某煉化一體化項目配套原油碼頭工程深水防波堤設(shè)計優(yōu)化

陳海龍，文君鋒，武 政，李江文，高 勇

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100007)

某煉化一體化項目配套原油碼頭工程位于我國華南沿海海域。統(tǒng)計資料顯示：1949—1992年間影響本地區(qū)的熱帶氣旋共45個，平均每年1個，最多的年份3個。熱帶氣旋出現(xiàn)時間主要集中在每年7—9月，屬于臺風多發(fā)區(qū)域。每年10月至次年3月，該海域為東北季風控制期，23以上時間H大于150 cm[1]。由于外海施工條件惡劣、工程量大、工期長，防波堤在施工過程中須經(jīng)歷多個臺風季和東北季風期。2013年以來，該海域多次遭遇強臺風影響，其中2018年第22號臺風“山竹”導(dǎo)致防波堤堤頭段墊層塊石被淘刷，護面塊體滑落，造成較大的經(jīng)濟損失。

近些年，施工海域受臺風影響極端天氣頻現(xiàn)。因此，須掌握工程海域最新波浪狀況及特征。根據(jù)《某煉化一體化項目配套原油碼頭工程波浪數(shù)學模型研究報告》[2]，筆者分析防波堤受損原因主要在于設(shè)計波要素取值較實際波浪情況偏低。因此，須根據(jù)最新波要素和新實施的JTS 154-1—2018《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[3]，優(yōu)化防波堤結(jié)構(gòu)。

本深水防波堤設(shè)計優(yōu)化的原則是：充分利用已預(yù)制和安裝的扭王字塊塊體；根據(jù)臺風破壞情況，局部調(diào)整破壞面以順暢銜接；核算護面塊體的穩(wěn)定性，在已施工斷面的基礎(chǔ)上，優(yōu)化防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過物理模型試驗研究論證。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化后，本深水防波堤扭王字塊護面調(diào)整為75 t超大型扭王字塊，并采用雙層扭王字塊體新型護面結(jié)構(gòu)，護底塊石上安設(shè)扭王字塊進行加強。

1 防波堤原設(shè)計概況

原油碼頭工程防波堤為離岸深水島式斜坡式防波堤，離岸約2.0 km，水深-22.0～-21.0 m(從當?shù)乩碚撋疃然鶞拭嫫鹚?，長度為920.4 m，分為南、北兩段。其中，南段長度為743.9 m，北段長度為113.0 m，圓弧段長度為63.5 m。防波堤平面布置見圖1[4]。根據(jù)JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》[5]，防波堤原設(shè)計水位重現(xiàn)期為50 a一遇，施工期和使用期設(shè)計波浪分別為10 a和50 a一遇，設(shè)計波浪要素見表1。

圖1 防波堤峽面布置(單位：m)

表1 防波堤原設(shè)計波浪要素

防波堤原設(shè)計堤頂高程為4.0 m，內(nèi)、外側(cè)邊坡均為1:1.5。自坡頂?shù)狡履_，堤身內(nèi)、外側(cè)分別采用52、41和26 t扭王字塊護面，堤頂采用52 t扭王字塊護面；堤頭內(nèi)、外側(cè)分別采用63、52和26 t扭王字塊護面，堤頂采用63 t扭王字塊護面。41、52和63 t扭王字塊墊層塊石為2 000～3 000 kg，26 t扭王字塊墊層塊石為1 000～2 000 kg，墊層塊石與堤心石之間設(shè)置一層200～500 kg墊層塊石；護底塊石質(zhì)量為1 000～2 000 kg。防波堤原設(shè)計斷面見圖2。

圖2 防波堤原設(shè)計斷面(高程：m)

2 防波堤破壞情況

由于防波堤所處海域風浪條件復(fù)雜而惡劣，水上施工條件差、難度高，海上可作業(yè)天數(shù)少，工程量大，所以施工進度慢。2018年第22號臺風“山竹”登陸前，防波堤K0+0～K0+20 m段護面塊體已全部安裝，K0+20～K0+50 m段外側(cè)護面塊體安裝完成，堤頂63 t扭王字塊未全部安裝，內(nèi)側(cè)護面塊體未安裝，接頭位置安放同規(guī)格扭王字塊進行防護。

“山竹”臺風作用期間，防波堤海域有效波高H約為6.8 m，持續(xù)時間長達15 h。臺風過后，潛水探摸發(fā)現(xiàn)，K0+0～K0+20 m段堤頂基本為扭王字塊，K0+20～K0+50 m段堤頂基本為塊石，僅存1～2件扭王字塊，防波堤內(nèi)側(cè)護面塊體外出現(xiàn)堆積塊石。堤頂扭王字塊下沉，護面塊體沿坡面滑落。

