基于功能的深水島式斜坡式防波堤方案設計

楊云蘭，司銀云，王汝凱

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 依托工程概況

“中委合資廣東石化2 000萬t/a重質原油加工工程”是中國石油天然氣股份有限公司與委內瑞拉國家石油公司的合資項目，也是目前國內乃至世界一次性建設加工能力最大的煉油項目[1]。煉廠建在廣東省揭陽市惠來縣新龍江河出海口西岸。與煉廠配套的30萬噸級原油碼頭工程建在惠來縣東部沿海石碑山燈塔東側開敞海域，接卸的原油通過海上大跨度鋼引橋（管線橋）輸送至陸域的原油中轉庫，再通過陸上管道輸送到相距26 km的煉廠[2-4]。

根據工程海域的波浪實測資料統計[5-9]，無掩護時，30萬噸級原油泊位的可作業天數不足180 d，且連續不可作業天數達56 d。為確保煉廠的供油安全，避免增加運輸船舶的購置費及中轉庫容的建設費，減少船舶發生等候靠泊或中途離泊帶來的高額滯船費用，必須設置防波堤為30萬噸級原油泊位提供掩護。考慮到原油泊位離岸較遠，選擇了島式防波堤平面布置方案，見圖1[10]。

2 主要自然條件

2.1 水深條件及波浪

島式防波堤離岸約2.0 km，水深約-21.0～22.0 m（從當地理論深基面起算）。

根據島式防波堤區域實測波浪資料[9]，波浪方向主要分布在S向～E向之間，全年H1/3大于150 cm的出現天數為182 d，特別是東北季風控制期的212 d時間內出現156 d，即東北季風控制期內，約有2/3以上日數H1/3大于150 cm。資料顯示，無掩護狀態下，30萬噸級原油碼頭的可作業天數不足180 d，且連續不可作業天數達56 d。

圖1 原油碼頭區總平面布置圖

2.2 防波堤設計波浪要素

防波堤使用期和施工期設計波浪要素詳見表1、表2（高程系從當地理論深度基準面起算）。

表1 防波堤設計波浪要素（50 a一遇，使用期）

表2 防波堤設計波浪要素（10 a一遇，施工期）

2.3 地質條件

島式防波堤區域表層覆蓋著10.0～15.0 m厚度軟弱土層（表層為2.0～4.0 m厚度的淤泥，其下為標貫N≤10擊的中粗砂、淤泥質土、黏土～粉質黏土），之下為密實的粉細砂層或中砂、粗砂、礫砂層。

2.4 地震條件

依據GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》，本區域的地震基本烈度為VII度，地震水平動峰值加速度為0.15 g。

3 平面布置和堤頂高程確定

3.1 防波堤的功能分析

通常防波堤的功能是為某個港區提供掩護，很少為單個泊位提供掩護。當防波堤與港區碼頭分離式布置時，防波堤堤頂高程常按允許少量越浪設計，堤頂高程宜定在設計高水位之上不小于0.6H（50 a一遇設計波高）處。

對于特殊工程，當防波堤僅為單個泊位提供掩護，且因遠離陸域采用島式布置時，防波堤的功能和設計標準是值得研究的。如果防波堤的功能僅考慮提供泊穩條件和可作業天數，則防波堤的設計標準可適當降低，只需考慮阻擋高頻率方向上2 a一遇的波浪，而讓50 a一遇的極值波浪大量越過堤頂，堤體結構仍保持穩定即可。按此標準設計，防波堤的堤頂高程可以大幅度降低，防波堤的工程造價也會大幅度降低，當防波堤位于深水海域時，經濟效果會十分顯著。

3.2 基于功能的防波堤設計新思路

根據依托工程海域的波浪實測資料，無掩護時，30萬噸級原油泊位的可作業天數不足200 d，且船舶發生等候靠泊或中途離泊的幾率大，高額滯船費用風險高，即使增加泊位，也不能保證煉廠的正常營運，必須設置防波堤為原油泊位提供掩護。考慮到原油泊位離岸較遠，選擇了島式防波堤平面布置方案。

