中利石化5万吨级化工码头工程码头面高程确定的试验研究

耿宝磊，李新慧，高 峰，李 焱

（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.中石化天津液化天然气有限责任公司，天津300457）

中利石化5万吨级化工码头工程码头面高程确定的试验研究

耿宝磊1,2，李新慧3，高 峰2，李 焱2

（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.中石化天津液化天然气有限责任公司，天津300457）

针对中利石化5万t级化工码头工程，通过物理模型试验，首先研究了E向波浪作用下，码头各位置的波高与波峰面高程，并对码头面高程进行了优化。在此基础上进一步利用NE向和SE向浪对优化结果进行了检验，最终得到了满足设计要求的码头面高程。

码头面高程；波高；波峰面高程；物理模型试验

图1 工程位置示意图Fig.1 Sketch of engineering position

1 试验条件与研究依据

1.1 水文资料

（1）水位。根据后石港1994～1995年的潮位资料作累积频率分析得出设计高水位5.81m，极端高水位7.14m。

（2）波浪。根据工程平面布置及海区波浪条件，工程区常浪向为E向，本研究主要针对该方向来浪确定码头面高程。以原地形条件下数模计算得到的A点（位置在拟建码头工程回旋区的中心，水深约-12.5 m）波要素为试验的率定波要素，重现期包括：50 a、25 a、15 a、10 a和2 a一遇。不同重现期的试验波浪要素见表1［5］。

水位 重现期 H1%（m）H4%（m）H13%（m） Ts（s）极端高水位（7.14 m）50 a 4.79 4.07 3.33 8.61 25 a 4.51 3.83 3.13 8.13 15 a 4.07 3.41 2.70 7.71 10 a 3.92 3.32 2.70 7.62 2 a 2.23 1.87 1.51 5.88设计高水位（5.81 m）50 a 4.68 3.98 3.27 8.61 25 a 4.41 3.75 3.07 8.13 15 a 3.96 3.32 2.65 7.71 10 a 3.83 3.25 2.63 7.62 2 a 2.18 1.83 1.48 5.88

1.2 工程平面布置方案

根据码头使用要求，拟建区域水文地质情况、本地区周边码头现有结构形式，以及本地区的施工能力及施工经验，码头拟采用重力墩式结构，码头与陆域之间采用钢栈桥连接。

拟建码头方位基本与水深等深线一致，为325°～145°，码头前沿位于-10.0～-15.0 m水深位置，与规划中的后石罐区液体散货码头前沿线一致。码头长度按5万t级原油船设计，为345 m，由3个工作平台和4个系缆墩组成，两侧1#和3#平台尺度相同，长为69 m，最大宽度为22.5m，中间2#平台长45.4 m，宽29 m，3个工作平台间距为10.3m，平台之间采用钢桥连接（以下称管线桥）；4个系缆墩为圆形，直径14m。工作平台与系缆墩，以及系缆墩之间的采用钢桥连接（以下称人行钢桥）。

作业平台顶面高程本阶段取+9.5 m，系缆墩顶面高程取+8.0 m。管线桥和人行钢桥的底高程均为+10.0 m。码头前沿设计底标高5万t级油船为-14.0 m，水工结构按10万t级原油船预留，为-16.3 m。5万t级航道设计水深为-10.5 m，方位与码头方位一致，长约3.2 km，航道有效宽度取170 m，航道天然水深满足要求。

后方陆域工程包括东护岸、南护岸和北护岸，均采用斜坡堤，坡度均为1:1.5。东护岸长505 m，顶高程根据断面试验，现阶段取+10.8 m，采用5 t扭王字块斜坡护面；北护岸长495 m，顶高程为+10.0～+9.5 m,块石护面；南护岸长约100 m，堤顶高程+9.5 m，块石护面。码头前沿距后方陆域150m。

工作平台与后方陆域采用10m宽的栈桥连接，栈桥长119.5m，底部高程+10.0m。

在本工程设计中，要求对于设计高水位15 a重现期的波浪轻微上水，即上水考虑控制在5%以内；对于设计高水位10 a重现期的波浪基本不上水，即上水概率控制在3%以内。

