島式防波堤工程關鍵技術研究

王遠宏 中海（廣州）工程勘察設計有限公司

王剛 中國水產科學研究院漁業工程研究所

1.研究背景

島式防波堤是一種離岸、獨立于海域的一種防波堤結構，常見于淺水區域的一種水工構筑物。這種型式的防波堤不僅可以利用有限的長度取得最大的掩護效果，還在一定程度上減輕了防波堤的設置對后方海岸灘涂的影響。但至今為止，受工程投資、地形限制等原因，國內對島式防波堤的研究有限，工程實例更是少之又少。位于廣東省江門市轄臺山市赤溪鎮的國家重點工程項目——臺山核電站建有3000t級重件碼頭用于項目重件的運輸裝卸。該碼頭為無掩護碼頭，直面外海，受外海風浪及涌浪影響較大，雖然普通物資可以卸船上岸，但對港內波況要求極高的核電重件（核島精密設備）卻無法卸船上岸，大量核心設備滯留在其他港口，對核電主體建設影響巨大，為解決此問題，臺山核電合營有限公司委托相關技術單位研究解決這一重要難題，作者通過大量的技術研究工作，針對重件碼頭遠離海岸線（距離約620m）、位于有行洪控制要求的河口區一側、碼頭精密設備卸船上岸使用頻率低等特點，經多方案比選后選擇了島式防波堤作為研究方向。

圖1 工程水域地勢及防波堤位置示意圖

2.技術方案研究

2.1 技術方案研究的重難點

2.1.1 苛刻的設計泊穩條件

根據《防波堤設計與施工規范》、《海港水文規范》等行業相關規范規定，碼頭的設計波高通常采用50年一遇或10年一遇波浪重現期來確定，但核電重件碼頭其港池泊穩條件遠比普通海港要求要高，受需要通過重件碼頭上岸核島精密設施的限制，本項目對港池泊移條件的要求更是苛刻：港內泊穩條件需按不低于2年一遇波浪來考慮，方能滿足穩定性要求。

2.1.2 復雜的水域環境

圖2 防波堤總平面布置方案一

圖3 防波堤總平面布置方案二

圖4 防波堤總平面布置方案三

圖5 防波堤總平面布置方案四

重件碼頭前沿東西兩側距離不遠的礁石、西側的黃茅海灣口、已投入使用的重件碼頭構成了本項目復雜的水域環境，方案設計時不僅要考慮減輕水沙和行洪通道的影響，還要考慮盡量避免對進出港船舶的安全造成影響，對設計方案和施工方案提出了更高的要求。

2.1.3 高標準的結構設計要求

作為為核電重件碼頭提供掩護條件的構筑物，其結構設計一方面需要考慮項目區域位于臺風高發區的因素，還要結合現場地質條件的特點選取適宜的基礎處理方案，縮短建造時間，因此，在結構設計標準上較常規防波堤要高。

2.2 技術方案研究

2.2.1 波浪研究

2.2.1.1 研究要求

腰鼓灣是一個面積不到2平方公里的淺水灣，東北一側為黃茅海河口灣，西側靠近廣海灣，西南有上、下川島，大襟島在站址東南約4km處，東和東南側有大杧島和荷包島，各島嶼之間的口門水域為黃茅海口灣最西側的水沙通道。本項目位置正好位于該區域。復雜的地形和眾多島嶼，導致所片海域波浪情況較為復雜和特殊，波向出現頻率最多的方向為SE、S和SSE，頻率分別占59%、22%和15%。

防波堤平面布置方案不僅要能形成相對寬闊的停泊水域確保船舶靠泊安全，同時受核電精密設備停靠的限制，波浪對水域的影響需降到一定程度（重件碼頭的不可作業條件為橫浪 H1/10 大于 0.6m，縱浪 H1/10大于0.8m，平均周期大于 6s，風>6 級（13.8m/s），則需要盡量縮小水域范圍，縮小水域范圍將會影響到船舶的正常停靠泊和碼頭的使用，兩者存在矛盾。如果解決這一矛盾，需從碼頭通航的最低安全要求與防波堤掩護形成適宜泊穩水域的最低要求進行研究，盡可能從中選取最合適的方案。經深入了解核電重件設施的裝卸要求，核電重件設施數量有限，不需全天候進港卸船，因此可以適當降低防波堤的掩護時間，最終經各方研究確定，采用了以下標準作為設計指標：在白天 7：30-18：30，如連續5小時以上滿足波浪泊穩條件，則該天認為是可作業天。