由于島式防波堤海域水深達-22.0 m，有效波高達8.5 m，如果按現行規范[11]設計，則防波堤高程較高，防波堤斷面尺度巨大，造價高昂。為降低工程造價，從實現防波堤功能的角度，采用了基于功能的超大型低矮型斜坡式防波堤的設計新思路：即盡可能降低防波堤頂高程，最大限度縮小防波堤斷面，降低工程投資，防波堤設計只需考慮阻擋高頻率方向上2 a一遇的波浪，而讓低頻率的大浪（臺風浪、50 a一遇的波浪）從堤頂越過，并通過適當拉開防波堤與碼頭之間的距離，確保越過堤頂的波浪不直接沖擊碼頭結構。

3.3 防波堤設計標準

防波堤的設計標準包括設計潮位標準、設計波浪標準、越浪量標準、抗震設防標準。其中3個標準在現行港口工程規范[11]中都有明確的規定，只有防波堤越浪量標準是建議性的，是由防波堤功能確定的。依托工程防波堤的功能是阻擋高頻率方向2 a一遇的波浪，為30萬噸級原油泊位提供完成運量的可作業天數305 d。為此確定其設計標準為：

1）設計潮位標準：重現期50 a一遇的潮位；

2）設計波浪標準：重現期50 a一遇的波浪；

3）抗震設防標準：按工程區域的基本烈度設防；

4）越浪量標準：在設計高潮位與2 a一遇的波浪組合工況下（S向至E向高頻率波向），越過堤頂的波浪與繞射波浪、透浪疊加后，仍能滿足30萬噸級油船的可作業標準；在50 a一遇的潮位與50 a一遇的波浪組合工況下防波堤結構保持穩定，且越過的水體不直接沖擊碼頭結構。

3.4 防波堤平面布置及堤頂高程確定

根據依托工程前期大量的技術、經濟綜合比選，30萬噸級原油泊位前沿線位置確定在粵東石碑山燈塔東側-21.50 m海域，離岸約2.0 km，如果采用接岸的防波堤平面布置，則防波堤的造價高達11.0億元，為節省投資，推薦采用島式防波堤的布置形式。

島式防波堤布置在30萬噸級原油泊位外海側-22.0 m水深附近，走向為55°～235°，和潮流的流向基本一致，可以較好地掩護南向至東向高頻率方向上的波浪。防波堤分為北段及南段兩段。30萬噸級原油泊位布置在南段防波堤內，走向和南段防波堤平行（見圖1）。

島式防波堤與碼頭前沿線的距離、防波堤各段的長度、防波堤的堤頂高程最終是通過波浪整體物模試驗確定的。

在平面設計之初，確定的島式防波堤中心線與碼頭前沿線距離為140 m，南段防波堤長度為800 m，北段防波堤長度為150 m，防波堤堤頂高程為5.5 m（考慮堤頂墊層塊石的頂高程取與設計高水位+1.87 m齊平,目的是減少透浪系數）；后經波浪整體物理模型試驗進行了優化，試驗成果表明：島式防波堤中心線與碼頭前沿線距離為122 m、南段防波堤長度為743.9 m、北段防波堤長度為113.0 m、圓弧段長度為63.5 m（防波堤總長為920.4 m）、防波堤堤頂高程為4.0 m就能實現防波堤的功能，使原油碼頭能獲得305 d的可作業天數。同時，50 a一遇的潮位與50 a一遇的波浪組合工況下，越過防波堤的水體不直接沖擊碼頭。

30萬噸級油船的可作業標準、允許作業的防波堤外海波高詳見表3和表4。

表3 船舶裝卸作業標準

表4 各向允許可作業波高H 1/10

4 防波堤結構

4.1 結構方案

超大型低矮型斜坡式防波堤堤頂高程+4.0 m，堤心頂高程為-1.85 m，堤身外側從坡頂到坡腳分別采用52 t、41 t和20 t扭王字塊護面；堤身內側分別采用52 t、41 t和10 t扭王字塊護面；堤頂采用52 t扭王字塊護面；堤身內、外側邊坡均為1∶1.5。堤頭兩側分別采用63 t、50 t和20 t扭王字塊護面；堤頂采用63 t扭王字塊護面；兩側邊坡均為1∶1.5。41～63 t扭王字塊體的墊層塊石重量2～3 t，20 t扭王字塊體的墊層塊石重量 1～2 t，10～12 t扭王字塊體的墊層塊石重量0.6～1 t。

防波堤位置水深浪大，地基表層淤泥較薄，水上拋填堤心石不能達到陸上推填擠淤效果，為了滿足堤體穩定，表層淤泥需清除后再拋填堤心石。堤身兩側均采用100～150 kg塊石護底。防波堤堤身斷面圖見圖2。

