某煉化一體化項目配套原油碼頭工程深水防波堤設計優化

陳海龍，文君鋒，武 政，李江文，高 勇

(中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

某煉化一體化項目配套原油碼頭工程位于我國華南沿海海域。統計資料顯示：1949—1992年間影響本地區的熱帶氣旋共45個，平均每年1個，最多的年份3個。熱帶氣旋出現時間主要集中在每年7—9月，屬于臺風多發區域。每年10月至次年3月，該海域為東北季風控制期，23以上時間H大于150 cm[1]。由于外海施工條件惡劣、工程量大、工期長，防波堤在施工過程中須經歷多個臺風季和東北季風期。2013年以來，該海域多次遭遇強臺風影響，其中2018年第22號臺風“山竹”導致防波堤堤頭段墊層塊石被淘刷，護面塊體滑落，造成較大的經濟損失。

近些年，施工海域受臺風影響極端天氣頻現。因此，須掌握工程海域最新波浪狀況及特征。根據《某煉化一體化項目配套原油碼頭工程波浪數學模型研究報告》[2]，筆者分析防波堤受損原因主要在于設計波要素取值較實際波浪情況偏低。因此，須根據最新波要素和新實施的JTS 154-1—2018《防波堤設計與施工規范》[3]，優化防波堤結構。

本深水防波堤設計優化的原則是：充分利用已預制和安裝的扭王字塊塊體；根據臺風破壞情況，局部調整破壞面以順暢銜接；核算護面塊體的穩定性，在已施工斷面的基礎上，優化防波堤結構設計，并通過物理模型試驗研究論證。經設計優化后，本深水防波堤扭王字塊護面調整為75 t超大型扭王字塊，并采用雙層扭王字塊體新型護面結構，護底塊石上安設扭王字塊進行加強。

1 防波堤原設計概況

原油碼頭工程防波堤為離岸深水島式斜坡式防波堤，離岸約2.0 km，水深-22.0～-21.0 m(從當地理論深度基準面起算)，長度為920.4 m，分為南、北兩段。其中，南段長度為743.9 m，北段長度為113.0 m，圓弧段長度為63.5 m。防波堤平面布置見圖1[4]。根據JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規范》[5]，防波堤原設計水位重現期為50 a一遇，施工期和使用期設計波浪分別為10 a和50 a一遇，設計波浪要素見表1。

圖1 防波堤峽面布置(單位：m)

表1 防波堤原設計波浪要素

防波堤原設計堤頂高程為4.0 m，內、外側邊坡均為1:1.5。自坡頂到坡腳，堤身內、外側分別采用52、41和26 t扭王字塊護面，堤頂采用52 t扭王字塊護面；堤頭內、外側分別采用63、52和26 t扭王字塊護面，堤頂采用63 t扭王字塊護面。41、52和63 t扭王字塊墊層塊石為2 000～3 000 kg，26 t扭王字塊墊層塊石為1 000～2 000 kg，墊層塊石與堤心石之間設置一層200～500 kg墊層塊石；護底塊石質量為1 000～2 000 kg。防波堤原設計斷面見圖2。

圖2 防波堤原設計斷面(高程：m)

2 防波堤破壞情況

由于防波堤所處海域風浪條件復雜而惡劣，水上施工條件差、難度高，海上可作業天數少，工程量大，所以施工進度慢。2018年第22號臺風“山竹”登陸前，防波堤K0+0～K0+20 m段護面塊體已全部安裝，K0+20～K0+50 m段外側護面塊體安裝完成，堤頂63 t扭王字塊未全部安裝，內側護面塊體未安裝，接頭位置安放同規格扭王字塊進行防護。

“山竹”臺風作用期間，防波堤海域有效波高H約為6.8 m，持續時間長達15 h。臺風過后，潛水探摸發現，K0+0～K0+20 m段堤頂基本為扭王字塊，K0+20～K0+50 m段堤頂基本為塊石，僅存1～2件扭王字塊，防波堤內側護面塊體外出現堆積塊石。堤頂扭王字塊下沉，護面塊體沿坡面滑落。

