考慮不同掩護條件的設計波浪標準確定

胡建波，尹永欣，2，呂迎雪

（1.中交天津港灣工程設計院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001；2.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 項目背景

1.1 工程概況

東營港三突堤1—6號泊位工程位于山東省東營市東北部、渤海西南岸，黃河入海口以北約50 km處。在港區規劃[1]的三突堤位置處建設5 000~10 000噸級泊位6個，泊位總長1 019 m。碼頭采用高樁梁板式結構，通過引橋與后方陸域連接，陸域護岸長1 556 m，采用斜坡堤結構。港區現狀及規劃情況分別見圖1和圖2。

圖1 港區現狀圖（階段一）Fig.1 Present situation of harbour district（first period）

圖2 港區規劃圖（階段四）Fig.2 Planning of harbour district（forth period）

不同于一般工程大致分為施工期和運營期兩階段，本工程護岸和碼頭可詳細劃分為如下實施進度：1）護岸施工期；2）護岸結構完工后的罐區施工期；3）碼頭施工期；4）工程運營初期（近期）；5）南北防波堤形成環抱式港池后的運營期（遠期）。

本工程開展研究工作之初，規劃中的南、北防波堤及港內突堤均未建設，整個東營港僅有北防沙堤與西側陸域形成一定掩護，東-東南方向均處于開敞無掩護狀態，易受波浪影響。但未來防波堤實施后，掩護條件良好。設計波要素選取過大會造成不必要的投資浪費，選取過小則不能保證工程安全。因此分階段確定掩護條件，采用合理的設計波要素是建設方案研究的重點內容之一。

1.2 掩護條件分析

方案研究過程中，隨著工作的不斷深入和對周邊項目的調查研究，結合周邊工程建設情況，對本工程采取“近期無掩護、遠期有掩護”相結合的方案。通過調查得知，北防波堤正開展前期工作，預計將先于本項目投入使用。南防波堤當時尚未開展工作，但作為南港池航道的掩護工程，預計一突堤北圍堰將先行建設。

因此，在前期工作階段，根據北防波堤、一突堤北圍堰及南防波堤的實施方案和預估進度，分為4個階段推算設計波浪。階段一為現狀情況下，北防波堤及一突堤圍堰均未建，周邊掩護情況見圖1；階段二為北防波堤建成，一突堤圍堰尚未建設，周邊掩護情況見圖3；階段三為北防波堤與一突堤北圍堰均建設完成，港池航道疏浚完成，周邊掩護情況見圖4；階段四為遠期港區規劃實施后，見圖2。

圖3 北防波堤建成（階段二）Fig.3 After north breakwater built（second period）

圖4 北防波堤及一突堤北圍堰建成（階段三）Fig.4 After north breakwater and north cofferdam of first jetty built（third period）

根據上述不同階段下的平面布置，推算各階段不同水位不同重現期不同波向作用時的設計波浪要素，為碼頭和護岸設計提供依據。

2 設計波要素推算

2.1 計算內容

波浪推算考慮ENE、E、ESE、SE、SSE共5個方向。其中設計波浪要素計算時考慮三突堤未建，且對三突堤位置處原建筑物進行消波處理。泊穩波高的計算考慮三突堤已建，并考慮相應結構物的反射作用。外海波浪采用國家海洋局第一海洋研究所[2]給出的本工程附近-13 m等深線處的各方向波要素。

2.2 計算方法

BW模型建立在Boussinesq方程[3]基礎上，是MIKE21模型中的波浪模塊。MIKE21-BW模塊中考慮的物理現象有：波浪的淺水變形、繞射、折射、波浪的破碎、底摩阻損耗、波浪的全反射和部分反射、波-波非線性作用、波-流作用以及波浪在水流的作用下完全受阻的現象等，近年來在海港工程波浪研究中應用廣泛，可用于港內波況和碼頭泊穩計算以及碼頭設計波要素計算。

MIKE21-BW不同于一般波浪數學模型，它是在指定時段和指定區域內模擬波浪運動的物理過程，然后根據記錄下來的水面波動過程，統計波高等特征值。從這個意義上講，用MIKE21-BW進行數學模型試驗與通常的物理模型試驗方法及步驟完全相同，所以它對現場波況的描述更加真實可靠。

BW的控制方程為一套經過改進的水平二維Boussinesq方程，可以表達為：

連續方程：

對上述方程采用ADI算法（交替方向法），式中各項保證二階精度。新形式的Boussinesq方程改進了色散關系式，使MIKE21-BW模型適合模擬從深水到淺水的傳播。