图2 码头及护岸平面布置图Fig.2 Layout of port and seawall

2 试验设备及试验方法

2.1 试验设备

试验在交通运输部天津水运工程科学研究院的波浪试验厅水池进行，水池长40m，宽35 m，深1.3m，水池两端配备给排水系统。模型波浪由可移动摇板式不规则波造波机产生，该造波机由造波板及伺服驱动器、伺服电机、编码器、服务器、计算机及其他外设组成。造波时按所需波浪对应一定参数，首先由计算机完成造波控制信号的计算，并经接口电路将造波控制信号传输到伺服驱动器中，然后由伺服驱动器控制伺服电机的转动，通过电动缸将伺服电机输出轴的转动转换为电动缸推杆的直线运动，最后经过杠杆机构将运动传递到推波板，带动推波板产生期望的水波。

试验中采用交通运输部天津水运工程科学研究院制造的TK-2006型动态水位测量系统对试验波浪进行采集分析。

2.2 试验方法

（1）模型设计。依据本试验的目的及要求，结合试验场地和设备，并考虑兼顾接下来的船舶系泊试验，确定模型几何比尺Lr=60。模型按重力相似准则设计，重量比尺。试验采用定床、正态进行模拟，其中水平比尺、水深比尺、波高比尺为1∶60，波周期比尺为1∶7.75。

试验区模拟原型范围包括码头、回转水域和南、北、东护岸等。其中，直立沉箱结构码头以木板和水泥砌筑模拟，护岸以及栈桥和桩墩等结构采用预制构件（木质、塑料板及水泥等）拼组模拟。护岸护面块石等按照其坡度铺设相近重量块体模拟。地形采用桩点法复制，桩点间距1.5 m，对于变化复杂区域加密桩点间距。地形及建筑物高程用水准仪测控，平面尺寸用经纬仪和钢尺测量。港池静水位用精度0.1mm的水位测针测量，试验中静水位变动控制在±0.5 mm以内。

此外，水工建筑物到造波机的距离大于6～7倍波长，建筑物两侧垂直波向的方向上取3～6倍波长，模型四周均设消波吸能设施，防止多余波能反射及扩散干扰试验。模型照片如图3所示。

图3 模型实景照片Fig.3 Model pictures

（2）波浪模拟。试验波浪采用频谱不规则波，频谱首先考虑《海港水文规范》（JTJ 213-98）中规定的波谱进行，在规范谱中有2个参数来决定规范谱的适用条件，即H*和P。由提供的试验波要素计算可得，H*满足深水水域条件（H*＜0.1），而P值难以满足1.54≤P＜6.77条件，因此本试验模拟不规则波频谱难以适用规范谱，故试验采用JONSWAP谱（简称J谱）模拟。

在模拟过程中，将给定的有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求［6-7］，即：①波能谱总能量的允许偏差为±10%；②峰频模拟值的允许偏差为±5%；③在谱密度大于或等于0.5倍谱密度的范围内，谱密度分布的允许偏差为±15%；④有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为±5%；⑤模拟的波列中1%累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为±15%。

（3）试验方法。试验主要测量了各试验工况的波面过程，并经由分析程序以上跨零点法实时统计不同累积频率的波高、周期等波要素。数据的采集和处理遵循交通部《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)进行，试验时不规则波连续采集的波浪个数大于100个，采样时间间隔为0.02 s，小于有效波周期的1/10，每组试验均重复3次以上，取每组最大值的平均值作为最终结果。

码头面上水及水舌厚度的测量，采用人工方法在固定点使用三角板测量模型上浪高度，每组试验同样重复3次以上，取每组测量的最大值作为最终结果。

图4 码头面上水Fig.4 Pictures of overtopping

3 试验结果与分析

3.1 原设计方案试验

（1）码头及护岸上浪情况［8］。原设计方案作业平台顶面高程为+9.5m，系缆墩顶面高程为+8.0 m。系缆墩之间及码头平台之间的钢引桥的底部高程为+10.0m。工程实施后，由于E向浪与码头前沿走向呈55°夹角，重力墩式结构码头前沿波高反射明显，码头前沿的波高与工程前对应测点的波高比平均在1.68左右，设计高水位时，工作平台在重现期10 a的波浪作用下，观测到有上水；圆形系缆墩前的波高反射要小于工作平台，由于其高程低，重现期10 a的波浪作用下上水较大；3个工作平台之间的管线桥下水域，由于斜向浪作用，平台侧壁有反射，造成其中的波高会瞬时增大，从而也会造成局部上水，在设计高水位，重现期25 a波浪作用下，该处的管线桥底部轻微触浪；在极端高水位，10 a以上的波浪作用下，该处的管线桥底部触浪。原设计方案设计高水位重现期15 a波浪作用下，码头面上水试验照片见图4。

