防波堤對“東祥號”施工的掩護分析

◎冀登輝 鄒騰飛 中國港灣西部非洲區域公司 中交廣州航道局有限公司

1.工程概況

加納位于非洲西部幾內亞灣，西鄰科特迪瓦，東毗多哥，南面大西洋。特馬港是加納最大的商港，位于加納東南沿海，與首都阿克拉相距約26km。擬建的新集裝箱碼頭地處特碼老港西側，距岸50km左右即為3000m以上水深，向岸水深迅速轉淺，離岸不足3km即為20m以上水深，且空間上20m等深線近乎與岸平行，呈ENE～WSW向展布于工程區外，工程近岸底地形坡度呈向岸漸陡的變化趨勢。“L型”防波堤堤長約3600m，內側布置集裝箱碼頭，通過填海的方式形成港口陸域。為滿足通航條件，外航道、回旋區和港池水域需疏浚（疏浚深度分別為19.0m、17.4m和16.9m）。

2.工程區波浪條件

河海大學對加納特碼新集裝箱碼頭工程施工期的波浪數模分析，是基于防波堤外圍DHI 600_1600+_6點、DHI 1600+_2點、DHI 1600+_4點以及DHI 1600+_7點，根據1993～2015年逐時波浪資料，對四站波高和平均波向進行統計，對港域波浪受防波堤掩護效果進行計算分析，得出如下主要結論：

（1）防波堤外圍四站的盛行浪向尤為集中，主要集中在155～195°N，該方位內波浪的出現頻率在99.9%以上，其中又以175～185°N向波浪的頻率為最高。

（2）譜峰波周期的分布范圍寬（4～20s），其中9～16s譜峰周期波浪的出現頻率占88.7%，20s以上譜峰周期波浪亦有出現，頻率為0.44%。

（3）165～175°N向波浪，相對于防波堤的走向，該向波浪對防波堤的掩護效果更為不利。

（4）工程所在海域存在局地強風引起大浪的可能，如1996年10月27日發生的強浪事件，其最大波高為2.57m，對應的譜峰波周期為8.5s，平均波向為134°N，但根據DHI的研究可知，該類局部強風引起的極端海浪事件出現的頻次極低。

3.“東祥號”介紹

3.1 “東祥號”簡介

“東祥號”是日本小島組于1995年建造的第一艘200m3非自航抓斗式挖泥船，總長100m，總寬36m，型深6m，吃水3.6m，最大挖深30m，總噸位6985t，排水量約13000t，鋼樁設計長45m，直徑1.6m，重90噸/根，設計工作限制為船舶側傾2°。

3.2 “東祥號”在大涌浪、長周期條件下的施工情況

在防波堤未形成掩護情況下，2016年12月29日“東祥號”進入施工區域就位，準備開工，當鋼樁下到海床后由于暗涌的波長較長，周期約10s以上，能量大，造成鋼樁的頂部不停撞擊鋼樁架，無法利用鋼樁進行定位，出于安全考慮，防止鋼樁被撞擊斷裂或變形彎曲，故暫停施工，起樁拋錨避涌。之后每天在實時潮水的漲、退潮、高平、低平潮嘗試下鋼樁若干次，鋼樁晃動嚴重，無法施工。

從2017年1月3日之后，由于施工區域不具備條件，在暗涌的影響下船舶尚未施工已側傾約3°，超過設計限制，加上鋼樁撞擊樁架等原因無法施工。并根據隨船技術圖紙資料及受力分析計算，若“東祥號”在存在暗涌波長較長工況下施工（船體傾斜角度θ＞2.5°），“東祥號”的抓斗起重機存在重大風險，可能導致抓斗起重機移位而卡死驅動齒輪或傾覆，因此暫停施工。

