李亮亮 高羽末 湯志生 中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的城市依托河口、湖泊以及海岸規(guī)劃新建高品質(zhì)游艇俱樂(lè)部或住宅區(qū)，隨之將產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)較為集中的中小型游艇碼頭。然而，傳統(tǒng)實(shí)體式防波堤占用海域且不利于水體交換，造價(jià)較高且對(duì)原狀地基有較高要求。故為了滿足中小型游艇的泊穩(wěn)需求，要配套新建透空式防波堤作為減小區(qū)域風(fēng)成浪的設(shè)施。

本文以曹妃甸新城游客碼頭項(xiàng)目為例，對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外流行的透空式防波堤從消浪效果、適用范圍以及工程兼顧性加以對(duì)比分析，提出較適用于中小型游艇碼頭的透空式防波堤設(shè)計(jì)方案，供類(lèi)似項(xiàng)目參考。

圖1 工程位置圖

1.工程案例

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

曹妃甸新城游客碼頭項(xiàng)目位于唐山市曹妃甸新城南部，溯河河口西岸，東南方向約1km為濱海大道溯河大橋通航口，正東方向約2.0km為河口東岸，主要波浪類(lèi)型為小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪，外海波浪影響較小。

工程所在位置外側(cè)為濱海大道，有一定的掩護(hù)，但東向及東南向水域風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致風(fēng)浪較大，船舶停泊條件較差，尤其是在大風(fēng)浪天氣，船舶泊穩(wěn)條件很差。因此本工程需建設(shè)防波堤為船舶停泊提供較好的停泊條件。但考慮到本工程位于河口區(qū)，防波堤建設(shè)應(yīng)盡可能的減少對(duì)河道的行洪影響，故宜采用透空式防波堤結(jié)構(gòu)。

透空式防波堤是指由支墩和沒(méi)入水中一定深度的擋浪結(jié)構(gòu)組成的防波堤。在材料使用上和經(jīng)濟(jì)上看來(lái)都較為合理，特別適用于水深較大，波浪較小的條件；有利于港池內(nèi)外的水體交換，相比于拋石斜坡堤成本較低。透空式防波堤可經(jīng)布置護(hù)弦等靠船構(gòu)件兼作碼頭結(jié)構(gòu)。

1.2 主要參數(shù)選取

1.2.1 風(fēng)況

在冀東油田南堡油田進(jìn)海路及人工端島工程波浪要素研究期間，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心曾根據(jù)南堡油田附近氣象站1980年～2004年多年風(fēng)速資料推算了南堡油田水域各方向的不同重現(xiàn)期風(fēng)速，本文設(shè)計(jì)風(fēng)速仍采用這一成果。表1列出這些方向不同重現(xiàn)期風(fēng)速值。

1.2.2 游艇系泊條件

透空式防波堤內(nèi)部布置游艇浮碼頭泊位25個(gè)，相對(duì)關(guān)系如圖2。

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》浮橋式泊位的系泊允許波高為：順浪向50年一遇H1%≤1.1m，橫浪向50年一遇H1%≤0.5m。

1.2.3 設(shè)計(jì)水位

極端高水位 4.34m

設(shè)計(jì)高水位 3.05m（歷時(shí)累積頻率P=1%）

設(shè)計(jì)低水位 0.30m（歷時(shí)累積頻率P=98%）

極端低水位 -1.27m

1.2.4 波浪計(jì)算

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》規(guī)定，小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的計(jì)算，需對(duì)風(fēng)速進(jìn)行高度、陸海訂正，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度考慮建筑物、島嶼和陸域的影響，風(fēng)浪有效波高和有效周期計(jì)算采用下式：

圖2 工程平面圖

等效風(fēng)距計(jì)算采用下式：

式中：

g——為重力加速度（m/s2）；

H——為有效波高（m）；

F——為有效風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（m）；

T ——為有效周期（s）；

d——為水深（m）；

U——為風(fēng)速（m/s）。

由于工程位于溯河口西岸，岸線大致成N NE-SSW向，因此N、N W、W、SW向風(fēng)在工程區(qū)域內(nèi)的幾乎不會(huì)產(chǎn)生波浪，故只對(duì)其他主要風(fēng)向的風(fēng)成浪進(jìn)行推算。工程風(fēng)區(qū)內(nèi)平均海底泥面高程為1.30m，故在設(shè)計(jì)低水位以下不會(huì)產(chǎn)生波浪，深槽內(nèi)產(chǎn)生的波浪也在淺灘處破碎，工程只對(duì)設(shè)計(jì)高水位和極端高水位的小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪進(jìn)行推算。推算結(jié)果如表2所示。

2.透空式防波堤消浪對(duì)比

2.1 透空式防波堤型式

2.1.1 固定式透空防波堤（擋浪板型）

防波堤頂前沿線港池內(nèi)側(cè)高程4.80m，外側(cè)高程5.00m。采用高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)型式，下部排架間距6m，樁基礎(chǔ)均采用φ=800mm，L=32m鋼管樁，每個(gè)排架有1根直樁，2根叉樁。鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)采用剛接方式。上部采用梁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩側(cè)均設(shè)擋浪板底高程0.7m。兩側(cè)擋浪板可安裝橡膠護(hù)弦，使防波堤兼作碼頭使用?？赏？恐行涂痛?。

