某电厂防波堤及航道工程设计优化

刘 明, 裴玉国, 黄玉新

(1.广东电力勘测设计研究院，广东 广州 510660； 2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

2003年开始进行了某大型临海电厂北防波堤、北航道工程的建设规划和设计研究工作。针对北航道建设对已建成的岛堤和北防波堤设计波浪造成不利影响的问题，提出港池口门外部分挖泥消波的“大开挖”方案。2007年北防波堤及航道工程实施过程中，“大开挖”方案挖泥区部分区域出现基岩层，部分挖泥消波方案的实施与原设计开挖方案有所不同，部分开挖区域无法开挖到原设计深度，海底炸礁清岩需要投入的资金很大。为了节省工程投资并确保岛堤及北防波堤的安全，需要通过整体物理模型试验，掌握挖泥实施现状条件下，岛堤及北防波堤的设计波要素，为防波堤设计和工程进一步实施方案的确定提供可靠依据。

试验委托了大连理工大学完成，本文通过物理模型试验研究了在原地形和原地形上开挖航道工况下北防波堤及岛堤轴线处的波浪分布情况，对工程现状下的北防波堤及岛堤处的波浪要素进行了分析，然后有针对性的提出了原地形上开挖航道的现状下对航道边坡进行削坡处理的优化方案，通过与原“大开挖”方案的对比，证明了在原地形上开挖航道的现状下对航道边坡进行削坡处理，可降低岛堤及北防波堤处的波浪要素并确保工程安全，该方案简单易行且可节省工程投资，对类似的实际工程项目具有借鉴意义。

1 物理模型试验

试验在大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室波流水池中进行。水池长55m，有效宽度28m，深1.5m。水池前端配备蛇型三维不规则波造波机。波浪测量采用天津水科院研制生产的SG800型波浪测量系统。

本试验采用重力相似准则，模型几何比尺取为1∶110。考虑波浪由外海传播至工程水域，将受到海底地形、岸域边界和已建南防波堤、岛堤工程及的影响而发生变化，因此在试验过程中，海底地形的模拟完全按照1∶110的几何比尺，将海图地形制作在试验水池中。模型地形由水泥制作，高程控制点设置为0.5m×0.5m，控制点高程由水准仪逐点测量，绝对误差小于0.1mm。梳式直立岛堤及北防波堤直立堤段采用木材制作，北防波堤斜坡式护面采用碎石堆砌模型。

考虑到影响工程设计波浪的水位、入射波浪方向、重现期等诸因素，试验时选择试验工况如下：

试验水位：极端高水位5.10m；设计高水位4.00m；平均水位3.0m。入射波浪方向：SE、ESE 、SSE及SE偏南11.250(该工况以下简记为SE02)方向波浪入射的工况。重现期：考虑50a、、25a、10a共3种波浪重现期。试验方案：原地形、原地形上开挖航道(开挖现状)、 “大开挖”以及原地形上开挖航道+优化4种方案。

波浪模拟采用不规则波进行，选择国际上公认的JONSWAP谱进行模拟，谱峰升高因子取为3.3。首先将给定的H4%波高按ГПУХОВСКИЙ分布换算成不规则波的各统计特征波高。采用3次重复的平均波高值和平均周期值作为原始波浪要素的波高和周期。

原始波要素测量是在航道未开挖、防波堤等模型放置之前的纯天然地形上(原地形方案)，在预定的波高监测处放置波高仪测定。

为了分析比较工程开挖现状情况下的设计波浪要素与原设计的“大开挖”方案条件下和原地形上开挖航道+优化条件下设计波浪要素的变化，设计波浪要素测量试验分别在“原地形上开挖航道方案”、“‘大开挖’方案”和“原地形上开挖航道+优化方案” 条件下进行。

测量北防波堤设计波浪要素时，摆放岛堤、南堤(部分)，不摆放北堤。测量岛堤设计波浪要素时，摆放北防波堤、南堤(部分)，不摆放岛堤。

如前所述，原始波要素模拟在天然地形上进行。此时，波浪要素测量共布置了31个测点。分别在北防波堤、北防波堤挖泥区、岛堤、岛堤前、航道等周围布置。测量北防波堤设计波浪要素时，在北堤轴线上布置10个测点(方案4中布置了19个)。其它位置(北防波堤挖泥区、岛堤前、航道等周围)波要素测点布置和原始波要素模拟测点布置相同。

测量岛堤设计波浪要素时，在岛堤轴线上布置5个测点(方案4中布置了13个)。其它位置(北防波堤挖泥区、航道等周围)波要素测点布置和原始波要素模拟测点布置相同，不赘述。

2 试验结果及分析

对实验数据进行整理分析，利用EXCEL的折线图，对50a一遇的波浪重现期分别对应入射波浪方向：SE、SE02((该工况偏南11.250)的工况在原地形、原地形上开挖航道(开挖现状)、“大开挖”以及原地形上开挖航道+优化4种方案的距离北防波堤和岛堤(仅D对比了SE入射波浪向)测得的各点波要数进行对比分析。图中主要列举了各实验工况下不同位置所测得的H1%波要素。

2.1 四种方案下北防波堤处的波浪要素

如图2～图7所示。

图2 极端高水位SE向浪50a重现期4种方案下北防波堤各点的波浪要素

图3 极端高水位SE02向浪50a重现期4种方案下北防波堤各点的波浪要素

图4 设计高水位SE向浪50a重现期4种方案下北防波堤各点的波浪要素

图5 设计高水位SE02向浪50a重现期4种方案下北防波堤各点的波浪要素

图6 平均水位SE向浪50a重现期4种种方案下北防波堤各点的波浪要素

图7 平均水位SE02向浪50a重现期4种种方案下北防波堤各点的波浪要素

2.2 四种方案下岛堤处的波浪要素

如图8～图10所示。

图8 极端高水位SE向浪50a重现期4种方案下岛堤各点的波浪要素

图9 设计高水位SE向浪50a重现期4种方案下岛堤各点的波浪要素

图10 平均水位SE向浪50a重现期4种方案下岛堤各点的波浪要素

3 结论

⑴ 天然地形下港池口门附近的波高分布比较均匀，北防波堤轴线50a重现期H1%大波波高在8.5m，出现的主要区域是北防波堤轴线距堤跟距离225～300m处，以及堤头处。岛堤轴线50a重现期H1%大波波高在8.15m，出现的主要区域是岛堤轴线南堤头150m范围内。

⑵ 开挖南北航道后波浪折射严重，同时使得港池口门附近的波高分布变得不均匀。对岛堤和北防波堤影响较为严重(岛堤和北防波堤设计波高可分别约增大25%和20%)是岛堤轴线南堤头150m范围内。

⑶ 开挖航道及大挖泥方案，可以改善北防波堤及岛堤轴线的波浪分布，在大部分工况下可以恢复到天然地形条件下的情况。岛堤的设计波要素不会增加(略有减小)，但北防波堤波能集中的100～225m范围的50a再现期的H1%波高达到8.5m。

⑷ 在原有地形及开挖航道基础上对航道做消边坡处理，消浪效果不如规划地形中的大开挖方案，但可以部分改善北防波堤及岛堤轴线的波浪分布，北防波堤及岛堤轴线处H1%平均值减小了10～20%，H1%减小了20cm左右。使得北防波堤轴线处的设计波要素可以控制在8.5m以内，岛堤轴线处的设计波要素可以控制在8.2m以内。

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