粵東海域某電廠配套碼頭工程總平面布置思路及其方案優(yōu)化

連石水, 黃炎潮, 黎維祥, 陳木燦, 陶 然

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

粵東海域某電廠配套碼頭工程總平面布置思路
及其方案優(yōu)化

連石水1, 黃炎潮1, 黎維祥1, 陳木燦1, 陶 然2

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

針對(duì)粵東海域風(fēng)浪較大、巖石埋深淺、島礁多等復(fù)雜建港條件，結(jié)合電廠建設(shè)對(duì)配套碼頭工程、防波堤和水域的設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)波浪、海流、泥沙及工程地質(zhì)等建設(shè)條件進(jìn)行分析，進(jìn)行了碼頭起步方案、碼頭前沿線位置及平面布置型式的比選，并結(jié)合作業(yè)天數(shù)、停泊波高及取排水要求優(yōu)化防波堤布置，通過勘察、船舶操縱仿真及通航結(jié)論論證水域布置，最終提出適宜電廠使用要求、與當(dāng)?shù)貤l件相適應(yīng)的總平面布置方案。

電廠配套碼頭工程;總平面布置思路;方案優(yōu)化;碼頭前沿線;防波堤;水域

粵東海域某電廠按8×1 000 MW機(jī)組規(guī)劃，一期工程建設(shè)2×1 000 MW機(jī)組。配套碼頭工程旨在滿足電廠進(jìn)港煤炭在港卸船需求。碼頭工程建設(shè)規(guī)模為：規(guī)劃建設(shè)2個(gè)10萬t級(jí)卸煤泊位(結(jié)構(gòu)按15萬t級(jí)設(shè)計(jì))和1個(gè)3 000 t級(jí)重件泊位，一期建設(shè)1個(gè)10萬t級(jí)卸煤泊位(結(jié)構(gòu)按15萬t級(jí)設(shè)計(jì))和1個(gè)3 000 t級(jí)重件泊位。

1 建設(shè)條件分析

根據(jù)本工程所在海域的條件及項(xiàng)目特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注波浪、潮流、泥沙和工程地質(zhì)條件的影響。

1.1波浪

本海域常浪向?yàn)镋，頻率為18.06%，次常浪向?yàn)镋NE，頻率為15.63%，強(qiáng)浪向?yàn)镋SE—SE。H4%>1.0 m的頻率為69.15%，H4%>1.5 m的頻率為29.33%。防波堤堤頭極端高水位50 a一遇H1%=8.85 m。

1.2海流

本海區(qū)的潮流狀況為略帶旋轉(zhuǎn)性的往復(fù)流為主。流速總體較小，不同測(cè)點(diǎn)位置漲潮流最大流速為0.16～0.25 ms，落潮流最大流速為0.14～0.32 ms。潮流流速較小，流向與岸線走向一致。

整體而言，夏冬季大潮期間余流較大，各層余流流向基本與風(fēng)向基本一致，夏季朝向東北，冬季朝向西南，顯示出一定程度的風(fēng)海流性質(zhì)，夏季余流介于0.05～0.42 ms。冬季余流介于0.03～0.42 ms。

1.3泥沙

所在海岸為準(zhǔn)螺線弧形略侵蝕性海岸。計(jì)算的波浪沿岸總輸沙17萬m3a，東北向輸沙11.3萬m3a，西南向輸沙5.7萬m3a，凈輸沙由東北向西南，每年5.6萬m3。海域含沙量較小，觀測(cè)到的最大含沙量在0.1 kgm3以下。

1.4工程地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料，現(xiàn)場(chǎng)地形地貌的勘踏及鉆孔揭露的地質(zhì)情況，勘區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象及全新活動(dòng)斷裂的跡象，探區(qū)除了部分地段上部分布有少量軟弱土及部分地震液化砂層外，探區(qū)未發(fā)現(xiàn)其它影響場(chǎng)地整體穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告的成果，全風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高-29.28～-12.79 m，平均-19.72 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高-31.1～-13.08 m，平均-20.75 m。另參照物探結(jié)果，在水深-8～-12 m，局部存在淺礁，甚至在潮位較低時(shí)，巖面露出水面。

2 總平面布置思路及其方案優(yōu)化

2.1起步方案

圖1 東邊起步方案Fig.1Generallayoutofschemestartingfromeast圖2 西邊起步方案Fig.2Generallayoutofschemestartingfromwest

