港內(nèi)波能集中及治理措施試驗研究

劉海成，王赟江，張 亮，劉欣明

（1.交通部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.中交第一航務(wù)工程局第一工程有限公司，天津300456；3.河海大學(xué)，南京210024）

波浪是沿海港口重要的水動力因素和作用力［1］，港內(nèi)的波高分布和港內(nèi)平穩(wěn)度是港口規(guī)劃建設(shè)中首要考慮的問題［2］。然而有些港口的平面布置不合理，防波堤建成后，港內(nèi)泊穩(wěn)條件不但沒有得到預(yù)期的改善，局部反而惡化，對港內(nèi)泊穩(wěn)和建筑物的穩(wěn)定造成巨大威脅。這就是港內(nèi)波能集中現(xiàn)象。臺灣花蓮港、南非開普敦港、挪威努克瓦漁港［3］及煙臺西港［4］都出現(xiàn)了港內(nèi)波能集中造成泊穩(wěn)條件惡劣和建筑物損毀等事故。本文以煙臺西港區(qū)儲運設(shè)施波浪物理模型試驗為依據(jù)，研究了港內(nèi)波能集中現(xiàn)象、整治措施及其效果，為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

煙臺港西側(cè)的新港區(qū)一期工程主要包括1個5萬t級泊位及相應(yīng)配套碼頭設(shè)施，遠(yuǎn)期將建設(shè)3個5萬t級通用泊位和防波堤，現(xiàn)已建成LPG泊位和1 500 m長防波堤以及配套的出運設(shè)施（工程平面布置圖見圖1）。在1 500 m外防波堤施工過程中，預(yù)制廠滑道施工困難，工作船泊穩(wěn)條件惡劣。泥沙淘刷和波浪力的共同作用，使滑道井字梁多次被破壞。鑒于以上問題，西港區(qū)進行了出運設(shè)施工程波浪整體物理模型試驗，對小港池內(nèi)波浪情況進行試驗研究，給出了改善小港池內(nèi)波浪條件的優(yōu)化措施。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Plane layout of the project

1.1 設(shè)計水位

以煙臺港理論最低潮面為基準(zhǔn)，極端高水位+3.56 m，設(shè)計高水位+2.46 m，設(shè)計低水位+0.25 m，極端低水位-0.95 m。

1.2 地形

港區(qū)地形圖由設(shè)計單位提供，從布置圖可以看出，工程區(qū)域水深條件良好，-11 m等深線距岸邊約600 m。

1.3 波浪

根據(jù)煙臺港提供的芝罘島海洋站測波和測風(fēng)資料、煙臺西港區(qū)施工現(xiàn)場風(fēng)浪資料并結(jié)合現(xiàn)場附近氣象站的氣象資料，推算出工程海域-15 m處不同水位的波浪要素（表1，以50 a一遇波要素為例）。結(jié)合工程現(xiàn)場情況，1 500 m長的北防波堤建成以后對N向浪掩護良好，在ENE向浪作用下，工作船泊位處的泊穩(wěn)條件差，并伴隨滑道基礎(chǔ)的淘刷和滑道井字梁的破壞。所以本次研究的重點為ENE向浪作用時，小港池內(nèi)的波浪情況及其治理措施。

表1 ENE向50 a一遇波要素Tab.1 Wave parameters of 50 years return period in ENE direction

2 模擬方法

采用波浪物理模型試驗研究小港池內(nèi)的波高分布和工作船碼頭前沿的泊穩(wěn)條件模型。模型以重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)場及試驗設(shè)備情況，確定集合比尺為1∶100（水深、波高和波長比尺為1∶100，波浪周期和速度比尺為1∶10）。在試驗過程中，波浪采用不規(guī)則波，對于有限深度水域（0.1＜H*≤0.5），風(fēng)浪頻譜可按下列公式計算［5］。

式中：HS為有效波高，m；TS為有效周期，s；P為譜尖度因子；H*為波高水深比的一個參數(shù)；d為水深，m。采集到的試驗數(shù)據(jù)由上跨零點法確定各測波點波高值，通過測點波高的入射波高（-15 m水深處）的比值，給出各測點的比波高。

3 試驗現(xiàn)象及分析

試驗現(xiàn)象表明：目前狀況下，當(dāng)ENE向波浪入射時，外海波浪經(jīng)過口門進入港池，在港內(nèi)發(fā)生繞射、折射和反射，并在港內(nèi)形成震蕩，造成順岸碼頭、LPG泊位處的波高增大。進入到大港池內(nèi)的波浪分為3個部分，其一經(jīng)過折射向岸邊傳播；其二直接傳播至LPG泊位、南側(cè)順岸碼頭和小港池內(nèi)；其三經(jīng)過北防波堤堤頭繞射傳播至防波堤內(nèi)側(cè)。小港池內(nèi)波浪也由3部分組成，其一為直接入射進來的波浪，這部分波浪很小，港內(nèi)波浪在底摩阻作用下的耗散、在航道作用下的折射等造成波高減??；其二為小港池西側(cè)碼頭前沿出現(xiàn)的一列順著碼頭方向傳播進來的波浪；其三為小港池內(nèi)的波浪二次反射。防波堤順浪、直接入射到小港池內(nèi)的波浪及二次反射的波浪相互疊加，造成小港池內(nèi)產(chǎn)生較大波高。大小港池內(nèi)波浪傳播的過程見圖2。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，小港池內(nèi)的波高較大，特別是在直角處，出現(xiàn)波能集中，在高水位時往往會有碼頭上水的現(xiàn)象。港內(nèi)波高除了受波浪繞射、折射和反射共同作用外，還受港域尺度的影響。從現(xiàn)有的研究成果看，港內(nèi)波高值與港域相對尺度a/L（a為港域縱深，L為深水波長）有關(guān)，當(dāng)a/L為7～9時，港內(nèi)波高較大［6-7］。由于本研究中的港域尺度已經(jīng)確定，治理措施只能從其他方面入手。