4个人行桥中，2#人行桥处受到码头的一定掩护，该处波高要小于其他人行桥。极端高水位重现期15 a波浪作用下，人行桥底部明显触浪；接路域栈桥处受到码头一定的掩护，波高不大，其端部沉箱与东护岸角的波浪略有反射，但影响不大，极端高水位，重现期50 a波浪作用，栈桥护岸端部大波作用时触浪。

接路域栈桥以南的东护岸，码头对其掩护作用不大，E向浪能传进来，尤其东南角的护岸基本为开敞；而接路域栈桥以北的部分东护岸受码头一定掩护，波高明显减小，但掩护范围有限，东北角护岸所受的波浪仍较大。南护岸基本无掩护，其端部与周边地形边界形成凹角，但由于地形浅，波浪破碎，波能衰减较大，波浪对南护岸作用也较小。北护岸受到东护岸的掩护，除与东护岸相接处的波高略大外，越向岸的位置波高越小。

（2）码头波峰面高程。E向浪作用下，设计高水位，重现期2 a波浪作用下，均不上水；重现期10 a以上波浪作用下，均上水，南侧系缆墩较北侧系缆墩上浪要大；极端高水位时，重现期2 a波浪作用下，码头面不上水，但系缆墩均上水。以重现期15 a波浪为例，设计高水位时，码头面前最大波高为5.91m，实测最大波峰面高程为9.80 m，水舌厚度0.93 m；系缆墩前最大波高为5.03 m，实测最大波峰面高程为9.03 m，水舌厚度1.26m。

3.2 码头面高程加高0.5 m

由于设计拟采用设计高水位和重现期15 a、10 a H4%的波高组合来检验码头面高程，因此鉴于原设计方案中码头面+9.5 m顶高程时上水相对较为频繁的情况，经沟通后调整码头设计高程，首先将码头面高程加高至+10.0 m，系缆墩高程相应抬高0.5 m，即+8.5 m，各管线桥、人行钢引桥和接陆域引桥底高程加高为+10.5 m。

将码头面高程加高到+10.0m（系缆墩加高至+8.5m）时，在设计高水位，15 a一遇重现期波浪作用下，码头面仍然有上水。通过记录一个波列中出现上水的波浪个数得出，在140个波中，平均有10个波出现上水，上水概率约为7.14%。设计高水位、10 a一遇重现期波浪作用下，码头面存在轻微上水。同时，系缆墩仍然有较为明显的上水，仅上水频率好于原高程，南侧系缆墩相对大于北侧系缆墩。

以重现期15 a波浪为例，设计高水位时，码头面前最大波高为5.98m，实测最大波峰面高程为10.08m，水舌厚度0.66 m；系缆墩前最大波高为5.01 m，实测最大波峰面高程为8.96m，水舌厚度0.98 m。

3.3 码头面高程加高0.9 m

将码头面高程继续加高至+10.4m时，系缆墩高程相应抬高0.9m，即+8.9m。在设计高水位、15 a一遇重现期波浪作用下，码头面基本不上水。在140个波中，平均有6个波出现轻微上水，上水概率约为4.28%。此时，10 a一遇重现期波浪作用下，码头面基本不上水。同时，系缆墩上水程度明显改善，仍是南侧系缆墩略大于北侧系缆墩。

以重现期15 a波浪为例，设计高水位时，码头面前最大波高为5.91m，实测最大波峰面高程为10.12m，水舌厚度0.21 m；系缆墩前最大波高为4.98 m，实测最大波峰面高程为8.98m，水舌厚度0.64 m。

将设计高水位重现期10 a和15 a，不同码头面高程的码头前沿波高、波峰面高程以及上水情况列表进行对比（表2）。同时，比较了2#平台的码头前沿波高变化和波峰面高程的变化（图5、图6)。

表2 不同码头顶面高程后码头前沿波高及波峰面高程比较Tab.2 Comparison of front wave height and wave crest height of wharf with different top elevations

图5 不同码头面高程2#平台码头前沿波高比较Fig.5 Comparison of front wave height in front of 2#platform with different top elevations

图6 不同码头面高程2#平台波峰面高程比较Fig.6 Comparison of wave crest height in front of 2#platform with different top elevations

从图5和图6中可以看出，随着码头面高度增加，码头前沿波高以及波峰面高程也有增大的趋势（2#平台处测得的数据最为明显），这是由于码头前沿的波浪反射与雍高加强，致使波峰面高程略有增大，但码头面高程的提高，使得上水情况明显好转。综上所述，码头面抬高至+10.4m，重现期10 a的波浪作用下，能保证码头面不上水；重现期15 a的波浪作用下，基本能保证的波高不上水。