根據(jù)電廠總體規(guī)劃及發(fā)展思路，圖1為電廠從東邊起步方案，一期建設(shè)兩臺(tái)機(jī)組，為滿足施工場(chǎng)地要求，一次性填海形成二臺(tái)機(jī)組陸域，該方案取水口布置在電廠陸域東側(cè)，排水口布置在防波堤?hào)|側(cè)，考慮沿海甲山腳排向外海，同時(shí)建成東側(cè)防波堤；圖2為電廠從西邊起步方案，填海及取排水方案同東邊起步方案一致，為滿足碼頭掩護(hù)要求，需建設(shè)東、西兩側(cè)防波堤。東邊起步方案受SE—SW向波浪的影響，碼頭前沿2 a一遇H4%最大值為2.0 m，且為順浪，波浪反射較小，作業(yè)天數(shù)為310 d，圍海面積較小，疏浚工程量和炸礁量稍大；西邊起步方案受S向波浪的影響，碼頭前沿2 a一遇H4%最大值為2.2 m，且為橫浪，波浪反射較大，作業(yè)天數(shù)為305 d，圍海面積較大，疏浚工程量和炸礁量稍小；兩個(gè)方案投資相當(dāng)，綜合考慮后，確定采用東邊起步方案。

2.2碼頭前沿線布置

2.2.1 電廠用地范圍確定

根據(jù)規(guī)劃，廠區(qū)后方為沿海公路，填海和征地范圍需滿足電廠輔助建筑區(qū)和電廠布置要求，據(jù)此，電廠圍填海距離岸邊300～450 m，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行碼頭、防波堤及水域布置。

圖3 順岸式布置型式Fig.3Generallayoutofcoastwiseterminal圖4 突堤式布置型式Fig.4Generallayoutofjettyterminal

2.2.2 碼頭平面布置型式選擇

根據(jù)卸煤碼頭裝卸作業(yè)特點(diǎn)，合理選取碼頭平面布置型式，在此填海方案下，碼頭可采用布置型式有順岸式布置、突堤式布置、沿防波堤內(nèi)側(cè)布置和棧橋式布置。在風(fēng)大、浪大的海況條件下該類碼頭需要有較好掩護(hù)，采用棧橋式布置方案不合理；按作業(yè)區(qū)總體規(guī)劃，東防波堤內(nèi)側(cè)、港池北側(cè)、港池西側(cè)均有布置泊位，沿防波堤內(nèi)側(cè)布置會(huì)影響港池北側(cè)泊位使用，為此，該類方案也不合理。因此，以下主要對(duì)順岸式和突堤式兩種布置型式作進(jìn)一步比選。

圖3為順岸式布置型式，碼頭與電廠護(hù)岸平行，位于其東南側(cè)，兩者前沿線距離100 m，形成順岸連片式布置型式；圖4為突堤式布置型式，碼頭與電廠護(hù)岸垂直，位于其東南側(cè)。順岸式布置型式與前述東側(cè)起步方案相同；突堤式布置型式受S—SW向波浪的影響，碼頭前沿2 a一遇H4%最大值為2.1 m，且為橫浪，作業(yè)天數(shù)為305 d，疏浚工程量、炸礁量和投資基本相當(dāng)，但考慮到影響未來港池北側(cè)岸線和陸域使用影響，綜合考慮后，確定采用順岸式布置型式。

2.2.3 碼頭前沿線位置論證

工程所在海域?yàn)轱L(fēng)大、浪大區(qū)，且礁石埋深較淺，因此，在進(jìn)行碼頭前沿線選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮到泊穩(wěn)條件、疏浚量、炸礁量和海域使用面積等因素(表1)。為此，共考慮3種碼頭前沿線位置比選方案(圖5)。

表1 碼頭前沿線位置方案比較表Tab.1 Comparison of terminal front line

5-a 方案一(與電廠護(hù)岸距離100 m) 5-b 方案二(與電廠護(hù)岸距離150 m) 5-c 方案三(碼頭向西側(cè)平移100 m)圖5 碼頭前沿線方案圖Fig.5 Scheme comparison of terminal front line

