防波堤对“东祥号”施工的掩护分析

◎冀登辉 邹腾飞 中国港湾西部非洲区域公司 中交广州航道局有限公司

1.工程概况

加纳位于非洲西部几内亚湾，西邻科特迪瓦，东毗多哥，南面大西洋。特马港是加纳最大的商港，位于加纳东南沿海，与首都阿克拉相距约26km。拟建的新集装箱码头地处特码老港西侧，距岸50km左右即为3000m以上水深，向岸水深迅速转浅，离岸不足3km即为20m以上水深，且空间上20m等深线近乎与岸平行，呈ENE～WSW向展布于工程区外，工程近岸底地形坡度呈向岸渐陡的变化趋势。“L型”防波堤堤长约3600m，内侧布置集装箱码头，通过填海的方式形成港口陆域。为满足通航条件，外航道、回旋区和港池水域需疏浚（疏浚深度分别为19.0m、17.4m和16.9m）。

2.工程区波浪条件

河海大学对加纳特码新集装箱码头工程施工期的波浪数模分析，是基于防波堤外围DHI 600_1600+_6点、DHI 1600+_2点、DHI 1600+_4点以及DHI 1600+_7点，根据1993～2015年逐时波浪资料，对四站波高和平均波向进行统计，对港域波浪受防波堤掩护效果进行计算分析，得出如下主要结论：

（1）防波堤外围四站的盛行浪向尤为集中，主要集中在155～195°N，该方位内波浪的出现频率在99.9%以上，其中又以175～185°N向波浪的频率为最高。

（2）谱峰波周期的分布范围宽（4～20s），其中9～16s谱峰周期波浪的出现频率占88.7%，20s以上谱峰周期波浪亦有出现，频率为0.44%。

（3）165～175°N向波浪，相对于防波堤的走向，该向波浪对防波堤的掩护效果更为不利。

（4）工程所在海域存在局地强风引起大浪的可能，如1996年10月27日发生的强浪事件，其最大波高为2.57m，对应的谱峰波周期为8.5s，平均波向为134°N，但根据DHI的研究可知，该类局部强风引起的极端海浪事件出现的频次极低。

3.“东祥号”介绍

3.1 “东祥号”简介

“东祥号”是日本小岛组于1995年建造的第一艘200m3非自航抓斗式挖泥船，总长100m，总宽36m，型深6m，吃水3.6m，最大挖深30m，总吨位6985t，排水量约13000t，钢桩设计长45m，直径1.6m，重90吨/根，设计工作限制为船舶侧倾2°。

3.2 “东祥号”在大涌浪、长周期条件下的施工情况

在防波堤未形成掩护情况下，2016年12月29日“东祥号”进入施工区域就位，准备开工，当钢桩下到海床后由于暗涌的波长较长，周期约10s以上，能量大，造成钢桩的顶部不停撞击钢桩架，无法利用钢桩进行定位，出于安全考虑，防止钢桩被撞击断裂或变形弯曲，故暂停施工，起桩抛锚避涌。之后每天在实时潮水的涨、退潮、高平、低平潮尝试下钢桩若干次，钢桩晃动严重，无法施工。

从2017年1月3日之后，由于施工区域不具备条件，在暗涌的影响下船舶尚未施工已侧倾约3°，超过设计限制，加上钢桩撞击桩架等原因无法施工。并根据随船技术图纸资料及受力分析计算，若“东祥号”在存在暗涌波长较长工况下施工（船体倾斜角度θ＞2.5°），“东祥号”的抓斗起重机存在重大风险，可能导致抓斗起重机移位而卡死驱动齿轮或倾覆，因此暂停施工。

随着防波堤堤长的不断推进，对部分施工区开始形成掩护。“东祥号”于2017年10月15日正式开工，施工和防波堤施工同步进行，防波堤对施工区形成的掩护面积越来越大。

4.“东祥号”适应的波浪条件

200m3抓斗船“东祥号”在海上进行疏浚作业时，波浪要素需满足一定条件，波高＜0.5m、谱峰波周期＜12s才能保证海上施工安全。

为确保“东祥号”后续施工方案的可行性，各波浪因素条件选择如下：（1）根据河海大学波浪数模分析，165～175°N向波浪对施工区最为不利，165°N向波浪更为不利，因此选用165°N向波浪；（2）“东祥号”施工边界谱峰波周期为12s，选用接近但对“东祥号”施工更为不利的谱峰波周期15s；（3）波高采用每月平均的有效波高。

