基于数学模型分析的人工环抱型港口防波堤平面布置研究

■陈志冰

（福建省港航勘察设计院，福州 350002）

人工环抱型港口是指依托自然海岸通过建造两侧环抱式的防波堤形成的人造海湾的方式，具有掩护条件好，投资大等特点，适用于缺少天然掩护、水域开阔或滩宽水浅、泥沙运动活跃的海岸。建港条件良好的天然海湾和深水岸线日渐匮乏，特别是在宽滩海岸的条件下建设大型港区，这种人工建造的环抱式港区被越来越多地采用[1]。

1 项目背景

泉州湾港区锦尚作业区位于福建省东南沿海，台湾海峡西岸，泉州市东南晋江下游滨海的锦尚湾，北接泉州湾，南邻深沪湾。

目前，泉州湾港区锦尚作业区北部码头区现有已建鸿山热电厂煤码头，南部码头区已建成#1泊位（3.5万吨级通用泊位）、#2泊位 （2万吨级通用泊位）和#3泊位（5000吨级通用泊位），形成港区面积21.07万m2。南部码头区目前在建#4泊位（1.5万吨级通用泊位）。

随着泉州市经济的不断发展，船舶大型化的发展趋势以及后方临港产业对散杂货运输的需求，加快锦尚作业区的开发建设是必然的趋势。锦尚作业区远期岸线规划作为泉州湾港区近期建设重点岸段，规划建设#7、#8和#9三个大型专业化深水泊位（#7泊位规划为10万吨级散货泊位，#8和#9泊位规划为5万吨级多用途泊位），但泊位前水域宽阔，直接受外海波浪作用，对规划泊位水工建筑物、港内船舶泊稳条件影响均较大。

因此，泉州湾港区防波堤一期工程的建设对整个锦尚作业区的发展有重要的作用，且迫在眉睫。本次拟建工程位于福建省鸿山热电厂煤码头工程西南侧海域，以及已建泉州湾港区锦尚作业区#1泊位和#2泊位南侧海域。

2 自然条件

（1）风况

本海区的常风向为NE向，统计频率为18%，次常风向为ENE向，统计频率为12%；强风向为NNE向，统计频率为12%。风玫瑰图如图1所示：

图1 晋江站风玫瑰图（1990-2010）

（2）水文

1)基准关系

本文高程基准面采用当地理论最低潮面，与其他基准面的换算关系如图2所示：

图2 各基面间的换算关系图

2)设计水位

设计高水位6.22m；

设计低水位0.51m；

极端高水位7.43m（重现期50年一遇）；

极端低水位-0.40m（重现期50年一遇）。

3)波浪

本海区全年风浪常浪向为NNE向，频率为27%，其次是NE向，频率为26%，再者就是SSW和ENE向，频率分别为11%和8%，其余各浪向频率不超过5%。风浪向的季节变化特别明显，冬、秋季以NNE向为主，频率分别为41%和43%；春季以NE向为主，频率为27%；夏季则以SW向为主，频率为37%。风浪向年内变化明显，10月至翌年2月盛行NNE向浪；3月至5月和9月盛行NE向浪；6月至8月则盛行SSW向浪。全年的涌浪向主要出现在E～SW向范围内，其中以SE向为主，相应频率为66%，其次是SSE向，频率为17%，其余各向涌浪出现频率均不超过5%。涌浪向的季节变化很小，冬、春、秋三季均以SE向浪为主；夏季以SSE向为主。一年之中，从9月至翌年6月均盛行SE向浪，7、8月两个月盛行SSE向浪。

本海区多年平均波高为0.9m，平均波高的年变幅很小，从6月始至11月逐月增大（0.9m～1.1m），12月始至年5月逐月减小（1.0m～0.7m），年变幅仅0.4m。实测最大波高（H1%）为6.5m（SE向），出现于1973年7月3日。历年实测最大波高在4.0m～5.0m左右。每年的6月至10月处于台风影响的季节，月最大波高多数在2.0m～4.0m。波玫瑰图如图3所示：

4)潮流

由测流资料可知，测区水域流速随大小潮汛的更迭，流速值呈规律性增减；测区水域流速总体体现为涨潮流大于落潮流；海流流速基本上体现了由近岸往外海减弱的趋势。根据对潮流资料分析，拟建工程海域的可能最大潮流流速为0.91m/s。

