王远宏 中海（广州）工程勘察设计有限公司

王刚 中国水产科学研究院渔业工程研究所

1.研究背景

岛式防波堤是一种离岸、独立于海域的一种防波堤结构，常见于浅水区域的一种水工构筑物。这种型式的防波堤不仅可以利用有限的长度取得最大的掩护效果，还在一定程度上减轻了防波堤的设置对后方海岸滩涂的影响。但至今为止，受工程投资、地形限制等原因，国内对岛式防波堤的研究有限，工程实例更是少之又少。位于广东省江门市辖台山市赤溪镇的国家重点工程项目——台山核电站建有3000t级重件码头用于项目重件的运输装卸。该码头为无掩护码头，直面外海，受外海风浪及涌浪影响较大，虽然普通物资可以卸船上岸，但对港内波况要求极高的核电重件（核岛精密设备）却无法卸船上岸，大量核心设备滞留在其他港口，对核电主体建设影响巨大，为解决此问题，台山核电合营有限公司委托相关技术单位研究解决这一重要难题，作者通过大量的技术研究工作，针对重件码头远离海岸线（距离约620m）、位于有行洪控制要求的河口区一侧、码头精密设备卸船上岸使用频率低等特点，经多方案比选后选择了岛式防波堤作为研究方向。

图1 工程水域地势及防波堤位置示意图

2.技术方案研究

2.1 技术方案研究的重难点

2.1.1 苛刻的设计泊稳条件

根据《防波堤设计与施工规范》、《海港水文规范》等行业相关规范规定，码头的设计波高通常采用50年一遇或10年一遇波浪重现期来确定，但核电重件码头其港池泊稳条件远比普通海港要求要高，受需要通过重件码头上岸核岛精密设施的限制，本项目对港池泊移条件的要求更是苛刻：港内泊稳条件需按不低于2年一遇波浪来考虑，方能满足稳定性要求。

2.1.2 复杂的水域环境

图2 防波堤总平面布置方案一

图3 防波堤总平面布置方案二

图4 防波堤总平面布置方案三

图5 防波堤总平面布置方案四

重件码头前沿东西两侧距离不远的礁石、西侧的黄茅海湾口、已投入使用的重件码头构成了本项目复杂的水域环境，方案设计时不仅要考虑减轻水沙和行洪通道的影响，还要考虑尽量避免对进出港船舶的安全造成影响，对设计方案和施工方案提出了更高的要求。

2.1.3 高标准的结构设计要求

作为为核电重件码头提供掩护条件的构筑物，其结构设计一方面需要考虑项目区域位于台风高发区的因素，还要结合现场地质条件的特点选取适宜的基础处理方案，缩短建造时间，因此，在结构设计标准上较常规防波堤要高。

2.2 技术方案研究

2.2.1 波浪研究

2.2.1.1 研究要求

腰鼓湾是一个面积不到2平方公里的浅水湾，东北一侧为黄茅海河口湾，西侧靠近广海湾，西南有上、下川岛，大襟岛在站址东南约4km处，东和东南侧有大杧岛和荷包岛，各岛屿之间的口门水域为黄茅海口湾最西侧的水沙通道。本项目位置正好位于该区域。复杂的地形和众多岛屿，导致所片海域波浪情况较为复杂和特殊，波向出现频率最多的方向为SE、S和SSE，频率分别占59%、22%和15%。

防波堤平面布置方案不仅要能形成相对宽阔的停泊水域确保船舶靠泊安全，同时受核电精密设备停靠的限制，波浪对水域的影响需降到一定程度（重件码头的不可作业条件为横浪 H1/10 大于 0.6m，纵浪 H1/10大于0.8m，平均周期大于 6s，风>6 级（13.8m/s），则需要尽量缩小水域范围，缩小水域范围将会影响到船舶的正常停靠泊和码头的使用，两者存在矛盾。如果解决这一矛盾，需从码头通航的最低安全要求与防波堤掩护形成适宜泊稳水域的最低要求进行研究，尽可能从中选取最合适的方案。经深入了解核电重件设施的装卸要求，核电重件设施数量有限，不需全天候进港卸船，因此可以适当降低防波堤的掩护时间，最终经各方研究确定，采用了以下标准作为设计指标：在白天 7：30-18：30，如连续5小时以上满足波浪泊稳条件，则该天认为是可作业天。