注：港池設(shè)計(jì)底高程-16.0 m，深色陰影部分為炸礁范圍。

方案一(“與電廠護(hù)岸距離100 m”方案)：碼頭前沿線與電廠護(hù)岸平行，方位角45°～225°，為確保碼頭施工不影響電廠護(hù)岸穩(wěn)定性，碼頭前沿線距離護(hù)岸最小距離為100 m。方案二(“與電廠護(hù)岸距離150 m”方案)：該方案是在上述方案基礎(chǔ)上將碼頭前沿線往正前方平移50 m，距離電廠護(hù)岸前沿線150 m，此時(shí)，碼頭封頭護(hù)岸增加100 m，填海面積增加2.24萬m2，港池整體往前也平移50 m。方案三(“碼頭向西側(cè)平移100 m”方案)：該方案碼頭前沿線與“與電廠護(hù)岸距離100 m”方案一致，整體向西側(cè)平移100 m。

方案一雖疏浚工程量稍大，但具有與港口規(guī)劃完全符合，并充分利用岸線；圍填海面積小；距離防波堤堤頭較遠(yuǎn)，泊穩(wěn)條件較好；工藝皮帶機(jī)和轉(zhuǎn)換房投資少；碼頭封頭段護(hù)岸較短；炸礁量較小。綜上分析，確定推薦采用方案一，即“與電廠護(hù)岸距離100 m”方案。

2.3防波堤布置

(1)采用波浪整體數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)和波浪整體物理模型試驗(yàn)分析港內(nèi)泊穩(wěn)情況，論證防波堤長度。業(yè)主在工程海域附近-15.0 m水深處進(jìn)行了為期1 a的波浪觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明，海域波浪常浪向?yàn)镋，頻率為18.06%，次常浪向?yàn)镋NE，頻率為15.63%，強(qiáng)浪向?yàn)镋SE—SE。根據(jù)碼頭及防波堤布置，對(duì)碼頭影響較大的主要波向?yàn)镋—W向，其中SSW—W向H4%>1.0 m的頻率為4.44%，頻率不高，E—S向H4%>1.0 m的頻率為26.78%。通過波浪統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)E—S向的波浪傳遞到碼頭前沿的波浪小于允許作業(yè)波高(順浪H4%≤1.2 m，橫浪H4%≤1.0 m)即可確保作業(yè)天數(shù)能滿足使用要求，一般情況下，可作業(yè)天數(shù)按300 d控制。另外，根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ165-2013)，碼頭前沿允許停泊波高1.2～2.0 m，考慮到停靠船型為5～10萬t級(jí)散貨船，本工程碼頭前沿允許停泊波高按1.8 m考慮。

方案一：東防波堤長度為2 572.27 m，堤頭位于約-11.6 m水深處。根據(jù)波浪整體物理模試驗(yàn)成果，煤碼頭前沿2 a一遇各波向試驗(yàn)成果見表2。計(jì)算碼頭的作業(yè)天數(shù)為310 d。

方案二：東防波堤在工況一基礎(chǔ)上縮短50 m，長度為2 522.27 m。根據(jù)波浪整體物理模試驗(yàn)成果，煤碼頭前沿2 a一遇各波向試驗(yàn)成果見表3。計(jì)算碼頭的作業(yè)天數(shù)為295 d。

表3 方案二設(shè)計(jì)高水位煤碼頭前沿2 a一遇波高Tab.3 Wave height in front of coal terminal for plan 2 under design high water level with return period of 2 a

方案二碼頭作業(yè)天數(shù)小于300 d，且在SSE—S波向作用下，碼頭前沿2 a一遇H4%>1.8 m。綜上分析，認(rèn)為東防波堤長度為2 572.27 m較為合適。

(2)防波堤布置要滿足電廠取排水的要求。工程海域夏季余流方向?yàn)闁|北向，考慮到電廠取水對(duì)泥沙回淤、水域平穩(wěn)度、水體含沙量等要求，根據(jù)取排水物理模型試驗(yàn)研究成果[2-3]表明：推薦采用“西取東排、港池取水方案”較為合理，并且當(dāng)防波堤長度為2 572.27 m時(shí)，取水平均溫升小于1 ℃，滿足電廠取水的要求，因此，從取水溫升方面考慮，防波堤長度為2 572.27 m也是合適的。

2.4水域布置

圖6 水域范圍巖面等值線圖Fig.6Contourlineofrocksurfaceinwaterarea圖7 堤頭水域平面布置圖(優(yōu)化后)Fig.7Optimizedgenerallayoutofwaterarea

(1)結(jié)合地質(zhì)勘察成果，分析巖面分布及埋深，論證港池及航道布置。

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告的成果，全風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高-29.28～-12.79 m，平均-19.72 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖面標(biāo)高-31.1～-13.08 m，平均-20.75 m。另參照物探結(jié)果，在水深-8～-12 m，局部存在淺礁，甚至在潮位較低時(shí)，巖面露出水面，巖面等值線分布見圖6(注：圖中陰影部分為巖面高程大于-16.0 m，深色陰影部分為工程炸礁范圍)。