3 防波堤破壞原因分析

K0+0～K0+20 m段已安裝扭王字塊護面，形成了全斷面防護，受臺風影響較小；K0+20～K0+50 m段墊層塊石拋填施工至-2.1 m，由于未形成全斷面防護，防波堤結構抗風力和抗沖刷能力差，波浪越頂后，防波堤堤頂和內側墊層塊石被大浪淘刷，滾落至坡外，墊層塊石失穩后導致護面塊體沿坡面下滑。

4 設計波浪要素變化

《某煉化一體化項目配套原油碼頭工程波浪數學模型研究報告》重新推算防波堤50 a一遇、100 a一遇和10 a一遇重現期設計波浪要素，見表2。

由表1、2設計波高對比可知，在相同設計水位、相同累計頻率條件下，50 a一遇設計波高較原設計提高約10%，100 a一遇較原設計(50 a一遇)提高約20%，施工期10 a一遇設計波高較原設計提高約11%。

表2 防波堤設計波浪要素

《某原油碼頭工程防波堤波浪斷面物理模型試驗報告》[6]表明：在各級水位及相應的50 a一遇和100 a一遇不規則波作用下，原堤頭設計斷面堤頂和斜坡頂部的拐角連接處的63 t扭王字塊體出現縫隙，最大縫隙寬度分別約為0.9 m和1.2 m；原堤身設計斷面堤頂和斜坡頂部的拐角連接處52 t扭王字塊體出現縫隙，最大縫隙寬度約為1.5 m，52 t扭王字塊處于臨界穩定狀態；中部、下部扭王字塊體和護底塊石均能滿足穩定要求。因此，須適當加大護面扭王字塊體的質量。

根據最新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》：“斜坡式防波堤的設計波浪重現期應為50 a，特殊情況或大水深、重要建筑物設計波浪重現期可采用100 a或以上”。由于本工程中防波堤對碼頭泊位掩護的重要性突出，因此，防波堤設計波浪重現期由50 a一遇提高至100 a一遇，即：采用50 a一遇高水位、波浪進行設計，100 a一遇水位、波浪進行物理模型試驗校核。

綜上可知，由于工程海域波浪條件發生較大變化，原設計護面塊體質量無法滿足穩定性要求，根據最新的波浪條件和規范變化，須優化防波堤結構設計方案。

5 防波堤結構優化設計

受“山竹”臺風破壞，防波堤堤頭段邊坡變緩，且因臺風和季風期影響，石料和扭王字塊相互積壓非常緊密，難以挖除清理。因此，通過補拋塊石和安放扭王字塊，調整破壞面以順暢銜接，重新確定斜坡堤堤頭段和堤身段坡面坡度分別為1:2.0和1:1.5。

根據JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》，防波堤塊體穩定重力計算式：

(1)

式中：W為單個塊體的穩定重力(kN)；ρb為塊體材料的密度(tm3)；H為設計波高(m)；KD為塊體穩定系數；α為斜坡與水平面的夾角(°)；ρ為水的密度(tm3)。

原JTS 154-1—2011《防波堤設計與施工規范》中，KD取值為18；而新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》中KD取值為15～18，情況特殊及現場自然條件復雜時KD應取小值。

重新推算設計波浪波高H5%，50 a一遇波浪重現期時，H5%為10.81 m，100 a一遇波浪重現期時，H5%為11.80 m。由式(1)計算扭王字塊穩定重力，根據計算結果，考慮使用期防波堤結構的安全性，扭王字塊護面塊體質量取值為75 t。

原防波堤堤頂高程設計思路為：當島式防波堤主要功能是為單個碼頭提供泊穩條件和可作業天數時，可適當降低防波堤設計標準，允許極值波浪大量越過堤頂，堤身結構仍可保持穩定即可。通過降低堤頂高程，縮小防波堤斷面，可大幅度降低工程造價，提高經濟效益[7]。