河海大学波浪数模分析运用“比波高”（局地波高与入射波波高）的比值的概念，开展施工作业条件的数值计算工作。其中局地波高为研究区域的实际波高，入射波高采用多年统计的每月有效波高。

根据Danish Hydraulic Institute（简称DHI）推算的外围计算点1993～2015年逐时海浪后报资料，得知每月有效波高。“东祥号”施工的边界波高为0.5m，即局地波高需＜0.5m，才能保证安全作业。由此，可计算出“东祥号”可施工的每月比波高范围。根据河海大学在防波堤堤长1.8km、2.0km、2.2km和3.0km，165°N向波浪、15s谱峰波周期条件下的数模分析，并结合防波堤各阶段施工节点，即可得出“东祥号”每月的可施工范围。

5.防波堤对“东祥号”施工的掩护分析

5.1 防波堤长度施工至1.8km时

根据防波堤施工计划，预计2017年10月14日，防波堤长度可施工至1.8km，根据加纳特码项目部计算的“东祥号”可施工的每月比波高范围，10月可施工的比波高范围需＜0.36，根据河海大学波浪数模分析，165°N向波浪，15s谱峰波周期条件下，1.8km防波堤对施工区形成的掩护范围为码头前沿KP0～KP40，沉箱出运通道KP0-KP40，部分下潜坑区域。

5.2 防波堤长度施工至2.0km时

根据防波堤施工计划，预计2017年11月16日，防波堤长度可施工至2.0km，根据加纳特码项目部计算的“东祥号”可施工的每月比波高范围，11月“东祥号”可施工的比波高范围需要小于0.38，根据河海大学波浪数模分析，165°N向波浪，15s谱峰波周期条件下，2.0km防波堤对施工区形成的掩护范围为码头前沿KP0～KP300，沉箱出运通道KP0-KP300，下潜坑区域及约300m左右的内港池区域。

5.3 防波堤长度施工至2.2km时

根据防波堤施工计划，预计2017年12月29日，防波堤长度可施工至2.2km，根据加纳特码项目部计算的“东祥号”可施工的每月比波高范围，12月可施工的比波高范围需＜0.42，根据河海大学波浪数模分析，165°N向波浪，15s谱峰波周期条件下，2.2km防波堤对施工区形成的掩护范围为码头前沿KP0～KP500，沉箱出运通道KP0-KP500，下潜坑区域及约500m左右的内港池区域。

5.4 防波堤长度施工至3.0km时

根据防波堤施工计划，预计2018年7月28日，防波堤长度可施工至3.0km，根据加纳特码项目部计算的“东祥号”可施工的每月比波高范围，7月东祥可施工的比波高范围需要＜0.31，根据河海大学波浪数模分析，165°N向波浪，15s谱峰波周期条件下，3.0km防波堤对施工区形成的掩护范围为码头基槽KP0～KP1400，沉箱出运通道KP0-KP1400，内港池所有区域及部分调头圆。

6.施工效果

防波堤对施工区域的掩护为“东祥号”的顺利施工创造条件，根据施工数据统计，从“东祥号”开工至工程完工，在防波堤形成掩护条件下，恶劣天气迫使停工的时间占总在场时间的2.7%。

河海大学波浪数模分析较为直观地显示了加纳特码新集装箱码头的防波堤修建至不同长度时“东祥号”的可施工范围。模型所运用的波浪条件，根据各时间节点所对应的多年波要素，均取对“东祥号”施工偏安全的值，在满足波浪条件下的防波堤长度可保证施工区大多数时间的施工安全。

7.结语

综上所述，最终为该工程大型挖泥船“东祥号”的施工节省了宝贵时间，降低了船舶施工风险及停滞等成本，为后续“东祥号”在其他恶劣海况项目施工提供了解决思路。