2.1.2 固定式透空防波堤（箱型）

防波堤頂前沿線港池內(nèi)側(cè)高程4.80m，外側(cè)高程5.00m。下部樁基礎(chǔ)均采用φ=800mm，L=32m鋼管樁，每個(gè)排架有1根直樁，2根叉樁。鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)采用剛接方式。上部采用箱式擋浪結(jié)構(gòu)，板底高程0.7m。箱式擋浪結(jié)構(gòu)兩側(cè)可安裝橡膠護(hù)舷，使防波堤兼顧碼頭使用?？赏？恐行涂痛?。

2.1.3 浮式防波堤

防波堤浮箱結(jié)構(gòu)主體采用鋼結(jié)構(gòu)浮箱結(jié)構(gòu)，每段浮箱長(zhǎng)45m，寬6.0m，高3.8m，干舷高度0.6～0.8m，吃水3.0m。浮式防波堤定位樁采用2排Φ800×26000mm鋼管樁，樁長(zhǎng)26m，防波堤與陸域連接采用3×12m 鋁合金引橋。采用定位樁形式可以減少浮箱的橫搖和水平位移（見(jiàn)圖3）。

2.2 消浪系數(shù)及透射波高計(jì)算

根據(jù)《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 154-2018）6.2條的規(guī)定，樁基透空堤的透浪系數(shù)可按下式近似計(jì)算：

式中

Kt——透浪系數(shù)；

Ht——透射波高（m）；

H——入射波高（m）；

ξ——系數(shù)；

L——波長(zhǎng)（m）；

d——堤前水深（m）；

表2 工程區(qū)域內(nèi)風(fēng)成浪計(jì)算結(jié)果 單位：m

圖3 防波堤斷面圖

表3 固定式透空防波堤（擋浪板型）外側(cè)擋浪板消浪后透射波高計(jì)算結(jié)果

t0——擋浪板的入水深度（m）。

透射波浪計(jì)算結(jié)果如表3-表6所示。

2.3 透空式防波堤消浪對(duì)比

從透射波波高來(lái)看，浮式防波堤在設(shè)計(jì)高水位的消浪效果要遠(yuǎn)好于固定式透空防波堤，極端高水位時(shí)較差；固定式透空防波堤（擋浪板型）相當(dāng)于將固定式透空防波堤（箱型）的透射波再進(jìn)行了二次消浪，故它在極端高水位的消浪效果是最優(yōu)的，設(shè)計(jì)高水位時(shí)透射波高與浮式防波堤相近。故綜合來(lái)看固定式透空防波堤（擋浪板型）的消浪效果最優(yōu)。

表4 固定式透空防波堤（擋浪板型）內(nèi)側(cè)擋浪板消浪后透射波高計(jì)算結(jié)果

表5 固定式透空防波堤（箱型）消浪后透射波高計(jì)算結(jié)果

表6 浮式防波堤消浪后透射波高計(jì)算結(jié)果

3.透空式防波堤的應(yīng)用

浮式防波堤由浮箱及定位樁構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)有：工程造價(jià)相對(duì)較低；定位樁、浮箱可以靈活拆移，可以二次利用；具有強(qiáng)大的水體交換功能，有利于海洋環(huán)境優(yōu)化。缺點(diǎn)是消浪效果相對(duì)較弱，且工程兼容性較差。鑒于以上特點(diǎn)，浮式防波堤在波浪能量較低，有一定的掩護(hù)且主導(dǎo)波浪為風(fēng)浪的區(qū)域。例如掩護(hù)水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施、人工海水浴場(chǎng)、海上工程施工臨時(shí)措施以及軍事上用于掩護(hù)海上機(jī)動(dòng)碼頭的水域等等。

固定式透空防波堤采用高樁結(jié)構(gòu)。上海吳淞口外炮臺(tái)船舶基地的高樁固定透空式防波堤建成后，在一定程度上改善了港口內(nèi)的泊穩(wěn)條件。就工程實(shí)例來(lái)講這種形式既可以作為港區(qū)掩護(hù)，又可以兼顧船舶?？?，在海域使用審批相對(duì)緊張的今天能達(dá)到最大使用效率。實(shí)現(xiàn)水體交換保證海水水質(zhì)的同時(shí)又能達(dá)到較好的消浪效果。適用于河口、湖泊及相對(duì)掩護(hù)較好的風(fēng)成浪水域，特別適用于近些年沿海及大型湖泊的沿湖旅游開(kāi)發(fā)的游艇及客船碼頭。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用分析，工程所引用的固定式透空防波堤（擋浪板型）在滿足水體交換保證水質(zhì)的前提下，既能在不同水位的消浪效果達(dá)到最優(yōu)，又能實(shí)現(xiàn)防波堤+碼頭的雙重功能，可以作為中小型游艇碼頭的透空式防波堤最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，供類(lèi)似項(xiàng)目參考。