2.2.1.2 研究方案

根據防波堤平面布置的要求，結合通航布置及波浪計算進行了多方案平面布置研究。方案1在碼頭東南向建有防波堤，其中東向防波堤盡量靠近碼頭，以提供良好的掩護條件（圖二）；方案2在方案 1 基礎上防波堤向西加長，以減少南向波浪的影響（圖三）；方案3在結合方案 2的特點，考慮北防波堤太靠近碼頭和充分利用東北側島礁從而減少工程量，北防波堤移東至島礁（圖四）；方案4結合方案3的特點，考慮到島礁涉及征用問題，北防波堤移至島礁西側，但盡量緊貼該島礁（圖五）。

2.2.1.3 研究模型

采用淺海第三代波浪數學模型，該波浪數學模型主要應用于近岸波浪傳播過程地形和海流空間變化導致的波浪折射作用、淺水變形作用，逆向流造成的障礙和反射作用，障礙物的阻擋或部分傳播作用。該數學模型考慮了波浪的成長和消減過程：風成浪作用、白浪的消減作用、水深引起的破碎作用、海底摩擦作用以及波-波的非線性作用（3 個和 4 個）。該數學模型參照以下數學公式進行計算分析：

波作用守恒方程：

在地球坐標下波作用守恒方程：

能量源項S由4項組成：

按照上述公式，非線性作用項除了在海洋模式所考慮的使譜成長的4 波相互作用外，還考慮了3波相互作用。3 波相互作用在淺水中作用明顯，它使波能向高頻轉移，導致高階波。

2.2.1.4 研究結論

最終研究計算表明，最優的是方案4（采用反L型、軸線總長572m的島式布置），工程后，當防波堤堤頭處波向為 NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW 時，港池M1處2年1遇 H4%波高分別為0.8m、0.8m、0.7m、0.6m、0.4m、0.7m、0.7m、0.7m、0.6m；港池N1處2年1遇 H4%波高分別為0.9m、1.1m、0.8m、0.5m、0.4m、0.5m、0.5m、0.6m、0.5m。根據數學模型計算的比波高和波向的變化，從1年的波浪觀測資料經過換算，統計不滿足作業條件的累積時間，年累積小時為600小時。可以滿足重件運輸的要求。

2.2.2 行洪及泥沙研究

由于重件碼頭遠離后方海岸，同時為滿足港內船舶的正常停靠泊要求，推薦的防波堤距離后方海岸超過800米，亦超過了珠江口門治導線延長線范圍，可能對黃茅海口門的防洪納潮產生一定的影響，為些，課題組對此進行了專題進行研究，提出防波堤盡量縮短軸線長度，尤其是與行洪交叉的區域，優化后與現狀條件相比工程附近潮位變化最大值在0.003m以內。此外，工程對黃茅海潮位基本無影響。同時，由于是島式結構，工程區域的泥沙運動處于一種動態平衡狀態。

2.2.3 岸灘沖刷影響

本項目防波堤距離后方海岸線約620m，推薦的島式防波堤軸線呈反L型，軸線由三段構成。長邊段總體走向為西往東北偏，短邊段走向為南往北，短邊段堤身對于海流的引流作用尤為明顯，后期需加強防波堤后方東側岸灘的沖刷觀測。

3.主要創新點

（1）突破常規防波堤的研究方式，多領域、多學科開展聯合研究，共同確定工程總布置。

（2）綜合考慮碼頭的使用現狀及船舶通航安全要求，在盡可能考慮核電重件設施卸船泊穩需求的同時，優化防波堤布置方案，實現通航安全要求與核電設備泊穩之間的矛盾，創新提出了核電精密設備的泊穩條件。

（3）優化防波堤設計方案、將阻水和沖淤影響控制到最小，減輕了水沙通道及行洪通道的影響，對珠江流域口門同類項目有較高的指導和推廣作用。

4.工程實踐效果

臺山核電重件碼頭防波堤工程項目建成9個月后，經歷了在工程位置正面登陸的2012年度我國最強臺風“韋森特”的考驗（登陸時中心附近最大風力有13級），臺風過后，防波堤完好無損；2018年度登陸我國最強臺風“山竹”從本工程位置西側登陸（登陸時中心附近最大風力有14級），亦未對本工程主體結構造成任何影響。從碼頭運行至今來看，防波堤對水域行洪及泥沙輸運平衡基本沒有產生影響，防波堤布置合理。