2.3 計算結果

根據推算[4]，各階段下ESE向均為最大波浪方向，最大波浪出現在碼頭最東側。設計波浪推算結果見表1。

表1 設計波浪要素Table 1 Element of design wave

遠期東營港總體規劃實施后，南北防波堤全部建成，形成環抱式掩護，港內波高進一步減小，考慮風成浪的港池內波高可降低至0.8 m以下。

3 設計標準的確定

3.1 確定原則

1）本工程實施之初，北防波堤前期工作已進入尾聲，短期內即將開工；作為航道掩護工程的一突堤北圍堰也已開展前期研究工作，預計建成時間與本工程大致相當。但是南防波堤尚未有較為明確的實施計劃。因此設計時應考慮到工程投產時南防波堤未建成的可能。

2）本工程設計過程中可按照周邊工程實施進度和本工程工期確定本工程不同構筑物的掩護條件，合理節約投資。雖然北防波堤與一突堤北圍堰已經開展工作，但考慮工程建設的不確定性，也應考慮到這兩個掩護工程工期延后的可能性，考慮掩護條件不足時采取結構加強措施，在保證安全的前提下合理平衡工期和造價。

3.2 陸域護岸設計標準

3.2.1 結構穩定性計算

1）本工程陸域護岸開始實施之初，北防波堤尚未開工建設，工程所在位置處于無掩護狀態，因此按照圖1所示階段一的情況，考慮重現期10 a的設計波要素計算護岸結構的穩定性，包括護面塊體、護底塊石、擋浪墻穩定性。

2）由于護岸開工建設之初，尚不確定南防波堤的具體實施工期，因此按圖4所示階段三的掩護條件，考慮重現期50 a的設計波要素計算護岸結構的穩定性。

因此護岸擋浪墻、護面塊體、護底塊石等結構的穩定性由階段一重現期10 a和階段三重現期50 a的設計波要素控制。

3.2.2 擋浪墻頂高程的確定

罐區投入使用后，護岸將作為直接掩護罐區海堤，根據GB 50074—2014《石油庫設計規范》[5]，罐區屬于一級石油庫。根據GB 50201—2014《防洪標準》[6]和GB/T 51015—2014《海堤工程設計規范》[7]，護岸應按一級海堤設計，潮位和波浪的重現期取100 a。按照JTS 165—2013《海港總體設計規范》[8]，直接掩護罐區的堤岸也應按重現期100 a的潮位和波浪進行設計。罐區投入使用后按圖2所示階段四的掩護條件確定擋浪墻頂高程。階段四南北防波堤形成環抱式港池后，港內掩護條件非常好，因此還應按照其他階段進行復核。

階段一和階段二基本對應陸域形成工程的建設期，因此對擋浪墻頂高程不作要求。根據周邊工程建設情況預估，當陸域護岸和地基處理完成后，陸域儲油罐、管線等設備的施工期將基本對應階段三。由于罐區均屬于危化品儲罐，考慮兩方面因素，一是在設備施工完成到正式運營期這段時間，防止越浪上水造成設備腐蝕等安全隱患；二是考慮到周邊掩護工程建設工期的不確定性，如果罐區投入運營時南防波堤未建成，則需按階段三掩護條件確定的標準加高擋浪墻。考慮上述兩方面因素，按階段三重現期50 a的設計波要素控制擋浪墻頂高程，為加高擋浪墻留有余地。

3.3 碼頭設計標準

《海港總體設計規范》[8]規定，碼頭面頂高程應考慮上水標準和受力標準。由于陸域形成完成后再進行碼頭施工，北防波堤堤身已基本形成，因此碼頭設計不考慮階段一。

上水標準：考慮南防波堤建設的不確定性，按照階段三的掩護條件，分別考慮設計高水位組合10 a一遇波浪和極端高水位組合2 a一遇波浪。

受力標準：按階段三重現期50 a的設計波浪控制。同時考慮施工期影響，采用階段二設計高水位下重現期10 a的波浪復核。

港池航道底高程：應按運營期需要的水深確定底高程，原則上應按階段四確定，但考慮南防波堤建設的不確定性，按階段三（近期）和階段四（遠期）分別計算。實施階段再根據南防波堤建設情況最終確定疏浚底高程。

設計波要素確定結果見表2。

表2 設計波浪重現期標準匯總表Table2 Summary tableof reappearance period of design wave

4 結語

工程實施初期，周邊基本處于無掩護狀態，但未來防波堤實施后，掩護條件良好。若直接采用過大的設計波要素會造成不必要的投資浪費，也會導致陸域和碼頭頂面高程過高，給運營帶來一定不便。設計波要素選取過小，又給工程安全帶來隱患。

研究過程中，結合周邊工程建設情況，對本工程采取“近期無掩護、遠期有掩護”相結合的方案，并根據周邊工程建設進度和本工程實施情況適當留有調整的余地，分階段確定掩護條件。對施工期和使用期采用不同重現期設計波浪要素，與外海防波堤的實施計劃相協調，既保證施工期的結構安全，又能保證運營期正常使用，同時節約投資，推進了工程實施進度。