引江济淮工程巢湖派河口服务区泊稳条件及防波堤稳定性研究

边 峰， 黄 哲， 李华治， 王登婷

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

0 引 言

安徽省地势西高东低，境内有长江、淮河两大重要通航水系，皆呈东西走向。长江水系在安徽省境内有航道里程3 085.5 km，占安徽省航道总里程47.42%，淮河水系在安徽省境内有航道里程2 449.8 km，占安徽省航道总里程37.7%。该两大水系在安徽境内不连通，货物运输要绕道京杭运河，运输成本高，制约了腹地经济社会发展。为实现江淮沟通的梦想，2014年启动引江济淮工程，实现淮河水域与长江直接贯通。为落实“以人为本”的理念，满足船舶的服务需求，提高航道运营效率，改善航道通航环境，消除航道安全隐患，在派河入巢湖口门处设置派河口服务区。

派河口服务区工程位于巢湖西北侧派河口处，距环巢湖大道派河大桥约300 m，距派河船闸约800 m，是引江济淮工程上设置的综合航运服务区，工程位置如图1所示。工程区设置南北两段防波堤，其中北侧为派河闸下锚地防波堤，由堤头及堤身两个区段组成，堤头段长164 m，堤身段长492 m，堤头与堤身段间夹角为150°；南侧为派河服务区防波堤，防波堤轴线呈U形布置。

图1 工程位置图

根据“引江济淮工程巢湖水域波浪数学模型试验”研究成果，服务区口门处NE～E～SE向波高相对较大，波浪传播进港内后，存在不利于服务区内各位置停泊安全的可能性。

为确保不同位置的停泊安全，本文对派河口服务区水域的风浪特征进行分析研究，采用波浪数学模型计算了防波堤建成后的服务区内波高分布情况，并通过研究结果对服务区平面布置方案进行优化，最后通过波浪断面物理模型试验对服务区防波堤的断面结构型式进行了验证，为相关工程设计提供参考。

1 风浪特性分析

《堤坝防浪护坡设计》中指出水库、湖泊等小风区风速的选取及订正与开场海域存在差异，具体为：封闭水体中，风速、风向取气象站实测资料，此风速值与地表特征及气象站周边环境有关，需加以订正，换算至开阔水面上的风速。

本次研究采用巢湖气象站1996-2016年的气象资料作为分析[1]，并将原先的陆域风速资料进行高度及陆水订正,如图2所示。

图2 工程水域水面上方10 m高程处计算风速玫瑰图(单位：m/s)

工程区所在水域最大计算风速为26.5 m/s，对应风向为SSW向，此外NNW、NW、SW向风速也较大，均达到25 m/s以上。

2 泊稳条件分析

2.1 计算结果及分析

根据数学模型试验结果得出以下计算结果，派河口服务区主要受NNE～SSE向小风区风浪作用，采用数学模型计算了NNE～SSE向设计高水位10.6 m在9级、8级、7级、6级风分别作用下的派河口服务区港内水域的波高分布，给出了港内各泊位波高分布情况。

计算共考虑14个计算点，分别位于14个拟建泊位位置，防波堤平面布置及波浪计算点位图如图3所示，其中1#泊位为加油泊位。根据要求，6级风内(含6级风)各向顺浪及横浪均需满足H4%小于0.6 m的泊稳要求，7级风及以上泊位停用；其余2#～14#泊位要求9级风内(含9级风)各向顺浪及横浪均需满足H4%小于0.6 m的泊稳要求。

图3 计算点位及总平面布置图

试验结果见表1，工程区域设计高水位、8级风作用下波浪折射绕射H13%波高等值线图如图4所示。

表1 服务区泊位泊稳分析

图4 波高分布

由计算结果可见，在ESE、SE、SSE向6级风作用下，位于北防波堤内侧的2#～6#泊位均不满足顺浪及横浪H4%小于0.6 m的泊稳要求，其主要原因是在原堤轴线布置方案下，堤线对以上方向风浪的掩护作用较弱，波浪能直接作用到服务区内，影响区域内船舶靠泊；此外当风力等级大于等于8级时，除ESE、SE、SSE向外，3#～6#泊位在ENE、E等方向的风作用下也不满足顺浪及横浪H4%小于0.6m的泊稳要求，其原因为服务区口门宽度较大，对以上浪向波浪掩护作用不足，波浪在北侧防波堤堤头位置发生绕射，波向发生变化，导致港内局部波高增大。