3 平面布置

（1）平面布置方案

锦尚作业区最终将形成人工环抱型港口，东南侧开口作为进入港湾的主通道。港湾口门宽度的确定既要保证港内水域有良好的掩护条件，同时也应满足进出港船舶安全通航要求。工程平面布置图如图4所示：

图3 崇武海洋站波玫瑰图（1982）

图4 工程平面布置图

1）口门处航道宽度

①口门航道规模

结合港区规划规模及船型预测，锦尚作业区规划进港航道规模需要满足10万吨级散货船通航要求；同时结合锦尚作业区港内总体规模，口门航道规模确定为10万吨级单向航道。

②口门航道宽度

按《海港总体设计规范》规定，航道有效宽度由航迹带宽度A、船舶间富裕宽度b和船舶与航道底边的富裕宽度c组成，单向航道有效宽度按下式计算：

单向航道：W=A+2c

经计算，口门航道有效宽度计算结果为236.05m，取240m。

2）远期航道设计水深

按《海港总体设计规范》规定，航道通航水深D0、设计水深D分别按下式计算：

经计算，航道设计水深取值17.0m。另根据乘潮水位，乘潮历时2h，乘潮保证率90%的乘潮水位为4.8m，航道设计底标高为4.8-17.0=-12.2m。

3）防波堤口门宽度

①口门有效宽度B0取值标准

根据《海港总体设计规范》，垂直于航道方向的防波堤口门有效宽度B0应为设计船长的1～1.5倍船长。参考日本《港口建筑物设计标准》中，防波堤口门有效宽度一般采取与航道同宽。参照以上标准，推荐防波堤口门有效宽度取1.0倍船长，即B0=250m。

②口门有效宽度底边线至防波堤的距离d0

根据《海港总体设计规范》，防波堤口门有效宽度底边线至防波堤的距离d0应根据结构形式及安全要求来确定。本工程口门处滩面标高约为-11m～-13m，疏浚边坡1∶7，超宽6m。综合堤头断面结构、护底长度、挖槽与护坡的安全距离、挖槽疏浚超宽和疏浚边坡等因素，并考虑到口门处水流会有局部紊流出现，而且航道区口内和口外侧流态会发生一定改变，为减少对口门附近船舶航行的影响，d0取 90m。

③垂直于航道方向的口门宽度BS

垂直于航道方向的 口门 宽度 BS=B0+2×d0，B0取250m，d0取 90m，垂直于航道方向的口门宽度 BS为430m，本阶段口门宽度取568m。

（2）研究内容

采用波浪数学模型计算，分析泉州港锦尚作业区港区规划防波堤平面布置方案和码头的设计波要素以及锦尚作业区港内波浪条件，为港区最终平面布置的确定提供优化依据。

（3）研究方案

1）北侧防波堤平面布置方案

目前港区北侧为电厂煤码头及引堤，本工程北侧防波堤考虑在现有电厂煤码头南侧端部位置进行延伸。根据规划，电厂规划煤码头二期工程建设规模为10万吨散货泊位。考虑不影响后期规划泊位的建设，本次北侧防波堤接岸位置定在煤码头防浪墙外侧。根据北侧防波堤堤轴线的方位不同布置了两个平面方案，分别为PN1和PN2。两个方案的具体描述如下：

方案PN1：新建北侧防波堤起点位于已建防波堤外侧挡浪墙NF1点，北侧防波堤轴线方向与已建防波堤轴线方向夹角为19°，北侧防波堤长度约为500m。

方案PN2：新建北侧防波堤起点位于已建防波堤外侧挡浪墙NF1点，北侧防波堤轴线与已建防波堤轴线方向平行，防波堤长度约为500m。

方案综合比较：两个方案实施后港内7～9号码头前波高比无北堤情况减小20%～35%，在对港内波浪掩护方面均较好。泥沙回淤规律一致，处于同一量级。对水动力环境的影响方面，两方案的差异主要在局部流态，对大范围流场均不造成影响。锦尚湾平均涨落潮进出潮量较工程前减少14.7%～14.9%。防波堤外挑幅度更大些，对流速的影响范围也大一些，较内侧方案沿西南-东北流路方向流速进一步减小0.01～0.1m/s，外海侧潮流受挤压流速进一步增加0.01～0.05m/s。港池航道水流条件方面，口内为缓流区，流态平顺，流向与港池航道走向基本一致。