3.4 NE向浪试验对码头面高程的验证

考虑正对码头的浪向，选取波高相对较大的NE向，以检验码头面高程及对应上水情况。以原地形条件下数模计算得到NE向来浪时A点的波高值，设计高水位10 a和15 a重现期分别为2.69 m和2.82m。

试验表明：NE向浪与码头走向呈80°，近似横浪作用，码头前沿波高与工程前比，平均比波高约为1.74，比E向略大，但由于其波高小于E向，其码头面上水情况好于E向，3个工作平台之间的管线桥下水域的透浪要好于E向浪，因此该浪向并不是码头前波要素的控制波浪向，还是E向浪作用更需引起重视。

在设计高水位，NE向15 a一遇重现期波浪作用下，码头面基本不上水。记录一列波中的上水个数，在140个波中，平均有3个出现轻微上水，上水概率约为2.86%。10 a一遇重现期波浪作用下，码头面出现临界上水，140个波中，平均有4个出现临界上水或轻微上水，上水概率为2.14%。表3给出了设计高水位时，NE向浪作用下码头前沿波高和波峰面高程值。

同时，系缆墩前最大波高为4.08 m，实测最大波峰面高程为8.45m，有轻微上水，上水频率不足3%。

表3 NE向来浪作用下码头前沿波高和波峰面高程Tab.3 Frontwave height and wave crest heightofwharf under NE position wave action

3.5 SE向浪试验对码头面高程的验证

根据数模研究报告，SE向浪是本工程区的强浪向之一，本试验进一步利用SE向来浪以检验码头面高程及对应上水情况。以原地形条件下数模计算得到SE向来浪时A点的波高值，设计高水位10 a和15 a重现期分别为3.00m和3.27m。

试验表明：SE向浪与码头走向呈10°，近似顺浪作用，码头前沿波高与工程前比，平均比波高约为1.06，反射很小，但在3#平台南侧和南系缆墩前有一定反射；SE向的波高与E向相差不大，由于SE向基本为顺浪，码头前沿的反射很小，因此也不是码头前波要素的控制波浪向。

表4 SE向来浪作用下码头前沿波高和波峰面高程Tab.4 Front wave height and wave crest height of wharf under SE position wave action

SE向浪作用下，工作平台前上水情况明显好转，设计高水位时，1#和2#工作平台基本不上水，3#平台仅在其南端在个别大波作用下轻微上水。设计高水位，重现期15 a的波浪作用下，120个波中，3#平台仅南端单个大波轻微上水，因此可以保证的波高工作平台不上水。表4给出了设计高水位时，SE向浪作用下码头前沿波高和波峰面高程值。

设计高水位，重现期15 a波浪作用下，系缆墩前最大波高发生在南墩，为3.86m，实测最大波峰面高程为8.69m，南墩轻微上水。

将不同入射角度时，码头前沿波高的最大值以及波峰面高程的最大值进行比较，比较结果见图7和图8。从图中可以看出E向浪作用下，码头前沿波高和波峰面高程都最大，说明E向为控制浪向，其次是NE向浪作用，SE向浪作用下码头前沿波高和波峰面高程最小。

图7 不同来浪方向时码头前沿波高最大值比较Fig.7 Comparison of the maximum value of front wave height with different incident wave directions

图8 不同来浪方向时码头波峰面高程最大值比较Fig.8 Comparison of the maximum value of wave crest height with different incident wave directions

3.6 码头面高程与规范中公式计算值的比较

《海港总平面设计规范》（JTJ211-99）中给出了开敞式码头的码头面高程计算公式如下［9］

本工程中设计高水位HWL=5.81 m；根据数学模型波浪推算结果［5］，设计高水位码头前重现期50 a的波列累积频率1%波高为=4.30 m；本工程码头结构为重力式沉箱结构，取h=0；富裕高度计算中暂取0 m。

式中：d为拟建码头区域水深，根据水深分布图取d=12 m；L为推进波的波长，根据水深和波周期计算得到L=103m；由此计算得到=3.76m。

最后根据式（1）计算得到码头面高程E=9.57 m。而本模型试验最后建议码头面高程为10.4 m，比计算结果大0.83m。因此对于开敞式的重力式沉箱结构码头，在码头上部结构高度h取0的情况下，码头面高程计算中富裕高度取值不应小于0.8m。

