基于越浪量確定開敞式實體結構頂高程的設計方法

周驚慧，柯維林，宋偉華

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

碼頭高程的取值對工程投資、碼頭作業的便捷性等有著很大的影響，是碼頭工程設計的重要參數之一。目前各國設計標準中對高程取值方法不一，但是基本原理一致。國標中針對碼頭高程的計算提供了上水標準和受力標準兩種計算方法，其中針對上水控制標準的解釋是指根據碼頭的重要性、作業特點等要求，在一定的潮位和波浪組合下，按照碼頭面上水可接受的程度設定的碼頭前沿頂高程控制標準。同時針對實體結構碼頭，一般可只按上水標準確定碼頭前沿頂高程。相關的條文規范中，未對上水可接受程度予以說明，本文結合項目方案特點，對相關標準進行探討。

1 工程概述

1.1 建設條件[1-2]

工程地處地中海南岸，受地中海氣候影響。所在海區極端高水位 0.7 m（以當地最低潮面為基準，下同），極端低水位-0.6 m，設計高水位0.34 m，設計低水位-0.26 m。

波浪特征為：冬季，波浪主要來自西南向（25.43 %）、西向（19.74 %）和東北向（18.04 %）；夏季，波浪主要來自東北向（30.42 %）、東向（15.63 %）、西南向（14.72 %）和西向（11.05 %）。波玫瑰圖見圖1。

圖1 波玫瑰圖

根據本項目波浪數值模擬研究結果，設計波浪參數如表1。

表1 碼頭設計波浪條件

1.2 設計方案

本項目建設一個15萬t級礦石卸船泊位，碼頭與陸域由引堤連接，防波堤及碼頭軸線采用“一”字形布置，軸線方向為北偏東 30°，防波堤布置在西側，碼頭泊位布置在東側，碼頭結構采用雙圓筒沉箱結構型式，碼頭斷面見圖2，平面布置見圖3。

圖2 碼頭結構斷面示意

圖3 平面布置及波浪特征點位置

2 越浪量標準及作業標準選取[3-8]

本項目越浪標準控制主要考慮在碼頭工作狀態下，行人和汽車可安全作業，在極端工況下結構不發生破壞。

為此對日本港口建筑物設計標準（根據福田等調查）、Fuknda Efal的研究成果、DHI的研究成果、BS 6349-Part7等各文獻中對允許越浪量給出的建議進行對比分析。從各種規范、研究和試驗結果可以看出，確保通車的運行越浪量要求控制在<2×10-5m3/s/m，標準相對較高。

因此，本項目參照日本Sigurdarson等的研究成果，該成果顯示在堤后其應用為卸船或裝卸作業時，允許越浪量建議為≤0.00042 m3/s/m。綜合考慮本項目作業情況及參考各規范標準，本項目標準設定為：船舶裝卸作業期間基本不越浪，平均越浪量≤0.1l/m/s=0.0001 m3/s/m。

按照日本港口建筑物設計標準，此時的越浪狀況是水體飛濺，消浪良好，可排水；另外，參照Coastal Engineering Manual，在這種越浪標準下，在作業狀態下行人和車均不會出現安全問題。

考慮在極端工況條件下，碼頭上無作業人群及車輛，船舶已離港，只需保證結構不發生破壞即可，因此校核工況設定為極端波浪情況下結構不發生破壞。

同時參照《海港總體設計規范》，本項目船舶卸船的允許作業標準設定見表2。

表2 船舶卸船的允許波高取值

3 碼頭面高程計算[8]

本碼頭面高程計算采用中標中的上水標準進行計算。針對碼頭東西兩側不同波浪要素，計算碼頭面高程及擋浪墻高程。

計算公式采用《海港總體設計規范》（JTS 165-2013）5.4.8中規定的上水標準。碼頭面高程及擋浪墻高程計算取值見表3。

表3 高程計算

綜合考慮海平面上升等因素，結合經驗取值，碼頭東側取值為4.0 m，碼頭西側擋浪墻高程取值為10 m。

4 越浪量計算[9]

越浪量采用《Eurotop-Wave Overtopping of Sea Defenses and Related Structures:Assessment Manual》（2008）中的公式進行計算。

設計水位為極端高水位時碼頭兩側的計算結果見表4。

表4 碼頭區越浪量計算

從計算結果中可以看出，碼頭東側前沿作業波高達到1.9 m前，碼頭越浪量均未超過要求設計標準。但采用常規作業控制的2年一遇波浪時，越浪量超過控制標準。

5 2D及3D物理模型試驗驗證[10-11]

針對碼頭進行2D斷面試驗，各工況對西北向浪越浪試驗結果見表5。試驗結果與計算公示理論計算結果基本吻合。

表5 2D斷面試驗結果

3D整體物理模型試驗比例為 1/68，港池選用的浪向為 N359°和 N339°。為了測量直立式防波堤擋浪墻后的越浪量，首先，對這些越浪進行定位，然后采用3個分別布置在碼頭連接處、碼頭中部、碼頭堤首的水槽（B1、B2和 B3）測量越浪量，3個水槽（V1、V2和V3）所得體積將作為越浪流量計算的基礎，即Q1、Q2和Q3。每個水槽長0.6 m、寬0.35 m。考慮了基本方案和優化方案兩組試驗，基本方案：碼頭東側取值為 4.0 m，碼頭西側擋浪墻高程取值為 10 m。優化方案：擋浪墻增高到10.50 m，連接處的頭 4個沉箱擋浪墻增高到11.50 m；試驗測量結果如表6。

表6 3D整體物理模型試驗結果

對比設計標準，優化方案測得的越浪量在安全范圍內。優化方案連接處碼頭前4個沉箱擋浪墻高程由10.50 m增高到11.50 m，目的是減小該位置集中的越浪。

6 結語

1）根據對理論計算結果及物理模型試驗結果對比分析，兩者獲取值基本一致，說明本項目采用的計算方法和試驗方法是合適的。

2）根據對碼頭頂越浪量分析可知，本項目碼頭頂高程的取值是合理的。類似碼頭高程的設定需通過數值理論計算結合物理模型驗證共同確定。

3）針對碼頭上水標準中的上水程度，目前規范中尚無相關說明，本項目上水程度取值及原則可為類似項目提供參考。

4）上水碼頭高程的設定，需滿足船舶在作業狀態及靠泊狀態下基本不越浪。針對大波浪區域，可通過作業標準及逃跑波高的設定來控制碼頭面高程，減少項目投資。

5）因碼頭高程取值僅可滿足船舶作業工況，對碼頭面上的裝卸設備、電氣設備、通信設備等提出了較高的防護要求，因此需提高相關專業設計防護等級。