某炼化一体化项目配套原油码头工程深水防波堤设计优化

陈海龙，文君锋，武 政，李江文，高 勇

(中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

某炼化一体化项目配套原油码头工程位于我国华南沿海海域。统计资料显示：1949—1992年间影响本地区的热带气旋共45个，平均每年1个，最多的年份3个。热带气旋出现时间主要集中在每年7—9月，属于台风多发区域。每年10月至次年3月，该海域为东北季风控制期，23以上时间H大于150 cm[1]。由于外海施工条件恶劣、工程量大、工期长，防波堤在施工过程中须经历多个台风季和东北季风期。2013年以来，该海域多次遭遇强台风影响，其中2018年第22号台风“山竹”导致防波堤堤头段垫层块石被淘刷，护面块体滑落，造成较大的经济损失。

近些年，施工海域受台风影响极端天气频现。因此，须掌握工程海域最新波浪状况及特征。根据《某炼化一体化项目配套原油码头工程波浪数学模型研究报告》[2]，笔者分析防波堤受损原因主要在于设计波要素取值较实际波浪情况偏低。因此，须根据最新波要素和新实施的JTS 154-1—2018《防波堤设计与施工规范》[3]，优化防波堤结构。

本深水防波堤设计优化的原则是：充分利用已预制和安装的扭王字块块体；根据台风破坏情况，局部调整破坏面以顺畅衔接；核算护面块体的稳定性，在已施工断面的基础上，优化防波堤结构设计，并通过物理模型试验研究论证。经设计优化后，本深水防波堤扭王字块护面调整为75 t超大型扭王字块，并采用双层扭王字块体新型护面结构，护底块石上安设扭王字块进行加强。

1 防波堤原设计概况

原油码头工程防波堤为离岸深水岛式斜坡式防波堤，离岸约2.0 km，水深-22.0～-21.0 m(从当地理论深度基准面起算)，长度为920.4 m，分为南、北两段。其中，南段长度为743.9 m，北段长度为113.0 m，圆弧段长度为63.5 m。防波堤平面布置见图1[4]。根据JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[5]，防波堤原设计水位重现期为50 a一遇，施工期和使用期设计波浪分别为10 a和50 a一遇，设计波浪要素见表1。

图1 防波堤峡面布置(单位：m)

表1 防波堤原设计波浪要素

防波堤原设计堤顶高程为4.0 m，内、外侧边坡均为1:1.5。自坡顶到坡脚，堤身内、外侧分别采用52、41和26 t扭王字块护面，堤顶采用52 t扭王字块护面；堤头内、外侧分别采用63、52和26 t扭王字块护面，堤顶采用63 t扭王字块护面。41、52和63 t扭王字块垫层块石为2 000～3 000 kg，26 t扭王字块垫层块石为1 000～2 000 kg，垫层块石与堤心石之间设置一层200～500 kg垫层块石；护底块石质量为1 000～2 000 kg。防波堤原设计断面见图2。

图2 防波堤原设计断面(高程：m)

2 防波堤破坏情况

由于防波堤所处海域风浪条件复杂而恶劣，水上施工条件差、难度高，海上可作业天数少，工程量大，所以施工进度慢。2018年第22号台风“山竹”登陆前，防波堤K0+0～K0+20 m段护面块体已全部安装，K0+20～K0+50 m段外侧护面块体安装完成，堤顶63 t扭王字块未全部安装，内侧护面块体未安装，接头位置安放同规格扭王字块进行防护。

“山竹”台风作用期间，防波堤海域有效波高H约为6.8 m，持续时间长达15 h。台风过后，潜水探摸发现，K0+0～K0+20 m段堤顶基本为扭王字块，K0+20～K0+50 m段堤顶基本为块石，仅存1～2件扭王字块，防波堤内侧护面块体外出现堆积块石。堤顶扭王字块下沉，护面块体沿坡面滑落。

3 防波堤破坏原因分析

K0+0～K0+20 m段已安装扭王字块护面，形成了全断面防护，受台风影响较小；K0+20～K0+50 m段垫层块石抛填施工至-2.1 m，由于未形成全断面防护，防波堤结构抗风力和抗冲刷能力差，波浪越顶后，防波堤堤顶和内侧垫层块石被大浪淘刷，滚落至坡外，垫层块石失稳后导致护面块体沿坡面下滑。

4 设计波浪要素变化

《某炼化一体化项目配套原油码头工程波浪数学模型研究报告》重新推算防波堤50 a一遇、100 a一遇和10 a一遇重现期设计波浪要素，见表2。

由表1、2设计波高对比可知，在相同设计水位、相同累计频率条件下，50 a一遇设计波高较原设计提高约10%，100 a一遇较原设计(50 a一遇)提高约20%，施工期10 a一遇设计波高较原设计提高约11%。

表2 防波堤设计波浪要素

《某原油码头工程防波堤波浪断面物理模型试验报告》[6]表明：在各级水位及相应的50 a一遇和100 a一遇不规则波作用下，原堤头设计断面堤顶和斜坡顶部的拐角连接处的63 t扭王字块体出现缝隙，最大缝隙宽度分别约为0.9 m和1.2 m；原堤身设计断面堤顶和斜坡顶部的拐角连接处52 t扭王字块体出现缝隙，最大缝隙宽度约为1.5 m，52 t扭王字块处于临界稳定状态；中部、下部扭王字块体和护底块石均能满足稳定要求。因此，须适当加大护面扭王字块体的质量。

根据最新实施的JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》：“斜坡式防波堤的设计波浪重现期应为50 a，特殊情况或大水深、重要建筑物设计波浪重现期可采用100 a或以上”。由于本工程中防波堤对码头泊位掩护的重要性突出，因此，防波堤设计波浪重现期由50 a一遇提高至100 a一遇，即：采用50 a一遇高水位、波浪进行设计，100 a一遇水位、波浪进行物理模型试验校核。