口门处涨潮流与进港航道基本垂直，落潮流与进港航道交角为 1°-9°-56°，愈往外侧交角愈大，对落潮流的掩护外挑方案比内侧方案略好。

2）南侧防波堤平面布置方案

南侧防波堤方案结合锦尚作业区的远期规划平面布置方案，拟建南侧防波堤起点位于已建锦尚作业区陆域西南侧端点。南侧防波堤布置了三个平面方案，主要区别在于南侧防波堤外侧堤轴线为直线、曲线或者折线。三个方案的具体描述如下：

方案PS1：南侧防波堤起点为华锦码头陆域西南侧端部，防波堤总长为2265.6m，分为三段，第Ⅰ段为西北-东南向的直线段，方位角为 135°～315°，长约 933.0m；第Ⅱ段为西南-东北走向的直线段，方位角为58°～238°，长约1131.1m以及第Ⅰ段和第Ⅱ段的圆弧连接段，半径为150m，弧长为201.5m。

方案PS2：南侧防波堤起点与方案ps1一致。防波堤总长为2252.4m，分为5段，第Ⅰ段为西北-东南走向的直线段，方位角为 315°～135°，长约 908.4m；第Ⅱ段为西南-东北向的直线段，长约 349.6m，方位角为 225°～45°；第Ⅲ段为Ⅰ段和Ⅱ段的圆弧连接段，半径为150m，弧长为235.6m；第Ⅳ段为Ⅲ段和Ⅴ段的圆弧连接段，半径为1000m，弧长为489.4m；第Ⅴ段为直线段，方位角为73°～253°，长度为 269.4m。

方案PS3：南侧防波堤起点与方案ps1一致，防波堤总长为2246m，分为三段，均为直线段。第Ⅰ段为西北-东南走向，方位角为 315°～135°，长约 1058.4m；第Ⅱ段为西南-东北走向，方位角为 225°～45°，长度为 867.6m；第Ⅲ段为第Ⅱ段形成折角，方位角为253°～73°，长度为320m。

方案综合比较：三个方案均对港内波高影响很小，泥沙回淤之间没有差别。方案的差异主要在局部流态，对大范围流场均不造成影响。锦尚湾平均涨落潮进出潮量较工程前减少14.4%～14.9%。方案之间差别很小，影响仅在工程局部区域。口内为缓流区，流态平顺，流向与港池航道走向基本一致；口门处涨潮流与进港航道基本垂直，落潮流与进港航道交角为1°-9°-56°，愈往外侧交角愈大。方案之间没有差别。

（4）研究结论

通过北侧防波堤两个平面布置方案的综合对比，同时考虑尽可能不影响鸿山热电厂二期码头的实施，本工程北侧防波堤平面布置方案推荐方案PN1。

南侧防波堤外侧轴线的布置，对港内波浪情况、水动力条件以及航道港池的水流条件的影响区别不大，但考虑到南侧防波堤外侧轴线折线与曲线布置会造成波能集中，同时考虑堤轴线的平顺衔接，南侧防波堤推荐平面方案PS1。

4 结语

通过以上北侧防波堤2个平面布置方案的比选和南侧防波堤3个平面布置方案的比选结果，最终确定了本工程防波堤的平面走向布置方案，具体方案描述如下。

拟建北侧防波堤接岸位置定在煤码头外侧防浪墙NF1点。自NF1点起，沿东南方向延伸至NF2点（北侧防波堤端点），走向为 172°～352°。 北侧防波堤长 561.3m，堤顶宽度为22.75m。防波堤南端设置堤头结构，堤头处设警示灯桩。

拟建南侧防波堤起点位于已建锦尚作业区陆域西南侧端点。自为SF1点，沿西南侧方向延伸至SF2点，走向为135°～315°，长度约 933m（Ⅰ段）；自 SF2点向东向形成一段长度为201.5m长的圆弧至SF3点，圆弧半径为150m（Ⅰ段和Ⅱ段圆弧连接段）；自SF3点向东北向延伸至SF4点 （南侧防波堤端点）， 走向为 56.8°～236.8°， 长度约1131.1m（Ⅱ段）。南侧防波堤总长2265.6m，堤身段堤顶宽度为10.0m，堤头段堤顶宽度为20.0m。防波堤东端设置堤头结构，堤头处设警示灯桩。

[1]JTS165-2013，海港总平面设计规范[S].

[2]JTS 145-2015，港口与航道水文规范[S].

[3]泉州港锦尚作业区波浪数学模型研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2016.

[4]泉州湾港区防波堤一期工程工程可行性研究报告[R].福州：福建省港航勘察设计研究院，2017.