2.2.1.2 研究方案

根据防波堤平面布置的要求，结合通航布置及波浪计算进行了多方案平面布置研究。方案1在码头东南向建有防波堤，其中东向防波堤尽量靠近码头，以提供良好的掩护条件（图二）；方案2在方案 1 基础上防波堤向西加长，以减少南向波浪的影响（图三）；方案3在结合方案 2的特点，考虑北防波堤太靠近码头和充分利用东北侧岛礁从而减少工程量，北防波堤移东至岛礁（图四）；方案4结合方案3的特点，考虑到岛礁涉及征用问题，北防波堤移至岛礁西侧，但尽量紧贴该岛礁（图五）。

2.2.1.3 研究模型

采用浅海第三代波浪数学模型，该波浪数学模型主要应用于近岸波浪传播过程地形和海流空间变化导致的波浪折射作用、浅水变形作用，逆向流造成的障碍和反射作用，障碍物的阻挡或部分传播作用。该数学模型考虑了波浪的成长和消减过程：风成浪作用、白浪的消减作用、水深引起的破碎作用、海底摩擦作用以及波-波的非线性作用（3 个和 4 个）。该数学模型参照以下数学公式进行计算分析：

波作用守恒方程：

在地球坐标下波作用守恒方程：

能量源项S由4项组成：

按照上述公式，非线性作用项除了在海洋模式所考虑的使谱成长的4 波相互作用外，还考虑了3波相互作用。3 波相互作用在浅水中作用明显，它使波能向高频转移，导致高阶波。

2.2.1.4 研究结论

最终研究计算表明，最优的是方案4（采用反L型、轴线总长572m的岛式布置），工程后，当防波堤堤头处波向为 NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW 时，港池M1处2年1遇 H4%波高分别为0.8m、0.8m、0.7m、0.6m、0.4m、0.7m、0.7m、0.7m、0.6m；港池N1处2年1遇 H4%波高分别为0.9m、1.1m、0.8m、0.5m、0.4m、0.5m、0.5m、0.6m、0.5m。根据数学模型计算的比波高和波向的变化，从1年的波浪观测资料经过换算，统计不满足作业条件的累积时间，年累积小时为600小时。可以满足重件运输的要求。

2.2.2 行洪及泥沙研究

由于重件码头远离后方海岸，同时为满足港内船舶的正常停靠泊要求，推荐的防波堤距离后方海岸超过800米，亦超过了珠江口门治导线延长线范围，可能对黄茅海口门的防洪纳潮产生一定的影响，为些，课题组对此进行了专题进行研究，提出防波堤尽量缩短轴线长度，尤其是与行洪交叉的区域，优化后与现状条件相比工程附近潮位变化最大值在0.003m以内。此外，工程对黄茅海潮位基本无影响。同时，由于是岛式结构，工程区域的泥沙运动处于一种动态平衡状态。

2.2.3 岸滩冲刷影响

本项目防波堤距离后方海岸线约620m，推荐的岛式防波堤轴线呈反L型，轴线由三段构成。长边段总体走向为西往东北偏，短边段走向为南往北，短边段堤身对于海流的引流作用尤为明显，后期需加强防波堤后方东侧岸滩的冲刷观测。

3.主要创新点

（1）突破常规防波堤的研究方式，多领域、多学科开展联合研究，共同确定工程总布置。

（2）综合考虑码头的使用现状及船舶通航安全要求，在尽可能考虑核电重件设施卸船泊稳需求的同时，优化防波堤布置方案，实现通航安全要求与核电设备泊稳之间的矛盾，创新提出了核电精密设备的泊稳条件。

（3）优化防波堤设计方案、将阻水和冲淤影响控制到最小，减轻了水沙通道及行洪通道的影响，对珠江流域口门同类项目有较高的指导和推广作用。

4.工程实践效果

台山核电重件码头防波堤工程项目建成9个月后，经历了在工程位置正面登陆的2012年度我国最强台风“韦森特”的考验（登陆时中心附近最大风力有13级），台风过后，防波堤完好无损；2018年度登陆我国最强台风“山竹”从本工程位置西侧登陆（登陆时中心附近最大风力有14级），亦未对本工程主体结构造成任何影响。从码头运行至今来看，防波堤对水域行洪及泥沙输运平衡基本没有产生影响，防波堤布置合理。