李亮亮 高羽末 湯志生 中交上海航道勘察設計研究院有限公司

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的城市依托河口、湖泊以及海岸規(guī)劃新建高品質(zhì)游艇俱樂部或住宅區(qū)，隨之將產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)較為集中的中小型游艇碼頭。然而，傳統(tǒng)實體式防波堤占用海域且不利于水體交換，造價較高且對原狀地基有較高要求。故為了滿足中小型游艇的泊穩(wěn)需求，要配套新建透空式防波堤作為減小區(qū)域風成浪的設施。

本文以曹妃甸新城游客碼頭項目為例，對現(xiàn)在國內(nèi)外流行的透空式防波堤從消浪效果、適用范圍以及工程兼顧性加以對比分析，提出較適用于中小型游艇碼頭的透空式防波堤設計方案，供類似項目參考。

圖1 工程位置圖

1.工程案例

1.1 項目簡介

曹妃甸新城游客碼頭項目位于唐山市曹妃甸新城南部，溯河河口西岸，東南方向約1km為濱海大道溯河大橋通航口，正東方向約2.0km為河口東岸，主要波浪類型為小風區(qū)風成浪，外海波浪影響較小。

工程所在位置外側(cè)為濱海大道，有一定的掩護，但東向及東南向水域風區(qū)長度較長，導致風浪較大，船舶停泊條件較差，尤其是在大風浪天氣，船舶泊穩(wěn)條件很差。因此本工程需建設防波堤為船舶停泊提供較好的停泊條件。但考慮到本工程位于河口區(qū)，防波堤建設應盡可能的減少對河道的行洪影響，故宜采用透空式防波堤結(jié)構(gòu)。

透空式防波堤是指由支墩和沒入水中一定深度的擋浪結(jié)構(gòu)組成的防波堤。在材料使用上和經(jīng)濟上看來都較為合理，特別適用于水深較大，波浪較小的條件；有利于港池內(nèi)外的水體交換，相比于拋石斜坡堤成本較低。透空式防波堤可經(jīng)布置護弦等靠船構(gòu)件兼作碼頭結(jié)構(gòu)。

1.2 主要參數(shù)選取

1.2.1 風況

在冀東油田南堡油田進海路及人工端島工程波浪要素研究期間，國家海洋局北海預報中心曾根據(jù)南堡油田附近氣象站1980年～2004年多年風速資料推算了南堡油田水域各方向的不同重現(xiàn)期風速，本文設計風速仍采用這一成果。表1列出這些方向不同重現(xiàn)期風速值。

1.2.2 游艇系泊條件

透空式防波堤內(nèi)部布置游艇浮碼頭泊位25個，相對關系如圖2。

根據(jù)《游艇碼頭設計規(guī)范》浮橋式泊位的系泊允許波高為：順浪向50年一遇H1%≤1.1m，橫浪向50年一遇H1%≤0.5m。

1.2.3 設計水位

極端高水位 4.34m

設計高水位 3.05m（歷時累積頻率P=1%）

設計低水位 0.30m（歷時累積頻率P=98%）

極端低水位 -1.27m

1.2.4 波浪計算

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》規(guī)定，小風區(qū)風成浪的計算，需對風速進行高度、陸海訂正，風區(qū)長度考慮建筑物、島嶼和陸域的影響，風浪有效波高和有效周期計算采用下式：

圖2 工程平面圖

等效風距計算采用下式：

式中：

g——為重力加速度（m/s2）；

H——為有效波高（m）；

F——為有效風區(qū)長度（m）；

T ——為有效周期（s）；

d——為水深（m）；

U——為風速（m/s）。

由于工程位于溯河口西岸，岸線大致成N NE-SSW向，因此N、N W、W、SW向風在工程區(qū)域內(nèi)的幾乎不會產(chǎn)生波浪，故只對其他主要風向的風成浪進行推算。工程風區(qū)內(nèi)平均海底泥面高程為1.30m，故在設計低水位以下不會產(chǎn)生波浪，深槽內(nèi)產(chǎn)生的波浪也在淺灘處破碎，工程只對設計高水位和極端高水位的小風區(qū)風成浪進行推算。推算結(jié)果如表2所示。

2.透空式防波堤消浪對比

2.1 透空式防波堤型式

2.1.1 固定式透空防波堤（擋浪板型）

防波堤頂前沿線港池內(nèi)側(cè)高程4.80m，外側(cè)高程5.00m。采用高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)型式，下部排架間距6m，樁基礎均采用φ=800mm，L=32m鋼管樁，每個排架有1根直樁，2根叉樁。鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)采用剛接方式。上部采用梁板結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩側(cè)均設擋浪板底高程0.7m。兩側(cè)擋浪板可安裝橡膠護弦，使防波堤兼作碼頭使用?？赏？恐行涂痛?。