4 结论

本文通过物理模型试验，分别得到了不同波向、不同水位和波浪重现期等情况下码头各位置的波高、波峰面高程以及水舌厚度等值。试验表明：码头面抬高至+10.4m，设计高水位重现期10 a的波浪作用下，能保证码头面不上水；重现期15 a的波浪作用下，基本保证小幅度上水（可控制在4%左右），因此建议码头面高程不应低于+10.4 m，系缆墩、管线桥、人行钢桥和接陆域栈桥的底高程也相应提高。本研究成果可为码头平面布置的优化设计提供依据，并为开敞式码头面高程的选取提供参考。

参考文献：

［1］吴永宁.厦门港后石港区中利石化码头工程可行性研究报告［R］.天津：中交第一航务工程勘察设计院，2011.

［2］刘海源，蔡艳君，陈汉宝.墩式码头波峰面高度试验研究［J］.水运工程，2011（11）:21-24. LIU H Y,CAIY J,CHEN H B.Test research on wave crest height of pillar quay［J］.Port&Waterway Engineering,2011（11）: 21-24.

［3］张志明，朱小松，周丰.波浪作用下大型开敞式圆沉箱墩式码头前波峰面高度研究［J］.中国港湾建设，2011（3）:20-26. ZHANG Z M,ZHU X S,ZHOU F.Study on front wave crest height of large open sea circular caisson under wave action［J］. China Harbour Engineering,2011（3）:20-26.

［4］李冠华.开敞式码头面高程的确定［J］.港工技术，2008（2）:15-16. LIG H.Determination of top elevation of open sea terminal［J］.Port Engineering Technology,2008（2）:15-16.

［5］张慈珩，徐亚男，高峰.厦门港后石港区中利石化5万吨级化工码头及护岸工程波浪数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2011.

［6］JTJ/T234-2001，波浪模型试验规程［S］.

［7］JTJ213-98，海港水文规范［S］.

［8］李焱，耿宝磊，高峰.厦门港后石港区中利石化5万吨级化工码头及护岸工程波浪整体物理模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［9］JTJ 211-99，海港总平面设计规范［S］.

高栏港主航道将升级至15万t级主航道

本刊从珠海港获悉，高栏港15万t级主航道工程项目建议书已经获得广东省发改委的批复。拟投入8.8亿元，将高栏港现有的10万t级主航道升级。工程将在高栏港现有10万t级主航道的基础上浚深拓宽，按照15万t级油船、散货船满载单向乘潮同行的标准建设，全长16.25 km。按照设计标准，15万t航道建成后水深19.46～20.26m，最宽处将达290m，15万t级的船舶可以进出港口。（殷缶，梅深）

天津港力争2017年建成绿色低碳港口

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Experimental study on determination of wharf top elevation w ith 50,000 tonnage chemical port of Zhongli Petrifaction

GENG Bao-lei1,2,LIXin-hui3,GAO Feng2,LIYan2
（1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China; 3.Sinopec Tianjin Liquefied Natural Gas Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

The wharf top elevation with 50,000 tonnage chemical port of Zhongli Petrifaction was studied by physical model test in this paper.With E direction wave action,the wharf top elevation was optimized by comparing the front wave height and wave crest height of wharf with different top elevations.And then,NE and SE direction wave tests were carried out to check the optimization result of wharf top elevation.

wharf top elevation;wave height;wave crest height;physical model test

U 656.1；TV 131.6

A

1005-8443（2013）04-0297-07中利石化5万t级化工码头工程位于厦门港后石港区岛美村北侧附近海域内（图1），北邻厦门湾，东北侧有大小金门岛隔海相望，其周边的青屿水道以西，与青屿、浯屿等零星岛屿隔海相望，地理坐标为24°20′ N，118°07′E。工程内容包括新建5万t级油品及化工品泊位1个（结构按停靠10万t级油船设计），栈桥以及罐区护岸。所在岸线为基岩砂质海岸，近岸天然水深-8～-16 m，目前尚未开发，本工程为该海域第一个开敞式布置码头［1］。为确定合理的码头平面布置及安全可靠的结构方案，需通过波浪整体物理模型试验予以验证［2-4］。

2012-06-11；

2012-09-03

耿宝磊（1980-），男，河北省衡水人，助理研究员，主要从事港口海岸及近海工程研究。

Biography：GENG Bao-lei（1980-），male，assistant professor.