3 防波堤破壞原因分析

K0+0～K0+20 m段已安裝扭王字塊護面，形成了全斷面防護，受臺風影響較小；K0+20～K0+50 m段墊層塊石拋填施工至-2.1 m，由于未形成全斷面防護，防波堤結(jié)構(gòu)抗風力和抗沖刷能力差，波浪越頂后，防波堤堤頂和內(nèi)側(cè)墊層塊石被大浪淘刷，滾落至坡外，墊層塊石失穩(wěn)后導(dǎo)致護面塊體沿坡面下滑。

4 設(shè)計波浪要素變化

《某煉化一體化項目配套原油碼頭工程波浪數(shù)學模型研究報告》重新推算防波堤50 a一遇、100 a一遇和10 a一遇重現(xiàn)期設(shè)計波浪要素，見表2。

由表1、2設(shè)計波高對比可知，在相同設(shè)計水位、相同累計頻率條件下，50 a一遇設(shè)計波高較原設(shè)計提高約10%，100 a一遇較原設(shè)計(50 a一遇)提高約20%，施工期10 a一遇設(shè)計波高較原設(shè)計提高約11%。

表2 防波堤設(shè)計波浪要素

《某原油碼頭工程防波堤波浪斷面物理模型試驗報告》[6]表明：在各級水位及相應(yīng)的50 a一遇和100 a一遇不規(guī)則波作用下，原堤頭設(shè)計斷面堤頂和斜坡頂部的拐角連接處的63 t扭王字塊體出現(xiàn)縫隙，最大縫隙寬度分別約為0.9 m和1.2 m；原堤身設(shè)計斷面堤頂和斜坡頂部的拐角連接處52 t扭王字塊體出現(xiàn)縫隙，最大縫隙寬度約為1.5 m，52 t扭王字塊處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；中部、下部扭王字塊體和護底塊石均能滿足穩(wěn)定要求。因此，須適當加大護面扭王字塊體的質(zhì)量。

根據(jù)最新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》：“斜坡式防波堤的設(shè)計波浪重現(xiàn)期應(yīng)為50 a，特殊情況或大水深、重要建筑物設(shè)計波浪重現(xiàn)期可采用100 a或以上”。由于本工程中防波堤對碼頭泊位掩護的重要性突出，因此，防波堤設(shè)計波浪重現(xiàn)期由50 a一遇提高至100 a一遇，即：采用50 a一遇高水位、波浪進行設(shè)計，100 a一遇水位、波浪進行物理模型試驗校核。

綜上可知，由于工程海域波浪條件發(fā)生較大變化，原設(shè)計護面塊體質(zhì)量無法滿足穩(wěn)定性要求，根據(jù)最新的波浪條件和規(guī)范變化，須優(yōu)化防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

5 防波堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

受“山竹”臺風破壞，防波堤堤頭段邊坡變緩，且因臺風和季風期影響，石料和扭王字塊相互積壓非常緊密，難以挖除清理。因此，通過補拋塊石和安放扭王字塊，調(diào)整破壞面以順暢銜接，重新確定斜坡堤堤頭段和堤身段坡面坡度分別為1:2.0和1:1.5。

根據(jù)JTS 154—2018《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》，防波堤塊體穩(wěn)定重力計算式：

(1)

式中：W為單個塊體的穩(wěn)定重力(kN)；ρb為塊體材料的密度(tm3)；H為設(shè)計波高(m)；KD為塊體穩(wěn)定系數(shù)；α為斜坡與水平面的夾角(°)；ρ為水的密度(tm3)。

原JTS 154-1—2011《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》中，KD取值為18；而新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》中KD取值為15～18，情況特殊及現(xiàn)場自然條件復(fù)雜時KD應(yīng)取小值。

重新推算設(shè)計波浪波高H5%，50 a一遇波浪重現(xiàn)期時，H5%為10.81 m，100 a一遇波浪重現(xiàn)期時，H5%為11.80 m。由式(1)計算扭王字塊穩(wěn)定重力，根據(jù)計算結(jié)果，考慮使用期防波堤結(jié)構(gòu)的安全性，扭王字塊護面塊體質(zhì)量取值為75 t。

原防波堤堤頂高程設(shè)計思路為：當島式防波堤主要功能是為單個碼頭提供泊穩(wěn)條件和可作業(yè)天數(shù)時，可適當降低防波堤設(shè)計標準，允許極值波浪大量越過堤頂，堤身結(jié)構(gòu)仍可保持穩(wěn)定即可。通過降低堤頂高程，縮小防波堤斷面，可大幅度降低工程造價，提高經(jīng)濟效益[7]。