隨著防波堤堤長的不斷推進，對部分施工區開始形成掩護。“東祥號”于2017年10月15日正式開工，施工和防波堤施工同步進行，防波堤對施工區形成的掩護面積越來越大。

4.“東祥號”適應的波浪條件

200m3抓斗船“東祥號”在海上進行疏浚作業時，波浪要素需滿足一定條件，波高＜0.5m、譜峰波周期＜12s才能保證海上施工安全。

為確保“東祥號”后續施工方案的可行性，各波浪因素條件選擇如下：（1）根據河海大學波浪數模分析，165～175°N向波浪對施工區最為不利，165°N向波浪更為不利，因此選用165°N向波浪；（2）“東祥號”施工邊界譜峰波周期為12s，選用接近但對“東祥號”施工更為不利的譜峰波周期15s；（3）波高采用每月平均的有效波高。

河海大學波浪數模分析運用“比波高”（局地波高與入射波波高）的比值的概念，開展施工作業條件的數值計算工作。其中局地波高為研究區域的實際波高，入射波高采用多年統計的每月有效波高。

根據Danish Hydraulic Institute（簡稱DHI）推算的外圍計算點1993～2015年逐時海浪后報資料，得知每月有效波高。“東祥號”施工的邊界波高為0.5m，即局地波高需＜0.5m，才能保證安全作業。由此，可計算出“東祥號”可施工的每月比波高范圍。根據河海大學在防波堤堤長1.8km、2.0km、2.2km和3.0km，165°N向波浪、15s譜峰波周期條件下的數模分析，并結合防波堤各階段施工節點，即可得出“東祥號”每月的可施工范圍。

5.防波堤對“東祥號”施工的掩護分析

5.1 防波堤長度施工至1.8km時

根據防波堤施工計劃，預計2017年10月14日，防波堤長度可施工至1.8km，根據加納特碼項目部計算的“東祥號”可施工的每月比波高范圍，10月可施工的比波高范圍需＜0.36，根據河海大學波浪數模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，1.8km防波堤對施工區形成的掩護范圍為碼頭前沿KP0～KP40，沉箱出運通道KP0-KP40，部分下潛坑區域。

5.2 防波堤長度施工至2.0km時

根據防波堤施工計劃，預計2017年11月16日，防波堤長度可施工至2.0km，根據加納特碼項目部計算的“東祥號”可施工的每月比波高范圍，11月“東祥號”可施工的比波高范圍需要小于0.38，根據河海大學波浪數模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，2.0km防波堤對施工區形成的掩護范圍為碼頭前沿KP0～KP300，沉箱出運通道KP0-KP300，下潛坑區域及約300m左右的內港池區域。

5.3 防波堤長度施工至2.2km時

根據防波堤施工計劃，預計2017年12月29日，防波堤長度可施工至2.2km，根據加納特碼項目部計算的“東祥號”可施工的每月比波高范圍，12月可施工的比波高范圍需＜0.42，根據河海大學波浪數模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，2.2km防波堤對施工區形成的掩護范圍為碼頭前沿KP0～KP500，沉箱出運通道KP0-KP500，下潛坑區域及約500m左右的內港池區域。

5.4 防波堤長度施工至3.0km時

根據防波堤施工計劃，預計2018年7月28日，防波堤長度可施工至3.0km，根據加納特碼項目部計算的“東祥號”可施工的每月比波高范圍，7月東祥可施工的比波高范圍需要＜0.31，根據河海大學波浪數模分析，165°N向波浪，15s譜峰波周期條件下，3.0km防波堤對施工區形成的掩護范圍為碼頭基槽KP0～KP1400，沉箱出運通道KP0-KP1400，內港池所有區域及部分調頭圓。

6.施工效果

防波堤對施工區域的掩護為“東祥號”的順利施工創造條件，根據施工數據統計，從“東祥號”開工至工程完工，在防波堤形成掩護條件下，惡劣天氣迫使停工的時間占總在場時間的2.7%。

河海大學波浪數模分析較為直觀地顯示了加納特碼新集裝箱碼頭的防波堤修建至不同長度時“東祥號”的可施工范圍。模型所運用的波浪條件，根據各時間節點所對應的多年波要素，均取對“東祥號”施工偏安全的值，在滿足波浪條件下的防波堤長度可保證施工區大多數時間的施工安全。

7.結語

綜上所述，最終為該工程大型挖泥船“東祥號”的施工節省了寶貴時間，降低了船舶施工風險及停滯等成本，為后續“東祥號”在其他惡劣海況項目施工提供了解決思路。