2.1.2 固定式透空防波堤（箱型）

防波堤頂前沿線港池內(nèi)側(cè)高程4.80m，外側(cè)高程5.00m。下部樁基礎均采用φ=800mm，L=32m鋼管樁，每個排架有1根直樁，2根叉樁。鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)采用剛接方式。上部采用箱式擋浪結(jié)構(gòu)，板底高程0.7m。箱式擋浪結(jié)構(gòu)兩側(cè)可安裝橡膠護舷，使防波堤兼顧碼頭使用。可?？恐行涂痛?/p>

2.1.3 浮式防波堤

防波堤浮箱結(jié)構(gòu)主體采用鋼結(jié)構(gòu)浮箱結(jié)構(gòu)，每段浮箱長45m，寬6.0m，高3.8m，干舷高度0.6～0.8m，吃水3.0m。浮式防波堤定位樁采用2排Φ800×26000mm鋼管樁，樁長26m，防波堤與陸域連接采用3×12m 鋁合金引橋。采用定位樁形式可以減少浮箱的橫搖和水平位移（見圖3）。

2.2 消浪系數(shù)及透射波高計算

根據(jù)《防波堤與護岸設計規(guī)范》（JTS 154-2018）6.2條的規(guī)定，樁基透空堤的透浪系數(shù)可按下式近似計算：

式中

Kt——透浪系數(shù)；

Ht——透射波高（m）；

H——入射波高（m）；

ξ——系數(shù)；

L——波長（m）；

d——堤前水深（m）；

表2 工程區(qū)域內(nèi)風成浪計算結(jié)果 單位：m

圖3 防波堤斷面圖

表3 固定式透空防波堤（擋浪板型）外側(cè)擋浪板消浪后透射波高計算結(jié)果

t0——擋浪板的入水深度（m）。

透射波浪計算結(jié)果如表3-表6所示。

2.3 透空式防波堤消浪對比

從透射波波高來看，浮式防波堤在設計高水位的消浪效果要遠好于固定式透空防波堤，極端高水位時較差；固定式透空防波堤（擋浪板型）相當于將固定式透空防波堤（箱型）的透射波再進行了二次消浪，故它在極端高水位的消浪效果是最優(yōu)的，設計高水位時透射波高與浮式防波堤相近。故綜合來看固定式透空防波堤（擋浪板型）的消浪效果最優(yōu)。

表4 固定式透空防波堤（擋浪板型）內(nèi)側(cè)擋浪板消浪后透射波高計算結(jié)果

表5 固定式透空防波堤（箱型）消浪后透射波高計算結(jié)果

表6 浮式防波堤消浪后透射波高計算結(jié)果

3.透空式防波堤的應用

浮式防波堤由浮箱及定位樁構(gòu)成。其優(yōu)點有：工程造價相對較低；定位樁、浮箱可以靈活拆移，可以二次利用；具有強大的水體交換功能，有利于海洋環(huán)境優(yōu)化。缺點是消浪效果相對較弱，且工程兼容性較差。鑒于以上特點，浮式防波堤在波浪能量較低，有一定的掩護且主導波浪為風浪的區(qū)域。例如掩護水產(chǎn)養(yǎng)殖設施、人工海水浴場、海上工程施工臨時措施以及軍事上用于掩護海上機動碼頭的水域等等。

固定式透空防波堤采用高樁結(jié)構(gòu)。上海吳淞口外炮臺船舶基地的高樁固定透空式防波堤建成后，在一定程度上改善了港口內(nèi)的泊穩(wěn)條件。就工程實例來講這種形式既可以作為港區(qū)掩護，又可以兼顧船舶?？?，在海域使用審批相對緊張的今天能達到最大使用效率。實現(xiàn)水體交換保證海水水質(zhì)的同時又能達到較好的消浪效果。適用于河口、湖泊及相對掩護較好的風成浪水域，特別適用于近些年沿海及大型湖泊的沿湖旅游開發(fā)的游艇及客船碼頭。

4.結(jié)語

通過計算及實際應用分析，工程所引用的固定式透空防波堤（擋浪板型）在滿足水體交換保證水質(zhì)的前提下，既能在不同水位的消浪效果達到最優(yōu)，又能實現(xiàn)防波堤+碼頭的雙重功能，可以作為中小型游艇碼頭的透空式防波堤最優(yōu)設計方案，供類似項目參考。