基于數學模型分析的人工環抱型港口防波堤平面布置研究

■陳志冰

（福建省港航勘察設計院，福州 350002）

人工環抱型港口是指依托自然海岸通過建造兩側環抱式的防波堤形成的人造海灣的方式，具有掩護條件好，投資大等特點，適用于缺少天然掩護、水域開闊或灘寬水淺、泥沙運動活躍的海岸。建港條件良好的天然海灣和深水岸線日漸匱乏，特別是在寬灘海岸的條件下建設大型港區，這種人工建造的環抱式港區被越來越多地采用[1]。

1 項目背景

泉州灣港區錦尚作業區位于福建省東南沿海，臺灣海峽西岸，泉州市東南晉江下游濱海的錦尚灣，北接泉州灣，南鄰深滬灣。

目前，泉州灣港區錦尚作業區北部碼頭區現有已建鴻山熱電廠煤碼頭，南部碼頭區已建成#1泊位（3.5萬噸級通用泊位）、#2泊位 （2萬噸級通用泊位）和#3泊位（5000噸級通用泊位），形成港區面積21.07萬m2。南部碼頭區目前在建#4泊位（1.5萬噸級通用泊位）。

隨著泉州市經濟的不斷發展，船舶大型化的發展趨勢以及后方臨港產業對散雜貨運輸的需求，加快錦尚作業區的開發建設是必然的趨勢。錦尚作業區遠期岸線規劃作為泉州灣港區近期建設重點岸段，規劃建設#7、#8和#9三個大型專業化深水泊位（#7泊位規劃為10萬噸級散貨泊位，#8和#9泊位規劃為5萬噸級多用途泊位），但泊位前水域寬闊，直接受外海波浪作用，對規劃泊位水工建筑物、港內船舶泊穩條件影響均較大。

因此，泉州灣港區防波堤一期工程的建設對整個錦尚作業區的發展有重要的作用，且迫在眉睫。本次擬建工程位于福建省鴻山熱電廠煤碼頭工程西南側海域，以及已建泉州灣港區錦尚作業區#1泊位和#2泊位南側海域。

2 自然條件

（1）風況

本海區的常風向為NE向，統計頻率為18%，次常風向為ENE向，統計頻率為12%；強風向為NNE向，統計頻率為12%。風玫瑰圖如圖1所示：

圖1 晉江站風玫瑰圖（1990-2010）

（2）水文

1)基準關系

本文高程基準面采用當地理論最低潮面，與其他基準面的換算關系如圖2所示：

圖2 各基面間的換算關系圖

2)設計水位

設計高水位6.22m；

設計低水位0.51m；

極端高水位7.43m（重現期50年一遇）；

極端低水位-0.40m（重現期50年一遇）。

3)波浪

本海區全年風浪常浪向為NNE向，頻率為27%，其次是NE向，頻率為26%，再者就是SSW和ENE向，頻率分別為11%和8%，其余各浪向頻率不超過5%。風浪向的季節變化特別明顯，冬、秋季以NNE向為主，頻率分別為41%和43%；春季以NE向為主，頻率為27%；夏季則以SW向為主，頻率為37%。風浪向年內變化明顯，10月至翌年2月盛行NNE向浪；3月至5月和9月盛行NE向浪；6月至8月則盛行SSW向浪。全年的涌浪向主要出現在E～SW向范圍內，其中以SE向為主，相應頻率為66%，其次是SSE向，頻率為17%，其余各向涌浪出現頻率均不超過5%。涌浪向的季節變化很小，冬、春、秋三季均以SE向浪為主；夏季以SSE向為主。一年之中，從9月至翌年6月均盛行SE向浪，7、8月兩個月盛行SSE向浪。

本海區多年平均波高為0.9m，平均波高的年變幅很小，從6月始至11月逐月增大（0.9m～1.1m），12月始至年5月逐月減小（1.0m～0.7m），年變幅僅0.4m。實測最大波高（H1%）為6.5m（SE向），出現于1973年7月3日。歷年實測最大波高在4.0m～5.0m左右。每年的6月至10月處于臺風影響的季節，月最大波高多數在2.0m～4.0m。波玫瑰圖如圖3所示：

4)潮流

由測流資料可知，測區水域流速隨大小潮汛的更迭，流速值呈規律性增減；測區水域流速總體體現為漲潮流大于落潮流；海流流速基本上體現了由近岸往外海減弱的趨勢。根據對潮流資料分析，擬建工程海域的可能最大潮流流速為0.91m/s。