為減少炸礁，減輕對(duì)環(huán)境影響，結(jié)合港區(qū)遠(yuǎn)景規(guī)劃，合理確定航道走向和港池位置，經(jīng)過綜合分析論證，回旋水域布置在停泊水域前方，航道方位角為8°～188°，連接水域布置論證見2.4.2節(jié)。

(2)結(jié)合通航和船舶操縱仿真結(jié)論，優(yōu)化水域布置，尤其要充分考慮在東防波堤堤頭潮流復(fù)雜和波浪集中問題。

根據(jù)潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)及泥沙回淤計(jì)算成果表明，東防波堤堤頭的挑流作用，原順岸的漲落潮流變成繞流，使東防波堤堤頭外流速顯著增加，流速增加100%；航道的流場(chǎng)的變化同時(shí)受港池、回旋水域和航道的開挖的作用，航道總體流速減小，但口門外附近航道流速增大約50%，其原因?yàn)闁|防波堤堤頭的挑流作用；港池、調(diào)頭區(qū)流速顯著減小，流速減小80%。

《工程波浪整體物理模型試驗(yàn)研究》成果及相關(guān)研究成果[4]表明，航道開挖后，對(duì)防波堤堤頭設(shè)計(jì)波浪會(huì)發(fā)生波能集中現(xiàn)象，且堤頭處航道內(nèi)波浪增大。

原方案，口門外航道與回旋水域通過內(nèi)航道連接，航道轉(zhuǎn)向角為19°，轉(zhuǎn)彎半徑為R=1 450 m(15萬t級(jí)散貨船長5倍)，如上述，在口門處潮流復(fù)雜，且堤頭處波浪增大，結(jié)合通航和船舶操縱仿真結(jié)論，并參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[5]，船舶在堤頭轉(zhuǎn)彎航速應(yīng)保持在5節(jié)以上，待駛?cè)氲填^后，方可進(jìn)行制動(dòng)，并且提出，適當(dāng)加大堤頭水域?qū)挾龋瑸榇耍瑢?duì)堤頭水域進(jìn)行優(yōu)化，口門外航道與回旋水域通過喇叭口進(jìn)行連接(圖7)。

3 結(jié)論與建議

(1)碼頭平面布置應(yīng)從起步方案、電廠用地范圍、碼頭平面布置型式、碼頭前沿線位置等方面比選確定;(2)防波堤布置應(yīng)充分考慮港內(nèi)泊穩(wěn)要求和電廠取排水的要求，主要對(duì)常波向和強(qiáng)浪向進(jìn)行掩護(hù)，滿足作業(yè)天數(shù)及安全停泊的要求;(3)水域布置應(yīng)綜合考慮礁石分布、波浪潮流情況和通航要求，尤其是在防波堤堤頭位置潮流及波浪較為復(fù)雜，是重點(diǎn)分析的區(qū)域，適當(dāng)擴(kuò)大堤頭附近水域。

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General layout plan and optimization of coal terminal for power plant project in eastern Guangdong coastal area

LIANShi-shui1，HUANGYan-chao1，LIWei-xiang1，CHENMu-can1，TAORan2

(1.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510230,China; 2.ChinaHarbourEngineeringCompanyLtd.,Beijing100027,China)

Considering the complicated port construction condition in eastern Guangdong coastal area, with rough waves, shallow buried rock, and massive island reefs, the general layout plans including start scheme and front line plan were studied for comparison based on the analysis of wave, current, sediment, and geological conditions according to the design criteria of coal terminals, breakwaters, and water area for the power plant. The breakwaters plan was optimized according to the design operational days, berthing wave heights, and intake & outlet of power plant and the final optimized general layout plan which is compatible with operation of power plant, and adapted to the local conditions was proposed based on the geological investigation, ship maneuvering simulation, and water area navigation assessment.

coal terminal for power plant; general layout plan; design optimization; terminal front line; breakwater; water area

2017-01-11；

2017-02-23

連石水(1981-)，男，福建長汀人，高級(jí)工程師，主要從事港口及航道工程咨詢、設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理工作。

Biography：LIAN Shi-shui(1981-)，male，senior engineer.

TU 991

A

1005-8443(2017)05-0532-05