制浪向，其次是NE向浪作用，SE向浪作用下碼頭前沿波高和波峰面高程最小。

圖7 不同來浪方向時碼頭前沿波高最大值比較Fig.7 Comparison of the maximum value of front wave height with different incident wave directions

圖8 不同來浪方向時碼頭波峰面高程最大值比較Fig.8 Comparison of the maximum value of wave crest height with different incident wave directions

3.6 碼頭面高程與規范中公式計算值的比較

《海港總平面設計規范》（JTJ211-99）中給出了開敞式碼頭的碼頭面高程計算公式如下［9］

本工程中設計高水位HWL=5.81 m；根據數學模型波浪推算結果［5］，設計高水位碼頭前重現期50 a的波列累積頻率1%波高為=4.30 m；本工程碼頭結構為重力式沉箱結構，取h=0；富裕高度計算中暫取0 m。

式中：d為擬建碼頭區域水深，根據水深分布圖取d=12 m；L為推進波的波長，根據水深和波周期計算得到L=103m；由此計算得到=3.76m。

最后根據式（1）計算得到碼頭面高程E=9.57 m。而本模型試驗最后建議碼頭面高程為10.4 m，比計算結果大0.83m。因此對于開敞式的重力式沉箱結構碼頭，在碼頭上部結構高度h取0的情況下，碼頭面高程計算中富裕高度取值不應小于0.8m。

4 結論

本文通過物理模型試驗，分別得到了不同波向、不同水位和波浪重現期等情況下碼頭各位置的波高、波峰面高程以及水舌厚度等值。試驗表明：碼頭面抬高至+10.4m，設計高水位重現期10 a的波浪作用下，能保證碼頭面不上水；重現期15 a的波浪作用下，基本保證小幅度上水（可控制在4%左右），因此建議碼頭面高程不應低于+10.4 m，系纜墩、管線橋、人行鋼橋和接陸域棧橋的底高程也相應提高。本研究成果可為碼頭平面布置的優化設計提供依據，并為開敞式碼頭面高程的選取提供參考。

參考文獻：

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［5］張慈珩，徐亞男，高峰.廈門港后石港區中利石化5萬噸級化工碼頭及護岸工程波浪數學模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2011.

［6］JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規程［S］.

［7］JTJ213-98，海港水文規范［S］.

［8］李焱，耿寶磊，高峰.廈門港后石港區中利石化5萬噸級化工碼頭及護岸工程波浪整體物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學研究所，2012.

［9］JTJ 211-99，海港總平面設計規范［S］.

高欄港主航道將升級至15萬t級主航道

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Experimental study on determination of wharf top elevation w ith 50,000 tonnage chemical port of Zhongli Petrifaction

GENG Bao-lei1,2,LIXin-hui3,GAO Feng2,LIYan2
（1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China; 3.Sinopec Tianjin Liquefied Natural Gas Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

The wharf top elevation with 50,000 tonnage chemical port of Zhongli Petrifaction was studied by physical model test in this paper.With E direction wave action,the wharf top elevation was optimized by comparing the front wave height and wave crest height of wharf with different top elevations.And then,NE and SE direction wave tests were carried out to check the optimization result of wharf top elevation.

wharf top elevation;wave height;wave crest height;physical model test

U 656.1；TV 131.6

A

1005-8443（2013）04-0297-07中利石化5萬t級化工碼頭工程位于廈門港后石港區島美村北側附近海域內（圖1），北鄰廈門灣，東北側有大小金門島隔海相望，其周邊的青嶼水道以西，與青嶼、浯嶼等零星島嶼隔海相望，地理坐標為24°20′ N，118°07′E。工程內容包括新建5萬t級油品及化工品泊位1個（結構按停靠10萬t級油船設計），棧橋以及罐區護岸。所在岸線為基巖砂質海岸，近岸天然水深-8～-16 m，目前尚未開發，本工程為該海域第一個開敞式布置碼頭［1］。為確定合理的碼頭平面布置及安全可靠的結構方案，需通過波浪整體物理模型試驗予以驗證［2-4］。

2012-06-11；

2012-09-03

耿寶磊（1980-），男，河北省衡水人，助理研究員，主要從事港口海岸及近海工程研究。

Biography：GENG Bao-lei（1980-），male，assistant professor.