综上可知，由于工程海域波浪条件发生较大变化，原设计护面块体质量无法满足稳定性要求，根据最新的波浪条件和规范变化，须优化防波堤结构设计方案。

5 防波堤结构优化设计

受“山竹”台风破坏，防波堤堤头段边坡变缓，且因台风和季风期影响，石料和扭王字块相互积压非常紧密，难以挖除清理。因此，通过补抛块石和安放扭王字块，调整破坏面以顺畅衔接，重新确定斜坡堤堤头段和堤身段坡面坡度分别为1:2.0和1:1.5。

根据JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》，防波堤块体稳定重力计算式：

(1)

式中：W为单个块体的稳定重力(kN)；ρb为块体材料的密度(tm3)；H为设计波高(m)；KD为块体稳定系数；α为斜坡与水平面的夹角(°)；ρ为水的密度(tm3)。

原JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》中，KD取值为18；而新实施的JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》中KD取值为15～18，情况特殊及现场自然条件复杂时KD应取小值。

重新推算设计波浪波高H5%，50 a一遇波浪重现期时，H5%为10.81 m，100 a一遇波浪重现期时，H5%为11.80 m。由式(1)计算扭王字块稳定重力，根据计算结果，考虑使用期防波堤结构的安全性，扭王字块护面块体质量取值为75 t。

原防波堤堤顶高程设计思路为：当岛式防波堤主要功能是为单个码头提供泊稳条件和可作业天数时，可适当降低防波堤设计标准，允许极值波浪大量越过堤顶，堤身结构仍可保持稳定即可。通过降低堤顶高程，缩小防波堤断面，可大幅度降低工程造价，提高经济效益[7]。

综合考虑功能防波堤设计思路、设计波浪要素的提高、施工船舶在堤顶施工时的吃水要求以及施工期防台需要等，防波堤堤顶高程由4.0 m调整为5.3 m。通过防波堤整体物理模型试验验证，调整前、后港池内波要素和码头泊位可作业天数无明显变化[8]。

结合防波堤施工进度情况，考虑施工期结构稳定的要求，调整优化设计断面，75 t扭王字块护面块体下安放6 t和26 t扭王字块。堤头K0+0～K0+50 m段，上部护面采用75 t扭王字块，下设6 t扭王字块及300～500 kg块石垫层；下部护面采用63 t扭王字块，下设6 t扭王字块；护底采用52 t扭王字块，下设1 000～2 000 kg护底块石。堤身段，护面采用75 t扭王字块，下设26 t扭王字块及1 500～2 500 kg块石垫层；外坡下部护面采用52 t扭王字块，下设已安装的26 t扭王字块；内坡下部护面为已安装的26 t扭王字块；外坡护底采用41 t扭王字块，下设1 000～2 000 kg护底块石；内坡护底为已施工的26 t扭王字块和1 000～2 000 kg块石。堤头K0+820～K0+920 m段，护面采用75 t扭王字块，下设26 t扭王字块及1 500～2 500 kg块石垫层；为增强护底抗冲刷能力，在已施工的1 000～2 000 kg护底块石上设置52 t扭王字块体。

经优化设计后，防波堤堤头K0+0～K0+50 m段、堤身段和堤头K0+820～K0+920 m段典型断面见图3[9]。

图3 防波堤优化设计断面(高程：m)

采用物理模型试验，验证优化后的设计断面，在各级水位及相应50 a一遇和100 a一遇波浪作用下，设计断面护面块体和护底块石的稳定性，测量防波堤越浪及堤后次生波浪。护面块体失稳判别标准：以块体滚落或累计位移超过块体最大几何尺寸的一半为失稳。护底块石的稳定标准：在波浪作用下允许有少量块石原地摆动，个别块石位移，表层没有明显变形为稳定。由于防波堤堤顶距离设计高水位较近，越浪量很大，难以通过接水箱接取越浪水体直接测量越浪量，因此，在防波堤堤后布置波高仪，测量不同试验工况下越浪产生的堤后次生波浪要素。

经物理模型试验验证，设计优化后的防波堤断面护面块体、护底块石和扭王字块体均能满足稳定性要求，堤后次生波浪波高明显减小。

6 结论及建议

1)由于设计波浪资料更新，设计波要素取值与实际波浪情况有一定的偏差。通过数值模拟重新推算波浪要素，根据新实施的JTS 154—2018《防波堤与护岸设计规范》，调整防波堤设计标准，并通过物理模型试验进行验证。

2)施工海域风浪条件差，施工周期长。根据施工经验，台风引起的风暴潮对-5.0 m高程以上的块石影响较大，须编制合理的施工组织计划，控制堤心石和垫层块石施工顶高程，严格控制施工区段长度约30 m，垫层块石抛填完成后，及时安装垫层和护面扭王字块。台风来临前，合理调整施工区段长度，预留充足的时间，对出水段施工断头进行防护。

3)外海施工条件恶劣，深水防波堤施工难度大，施工工艺、方法和控制精度都会影响防波堤结构的安全性。施工单位应根据自然条件，制定施工进度计划和节点目标，加大船机、设备、人员和物资等投入，加强现场管理，做好石料储备，提高施工效率。尤其是扭王字块吊安施工时，控制安装的精度和质量，加强块体间的咬合，以增加护面的稳定性。

4)超大型扭王字块预制时，可通过在混凝土中添加港工JS-BDC聚乙烯醇纤维替代配筋(掺量为0.9 kgm3)，以增强其抗裂能力，同时将扭王字块边角部位进行圆角或倒角处理，以减少吊运过程中的磨损。