綜合考慮功能防波堤設計思路、設計波浪要素的提高、施工船舶在堤頂施工時的吃水要求以及施工期防臺需要等，防波堤堤頂高程由4.0 m調整為5.3 m。通過防波堤整體物理模型試驗驗證，調整前、后港池內波要素和碼頭泊位可作業天數無明顯變化[8]。

結合防波堤施工進度情況，考慮施工期結構穩定的要求，調整優化設計斷面，75 t扭王字塊護面塊體下安放6 t和26 t扭王字塊。堤頭K0+0～K0+50 m段，上部護面采用75 t扭王字塊，下設6 t扭王字塊及300～500 kg塊石墊層；下部護面采用63 t扭王字塊，下設6 t扭王字塊；護底采用52 t扭王字塊，下設1 000～2 000 kg護底塊石。堤身段，護面采用75 t扭王字塊，下設26 t扭王字塊及1 500～2 500 kg塊石墊層；外坡下部護面采用52 t扭王字塊，下設已安裝的26 t扭王字塊；內坡下部護面為已安裝的26 t扭王字塊；外坡護底采用41 t扭王字塊，下設1 000～2 000 kg護底塊石；內坡護底為已施工的26 t扭王字塊和1 000～2 000 kg塊石。堤頭K0+820～K0+920 m段，護面采用75 t扭王字塊，下設26 t扭王字塊及1 500～2 500 kg塊石墊層；為增強護底抗沖刷能力，在已施工的1 000～2 000 kg護底塊石上設置52 t扭王字塊體。

經優化設計后，防波堤堤頭K0+0～K0+50 m段、堤身段和堤頭K0+820～K0+920 m段典型斷面見圖3[9]。

圖3 防波堤優化設計斷面(高程：m)

采用物理模型試驗，驗證優化后的設計斷面，在各級水位及相應50 a一遇和100 a一遇波浪作用下，設計斷面護面塊體和護底塊石的穩定性，測量防波堤越浪及堤后次生波浪。護面塊體失穩判別標準：以塊體滾落或累計位移超過塊體最大幾何尺寸的一半為失穩。護底塊石的穩定標準：在波浪作用下允許有少量塊石原地擺動，個別塊石位移，表層沒有明顯變形為穩定。由于防波堤堤頂距離設計高水位較近，越浪量很大，難以通過接水箱接取越浪水體直接測量越浪量，因此，在防波堤堤后布置波高儀，測量不同試驗工況下越浪產生的堤后次生波浪要素。

經物理模型試驗驗證，設計優化后的防波堤斷面護面塊體、護底塊石和扭王字塊體均能滿足穩定性要求，堤后次生波浪波高明顯減小。

6 結論及建議

1)由于設計波浪資料更新，設計波要素取值與實際波浪情況有一定的偏差。通過數值模擬重新推算波浪要素，根據新實施的JTS 154—2018《防波堤與護岸設計規范》，調整防波堤設計標準，并通過物理模型試驗進行驗證。

2)施工海域風浪條件差，施工周期長。根據施工經驗，臺風引起的風暴潮對-5.0 m高程以上的塊石影響較大，須編制合理的施工組織計劃，控制堤心石和墊層塊石施工頂高程，嚴格控制施工區段長度約30 m，墊層塊石拋填完成后，及時安裝墊層和護面扭王字塊。臺風來臨前，合理調整施工區段長度，預留充足的時間，對出水段施工斷頭進行防護。

3)外海施工條件惡劣，深水防波堤施工難度大，施工工藝、方法和控制精度都會影響防波堤結構的安全性。施工單位應根據自然條件，制定施工進度計劃和節點目標，加大船機、設備、人員和物資等投入，加強現場管理，做好石料儲備，提高施工效率。尤其是扭王字塊吊安施工時，控制安裝的精度和質量，加強塊體間的咬合，以增加護面的穩定性。

4)超大型扭王字塊預制時，可通過在混凝土中添加港工JS-BDC聚乙烯醇纖維替代配筋(摻量為0.9 kgm3)，以增強其抗裂能力，同時將扭王字塊邊角部位進行圓角或倒角處理，以減少吊運過程中的磨損。