3 平面布置

（1）平面布置方案

錦尚作業區最終將形成人工環抱型港口，東南側開口作為進入港灣的主通道。港灣口門寬度的確定既要保證港內水域有良好的掩護條件，同時也應滿足進出港船舶安全通航要求。工程平面布置圖如圖4所示：

圖3 崇武海洋站波玫瑰圖（1982）

圖4 工程平面布置圖

1）口門處航道寬度

①口門航道規模

結合港區規劃規模及船型預測，錦尚作業區規劃進港航道規模需要滿足10萬噸級散貨船通航要求；同時結合錦尚作業區港內總體規模，口門航道規模確定為10萬噸級單向航道。

②口門航道寬度

按《海港總體設計規范》規定，航道有效寬度由航跡帶寬度A、船舶間富裕寬度b和船舶與航道底邊的富裕寬度c組成，單向航道有效寬度按下式計算：

單向航道：W=A+2c

經計算，口門航道有效寬度計算結果為236.05m，取240m。

2）遠期航道設計水深

按《海港總體設計規范》規定，航道通航水深D0、設計水深D分別按下式計算：

經計算，航道設計水深取值17.0m。另根據乘潮水位，乘潮歷時2h，乘潮保證率90%的乘潮水位為4.8m，航道設計底標高為4.8-17.0=-12.2m。

3）防波堤口門寬度

①口門有效寬度B0取值標準

根據《海港總體設計規范》，垂直于航道方向的防波堤口門有效寬度B0應為設計船長的1～1.5倍船長。參考日本《港口建筑物設計標準》中，防波堤口門有效寬度一般采取與航道同寬。參照以上標準，推薦防波堤口門有效寬度取1.0倍船長，即B0=250m。

②口門有效寬度底邊線至防波堤的距離d0

根據《海港總體設計規范》，防波堤口門有效寬度底邊線至防波堤的距離d0應根據結構形式及安全要求來確定。本工程口門處灘面標高約為-11m～-13m，疏浚邊坡1∶7，超寬6m。綜合堤頭斷面結構、護底長度、挖槽與護坡的安全距離、挖槽疏浚超寬和疏浚邊坡等因素，并考慮到口門處水流會有局部紊流出現，而且航道區口內和口外側流態會發生一定改變，為減少對口門附近船舶航行的影響，d0取 90m。

③垂直于航道方向的口門寬度BS

垂直于航道方向的 口門 寬度 BS=B0+2×d0，B0取250m，d0取 90m，垂直于航道方向的口門寬度 BS為430m，本階段口門寬度取568m。

（2）研究內容

采用波浪數學模型計算，分析泉州港錦尚作業區港區規劃防波堤平面布置方案和碼頭的設計波要素以及錦尚作業區港內波浪條件，為港區最終平面布置的確定提供優化依據。

（3）研究方案

1）北側防波堤平面布置方案

目前港區北側為電廠煤碼頭及引堤，本工程北側防波堤考慮在現有電廠煤碼頭南側端部位置進行延伸。根據規劃，電廠規劃煤碼頭二期工程建設規模為10萬噸散貨泊位?？紤]不影響后期規劃泊位的建設，本次北側防波堤接岸位置定在煤碼頭防浪墻外側。根據北側防波堤堤軸線的方位不同布置了兩個平面方案，分別為PN1和PN2。兩個方案的具體描述如下：

方案PN1：新建北側防波堤起點位于已建防波堤外側擋浪墻NF1點，北側防波堤軸線方向與已建防波堤軸線方向夾角為19°，北側防波堤長度約為500m。

方案PN2：新建北側防波堤起點位于已建防波堤外側擋浪墻NF1點，北側防波堤軸線與已建防波堤軸線方向平行，防波堤長度約為500m。

方案綜合比較：兩個方案實施后港內7～9號碼頭前波高比無北堤情況減小20%～35%，在對港內波浪掩護方面均較好。泥沙回淤規律一致，處于同一量級。對水動力環境的影響方面，兩方案的差異主要在局部流態，對大范圍流場均不造成影響。錦尚灣平均漲落潮進出潮量較工程前減少14.7%～14.9%。防波堤外挑幅度更大些，對流速的影響范圍也大一些，較內側方案沿西南-東北流路方向流速進一步減小0.01～0.1m/s，外海側潮流受擠壓流速進一步增加0.01～0.05m/s。港池航道水流條件方面，口內為緩流區，流態平順，流向與港池航道走向基本一致。