綜合考慮功能防波堤設(shè)計思路、設(shè)計波浪要素的提高、施工船舶在堤頂施工時的吃水要求以及施工期防臺需要等，防波堤堤頂高程由4.0 m調(diào)整為5.3 m。通過防波堤整體物理模型試驗驗證，調(diào)整前、后港池內(nèi)波要素和碼頭泊位可作業(yè)天數(shù)無明顯變化[8]。

結(jié)合防波堤施工進度情況，考慮施工期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，調(diào)整優(yōu)化設(shè)計斷面，75 t扭王字塊護面塊體下安放6 t和26 t扭王字塊。堤頭K0+0～K0+50 m段，上部護面采用75 t扭王字塊，下設(shè)6 t扭王字塊及300～500 kg塊石墊層；下部護面采用63 t扭王字塊，下設(shè)6 t扭王字塊；護底采用52 t扭王字塊，下設(shè)1 000～2 000 kg護底塊石。堤身段，護面采用75 t扭王字塊，下設(shè)26 t扭王字塊及1 500～2 500 kg塊石墊層；外坡下部護面采用52 t扭王字塊，下設(shè)已安裝的26 t扭王字塊；內(nèi)坡下部護面為已安裝的26 t扭王字塊；外坡護底采用41 t扭王字塊，下設(shè)1 000～2 000 kg護底塊石；內(nèi)坡護底為已施工的26 t扭王字塊和1 000～2 000 kg塊石。堤頭K0+820～K0+920 m段，護面采用75 t扭王字塊，下設(shè)26 t扭王字塊及1 500～2 500 kg塊石墊層；為增強護底抗沖刷能力，在已施工的1 000～2 000 kg護底塊石上設(shè)置52 t扭王字塊體。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，防波堤堤頭K0+0～K0+50 m段、堤身段和堤頭K0+820～K0+920 m段典型斷面見圖3[9]。

圖3 防波堤優(yōu)化設(shè)計斷面(高程：m)

采用物理模型試驗，驗證優(yōu)化后的設(shè)計斷面，在各級水位及相應(yīng)50 a一遇和100 a一遇波浪作用下，設(shè)計斷面護面塊體和護底塊石的穩(wěn)定性，測量防波堤越浪及堤后次生波浪。護面塊體失穩(wěn)判別標準：以塊體滾落或累計位移超過塊體最大幾何尺寸的一半為失穩(wěn)。護底塊石的穩(wěn)定標準：在波浪作用下允許有少量塊石原地擺動，個別塊石位移，表層沒有明顯變形為穩(wěn)定。由于防波堤堤頂距離設(shè)計高水位較近，越浪量很大，難以通過接水箱接取越浪水體直接測量越浪量，因此，在防波堤堤后布置波高儀，測量不同試驗工況下越浪產(chǎn)生的堤后次生波浪要素。

經(jīng)物理模型試驗驗證，設(shè)計優(yōu)化后的防波堤斷面護面塊體、護底塊石和扭王字塊體均能滿足穩(wěn)定性要求，堤后次生波浪波高明顯減小。

6 結(jié)論及建議

1)由于設(shè)計波浪資料更新，設(shè)計波要素取值與實際波浪情況有一定的偏差。通過數(shù)值模擬重新推算波浪要素，根據(jù)新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設(shè)計規(guī)范》，調(diào)整防波堤設(shè)計標準，并通過物理模型試驗進行驗證。

2)施工海域風浪條件差，施工周期長。根據(jù)施工經(jīng)驗，臺風引起的風暴潮對-5.0 m高程以上的塊石影響較大，須編制合理的施工組織計劃，控制堤心石和墊層塊石施工頂高程，嚴格控制施工區(qū)段長度約30 m，墊層塊石拋填完成后，及時安裝墊層和護面扭王字塊。臺風來臨前，合理調(diào)整施工區(qū)段長度，預(yù)留充足的時間，對出水段施工斷頭進行防護。

3)外海施工條件惡劣，深水防波堤施工難度大，施工工藝、方法和控制精度都會影響防波堤結(jié)構(gòu)的安全性。施工單位應(yīng)根據(jù)自然條件，制定施工進度計劃和節(jié)點目標，加大船機、設(shè)備、人員和物資等投入，加強現(xiàn)場管理，做好石料儲備，提高施工效率。尤其是扭王字塊吊安施工時，控制安裝的精度和質(zhì)量，加強塊體間的咬合，以增加護面的穩(wěn)定性。

4)超大型扭王字塊預(yù)制時，可通過在混凝土中添加港工JS-BDC聚乙烯醇纖維替代配筋(摻量為0.9 kgm3)，以增強其抗裂能力，同時將扭王字塊邊角部位進行圓角或倒角處理，以減少吊運過程中的磨損。