2.2 优化方案

根据以上计算结果，对服务区防波堤总平面布置进行相应优化，优化方案计划将南防波堤堤头沿轴线延长150 m，优化后的总平面布置图如图5所示。

图5 优化方案算点位及总平面布置图

优化后泊稳试验结果见表2，工程区域的设计高水位、9级风作用下波浪折射绕射H13%波高等值线图如图6所示。

图6 波高分布

由图6可见，加长南堤后防波堤对偏东南向波浪的掩护作用增强，2#～6#泊位受该浪向波浪的影响减弱，同时由于南堤延长后口门宽度减小，偏东北浪向经口门向港内传播的波能减少，对港内泊稳的影响也相对减弱。由表2可见，优化方案各泊位均能满足不同风向6级、7级、8级、9级风作用时的泊稳要求。

表2 优化方案服务区泊位泊稳分析

3 波浪断面物理模型试验

3.1 试验条件

为保证防波堤的稳定性，开展波浪断面物理模型试验。试验断面各部位均与原型保持几何相似，各结构部分均按比尺缩小，模型误差不超过1 mm，胸墙、护面等部位采用配重砂浆制作，以保证重量相似。块石经严格挑选，与原型保持重量相似。

试验水位及波浪要素见表3，试验断面结构型式如图7所示。

表3 试验波浪要素

图7 试验断面

3.2 试验结果

(1)越浪量试验结果：

在设计高水位及相应不规则波浪作用下，波浪沿外侧栅栏板护坡爬高，不规则波列中的部分大波作用到堤顶并越过胸墙顶部形成越浪，试验测得的越浪量为0.009 6 m3/(s·m)；在补充水位及相应波浪作用下，波浪在前坡上爬过程中波能耗散，部分动能转化为势能后，水体回落，无波浪作用到堤顶，未测得越浪。

(2)稳定性试验结果：

在各级水位及相应的不规则波作用下，当波浪累积作用时间相当于原先3 h后，胸墙、外坡40 cm厚栅栏板护面、内坡40 cm厚栅栏板护面均未发生明显位移，满足波浪作用下的稳定性要求；而前坡较多100 kg块石发生位移，且剖面形状发生改变，不满足块石失稳率要求。

导致块石失稳的主要原因是：在设计高水位，波浪作用时传播至平台位置处由于水深减小波浪发生破碎，破碎后水体运动混乱，波浪引起的底部切应力增大；而波谷作用时水体沿护坡回落并向外海侧运动，对平台表层块石形成拖曳，导致斜坡与平台交角位置块石发生滚落；在补充水位及相应波浪作用下，水位基本与平台顶部平齐，波浪在平台上方发生破碎，在该部位出现波能集中，因而平台处块石随波浪作用发生滚落；随着波浪持续作用，块石滚动后平台形状较原先发生改变，平台与斜坡交角呈圆弧状，斜坡上部坡比由原先1∶1.5变缓为约1∶3.5，此后仅少量块石随波浪的往复运动，形成了与波浪动力基本相适应的剖面形态。

根据试验现象及试验结果对断面结构进行优化，将前坡100 kg块石加大至150～200 kg块石并进行试验，在设计高水位、补充水位及相应波浪作用下，150～200 kg块石个别发生滚落，但随波浪持续作用，无块石继续发生位移，基本形成了与波浪动力相适应的剖面形态，满足波浪作用下的稳定性要求。

4 结 论

(1)原防波堤平面布置方案下，在ESE、SE、SSE等风向6级及以上风作用下，2#～6#泊位不满足泊稳要求，将南防波堤堤头沿轴线延长150 m后，可以满足泊稳要求。

(2)原防波堤断面前坡100 kg块石在设计高水位及补充水位波浪作用下出现失稳，加大至150～200 kg后满足波浪作用下的稳定性要求。