口門處漲潮流與進港航道基本垂直，落潮流與進港航道交角為 1°-9°-56°，愈往外側交角愈大，對落潮流的掩護外挑方案比內側方案略好。

2）南側防波堤平面布置方案

南側防波堤方案結合錦尚作業區的遠期規劃平面布置方案，擬建南側防波堤起點位于已建錦尚作業區陸域西南側端點。南側防波堤布置了三個平面方案，主要區別在于南側防波堤外側堤軸線為直線、曲線或者折線。三個方案的具體描述如下：

方案PS1：南側防波堤起點為華錦碼頭陸域西南側端部，防波堤總長為2265.6m，分為三段，第Ⅰ段為西北-東南向的直線段，方位角為 135°～315°，長約 933.0m；第Ⅱ段為西南-東北走向的直線段，方位角為58°～238°，長約1131.1m以及第Ⅰ段和第Ⅱ段的圓弧連接段，半徑為150m，弧長為201.5m。

方案PS2：南側防波堤起點與方案ps1一致。防波堤總長為2252.4m，分為5段，第Ⅰ段為西北-東南走向的直線段，方位角為 315°～135°，長約 908.4m；第Ⅱ段為西南-東北向的直線段，長約 349.6m，方位角為 225°～45°；第Ⅲ段為Ⅰ段和Ⅱ段的圓弧連接段，半徑為150m，弧長為235.6m；第Ⅳ段為Ⅲ段和Ⅴ段的圓弧連接段，半徑為1000m，弧長為489.4m；第Ⅴ段為直線段，方位角為73°～253°，長度為 269.4m。

方案PS3：南側防波堤起點與方案ps1一致，防波堤總長為2246m，分為三段，均為直線段。第Ⅰ段為西北-東南走向，方位角為 315°～135°，長約 1058.4m；第Ⅱ段為西南-東北走向，方位角為 225°～45°，長度為 867.6m；第Ⅲ段為第Ⅱ段形成折角，方位角為253°～73°，長度為320m。

方案綜合比較：三個方案均對港內波高影響很小，泥沙回淤之間沒有差別。方案的差異主要在局部流態，對大范圍流場均不造成影響。錦尚灣平均漲落潮進出潮量較工程前減少14.4%～14.9%。方案之間差別很小，影響僅在工程局部區域?？趦葹榫徚鲄^，流態平順，流向與港池航道走向基本一致；口門處漲潮流與進港航道基本垂直，落潮流與進港航道交角為1°-9°-56°，愈往外側交角愈大。方案之間沒有差別。

（4）研究結論

通過北側防波堤兩個平面布置方案的綜合對比，同時考慮盡可能不影響鴻山熱電廠二期碼頭的實施，本工程北側防波堤平面布置方案推薦方案PN1。

南側防波堤外側軸線的布置，對港內波浪情況、水動力條件以及航道港池的水流條件的影響區別不大，但考慮到南側防波堤外側軸線折線與曲線布置會造成波能集中，同時考慮堤軸線的平順銜接，南側防波堤推薦平面方案PS1。

4 結語

通過以上北側防波堤2個平面布置方案的比選和南側防波堤3個平面布置方案的比選結果，最終確定了本工程防波堤的平面走向布置方案，具體方案描述如下。

擬建北側防波堤接岸位置定在煤碼頭外側防浪墻NF1點。自NF1點起，沿東南方向延伸至NF2點（北側防波堤端點），走向為 172°～352°。 北側防波堤長 561.3m，堤頂寬度為22.75m。防波堤南端設置堤頭結構，堤頭處設警示燈樁。

擬建南側防波堤起點位于已建錦尚作業區陸域西南側端點。自為SF1點，沿西南側方向延伸至SF2點，走向為135°～315°，長度約 933m（Ⅰ段）；自 SF2點向東向形成一段長度為201.5m長的圓弧至SF3點，圓弧半徑為150m（Ⅰ段和Ⅱ段圓弧連接段）；自SF3點向東北向延伸至SF4點 （南側防波堤端點）， 走向為 56.8°～236.8°， 長度約1131.1m（Ⅱ段）。南側防波堤總長2265.6m，堤身段堤頂寬度為10.0m，堤頭段堤頂寬度為20.0m。防波堤東端設置堤頭結構，堤頭處設警示燈樁。

[1]JTS165-2013，海港總平面設計規范[S].

[2]JTS 145-2015，港口與航道水文規范[S].

[3]泉州港錦尚作業區波浪數學模型研究報告[R].南京：南京水利科學研究院，2016.

[4]泉州灣港區防波堤一期工程工程可行性研究報告[R].福州：福建省港航勘察設計研究院，2017.