4.2 防波堤結構斷面設計

1）防波堤堤頂高程確定。在研究防波堤的功能、確定防波堤的設計標準之后，確定防波堤采用低矮型斜坡式防波堤設計方案。最初的思路是將防波堤堤頂護面塊體的墊層塊石的頂面與設計高水位齊平（以避免過大的透浪），這樣確定的堤頂高程為+5.5 m，通過波浪整體物模試驗，將堤頂優化為+4.0 m（如果按規范[11]設計，則堤頂高程達+9.5 m）。

2）防波堤護面塊體穩定計算。防波堤護面塊體的穩定重量按規范[11]計算，見表5。

表5 斜坡堤扭王字護面塊體計算表

由于防波堤的堤頂高程較低，在設計高水位之上0.22 H5%處，堤頂護面塊體的重量需增加：堤身段，在外坡坡頂段和堤頂取52 t的扭王字塊體；堤頭段，在內外坡坡頂段和堤頂取63 t的扭王字塊體（因高于設計高水位0.2 H5%，因此，不直接按規范[11]將塊體重件增大到計算值的1.5倍）。

圖2 超大型島式斜坡式防波堤斷面圖

3）防波堤整體穩定性驗算。采用slope軟件按簡單條分法計算，見表6。

表6 斜坡堤整體穩定計算結果

4.3 防波堤波浪斷面物模試驗

1）斷面試驗內容。使用期（工況一）：驗證各設計水位與對應50 a一遇設計波浪組合工況下，防波堤斷面各部分結構的穩定性以及量測堤后次生波浪要素、越浪水體沖擊范圍；使用期（工況二）：在設計高水位與2 a一遇波浪（S向—E向）組合工況下，量測碼頭停泊水域的波高；施工期：驗證在設計高低水位與10 a一遇波浪組合工況下，防波堤堤頂高程施工至-8.0 m時各部分結構的穩定性（因防波堤施工跨越臺風年，需考慮防波堤施工期的穩定性）。

2）試驗結論。使用期（工況一）：防波堤各部分結構穩定，越浪水體不直接沖擊碼頭；使用期（工況二）：越過堤頂的波浪與繞射波浪、透浪疊加后，仍能滿足30萬噸級油船的可作業標準；施工期：斷面結構穩定。

5 結語

依托工程島式防波堤工程設計，若按現行規范進行常規設計，堤頂高程為9.50 m，防波堤延米造價為72.1萬元/m（在依托工程的各設計階段均作為比選方案）；從實現防波堤功能的角度采用低矮型斜坡式島式防波堤設計方案后，堤頂高程優化為4.0 m，防波堤延米造價為59.7萬元/m，節省工程費1.14億元。

在水深、浪大的海域，低矮型斜坡式防波堤具有更好的安全性、適應性、經濟性和耐久性。該結論可供類似工程借鑒之用。

[1]中委廣東石化原油及產品碼頭工程工程可行性研究報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2010.

[2]中委廣東石化原油及產品碼頭工程工程基礎設計報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2012.

[3]中委合資廣東石化2 000萬t/a重質原油加工工程原油及產品碼頭工程測量技術報告（1:1 000）[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2010.

[4]中委廣東石化原油及產品碼頭工程石碑山港址工程地質勘察報告（初步設計階段）[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2010.

[5]中委廣東石化原油及產品碼頭工程波浪整體數學模型研究報告[R].廣州：華南理工大學，2009.

[6]中委廣東石化原油及產品碼頭工程潮流泥沙觀測報告[R].廣州：國家海洋局南海工程勘查中心，2009.

[7]中委合資廣東石化2 000萬t/a重質原油加工工程原油及產品碼頭工程原油碼頭防波堤斷面波浪物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2010.

[8]中委廣東石化2 000萬t/a重油加工工程原油碼頭工程波浪整體物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2011.

[9]中委廣東石化原油和產品油碼頭工程氣象、波浪、潮位周年觀測分析報告[R].廣州：國家海洋局南海工程勘查中心，2011.

[10]楊云蘭，馬勇.適用于深水開敞海域的新型重力式橋墩結構[J].中國港灣建設，2013（5）：12-16.

[11]JTS154-1—2011，防波堤設計與施工規范[S].