圖2 波浪傳播示意圖Fig.2 Sketch of wave propagation

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

4 治理措施研究

從入射到小港池內(nèi)的波浪分析，要改善小港池內(nèi)的波浪條件，可以從2個方面入手：一方面減少入射到小港池內(nèi)的波能，包括減小直接從外海入射來的波浪和從西側(cè)碼頭前沿反射來的波浪（即西側(cè)順浪）；另一方面是要減小港內(nèi)的波浪反射和波能集中，具體措施為在小港池西側(cè)直角處鋪放消浪塊體，將順岸碼頭西護岸預(yù)留沉箱位置處修改成斜坡結(jié)構(gòu)（小港池內(nèi)測點平面及測點布置見圖3）。

為了減小波能集中，改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件，對比了2種工程措施：（1）在小港池直角位置和預(yù)留沉箱位置鋪放消波塊體；（2）在小港池入口處即滑道頂端左側(cè)，增加1段約20 m的防波堤（小港池口門寬度為220 m）。不同工程措施及現(xiàn)狀條件時小港池內(nèi)測點比波高結(jié)果見表2，從表2中可以看出：現(xiàn)狀時，港內(nèi)波能集中現(xiàn)象最為明顯，在50 a一遇ENE向波浪作用下，小港池內(nèi)的平均波高為2.44 m，最大波高出現(xiàn)在小港池直角處，極端高水位時波高為3.24 m，極端低水位波高為2.64 m。

表2 不同工況下港內(nèi)波高Tab.2 Wave height under different conditions m

采用第一種工程措施時，在小港池的直角處和預(yù)留沉箱位置同時消波以后，港內(nèi)8個測點平均波高為2.16 m，相對現(xiàn)狀條件時平均波高減小約12%，直角處的消浪塊體對減小直角處的波能集中起到了較好的作用，在極端高水位和極端低水位時，直角處波高分別為2.07 m和1.66 m。

采用第二種工程措施時，小港池內(nèi)8個測點的平均波高減小為1.84 m，平均波高減小約25%。從治理效果看，減小入射波浪從根本上改善了小港池內(nèi)的波浪條件；在直角位置和預(yù)留沉箱位置進行消波處理，消除了波能局部集中現(xiàn)象。但是考慮到口門處需要保證船舶進出港需要的有效寬度，口門處的防波堤長度不能過長，所以建議同時采取2種治理措施。

5 結(jié)論

通過不同工況下的波浪物理模型試驗及結(jié)果分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）小港池內(nèi)出現(xiàn)波能集中的主要原因在于：波浪的直接入射、西防波堤的反射、小港池內(nèi)直立式岸壁及易于出現(xiàn)波能集中直角區(qū)域。

（2）要改善小港池內(nèi)的波浪條件，可以從2個方面入手：一方面減少入射到小港池內(nèi)的波能；另一方面減小港池內(nèi)的波浪反射。

（3）對比2種治理措施，在小港池口門處增加防波堤，減少進入港內(nèi)的波能是治理的根本手段，但是考慮到船舶進出港所需的有效寬度，防波堤不能過長，建議2種治理措施同時使用。

（4）在平面布置中盡量避免出現(xiàn)周圍為直立式岸壁且有波浪入射的小面積港域；對已建成的港域，在治理港內(nèi)波能集中時，應(yīng)采用減少入射波能和在波能集中處消波的措施。

［1］吳宋仁.海岸動力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］俞聿修.隨機波浪及工程應(yīng)用［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，1992.

［3］顧家龍.港口水域的共振問題研究［J］.水運工程，1984（12）：1-10.GU J L.Study on resonance of port water［J］.Port&Waterway Engineering，1984（12）：1-10.

［4］劉海成，陳漢寶.煙臺西港區(qū)出運設(shè)施波浪物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2010.

［5］JTJ/T234-2001，波浪物理模型試驗規(guī)程［S］.

［6］楊會利，鄭寶友，陳漢寶，等.掩護型小面積港域不同尺度對港內(nèi)波浪條件的影響［J］.水運工程，2009（8）：68-72.YANG H L，ZHENG B Y，CHEN H B，et al.Influence of different dimensions of sheltered small-area harbor on wave conditions［J］.Port&Waterway Engineering，2009（8）：68-72.

［7］劉針，陳漢寶，張慈珩.小面積掩護型水域波浪物理模型與數(shù)學(xué)模型對比研究［J］.水道港口，2009（4）：241-245.LIU Z，CHEN H B，ZHANG C H.Comparison study between numerical model and experiment test on wave in limited sheltered waters［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（4）：241-245.