大連港太平灣港區波浪物理模型研究

劉 針，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

大連港太平灣港區波浪物理模型研究

劉 針，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

通過波浪整體物理模型試驗，對大連港太平灣港區起步工程港內波況和碼頭上水情況進行測定，并根據試驗結果對平面布置進行優化。設計方案在W向波浪作用下，迎浪側波浪直接穿過進港航道邊坡進入港內，波浪在直立碼頭間發生來回反射，港內波高較大。設計方案在WSW向波浪作用下，迎浪側航道邊坡對波浪的折射現象較W向明顯，港內波浪的多次反射現象與W向時基本一致。優化方案一將迎浪側進港航道邊坡開挖，波浪折射到港外，港內波高減小。優化方案二北側防波堤延長至874 m，對港內的掩護優于優化方案一。優化方案三在優化方案一的基礎上，將東側碼頭外端1 km碼頭型式改為高樁碼頭，在高水位時樁式結構的反射效果未得到充分發揮，低水位時反射效果略明顯。

波浪物理模型；波浪反射；波浪折射

Biography：LIU Zhen（1979-）,female,engineer.

大連港太平灣港區位于長咀子和仙人島岬角之間的太平角附近，地理位置約為121.8°E，39.95°N（圖1）。規劃港區依陸地岸線布置，面臨的開敞海域為SW～W～N向，港區對外海來浪無島嶼等天然地形掩護，需對影響該港區建設的波浪動力條件進行研究。起步工程建設內容主要包括防波堤工程、航道工程和碼頭工程。通過開展波浪整體物理模型試驗，對港內碼頭上水和泊穩情況進行研究，并為改善港池內各泊位的泊穩條件，進行平面布置的優化試驗。

平面布置由航道、防波堤和碼頭三大部分組成，其中碼頭岸線由斜邊碼頭岸線、西側碼頭岸線、灣底碼頭岸線和東側碼頭岸線組成，航道底高程自口門向港內分為-21.7 m，-19.0 m和-15.8 m，外航道走向75°54′～255°54′，航道寬度290 m，航道邊坡1：5，口門處自然水深-6.5 m。設計方案碼頭均采用直立式結構，碼頭面高程+5.0 m，平面布置和波高測點布置見圖2，工程東西走向長度約為5.68 km，南北走向長度約為3.36 km。黑色圓點為測波點位置，1～5為起波點位置。根據試驗結果對設計方案進行優化，優化方案一將進港航道北側的邊坡進行開挖；優化方案二將北側防波堤延長至874 m；優化方案三在優化方案一的基礎上東側岸線從南端開始1 km的碼頭結構型式由直立改成高樁。優化方案平面布置見圖3。

圖1 工程位置圖Fig.1 Location of project

圖2 工程平面布置和測點布置圖Fig.2 Plan layout of project and location of measuring points

圖3 優化方案平面布置圖Fig.3 Plan layout of optimization case

1 試驗的基本參數

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所綜合試驗廳的試驗水池中進行［1～3］，試驗水池長83 m，寬43 m，高0.45 m。根據試驗要求，結合試驗場地及設備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為90，即波高比尺為90，周期比尺為9.49，模型實際占地規模75 m（長）×43 m（寬）。模型防波堤距離造波機均在6倍波長以上，以消除造波板二次反射對試驗的影響，防波堤堤頭與水池邊界的距離亦超過5倍波長。模型邊界設置了消波和導波設施，以消除不利于試驗的波浪反射和擴散現象。模型中波浪由港池內可移動搖板式不規則波造波機產生［4］，分別對WSW向和W向波浪進行模擬。由港池搖板式造波機產生JONSWAP譜不規則波，模型波高采用TK2008型動態波高測試系統進行測量，該系統采用電容式波高傳感器自動采集并統計波高與周期的結果。

試驗波要素依據（《大連港太平灣港區起步工程波浪數學模型研究》，天科院，2011）結果中提供的物理模型邊界波要素進行試驗。按照模型比尺對試驗波要素進行了換算，試驗波要素見表1和表2。

模型比尺為90時，WSW和W向部分波高不滿足規程中“不規則波有效波高應不小于2.0 cm”的要求，凡不滿足《波浪模型試驗規程》要求的，一律按規程執行，波高值按照比波高進行換算。周期值不滿足規程中“譜峰值周期不小于0.8 s要求”的，對造波機的造波參數進行了修改，使譜峰值滿足0.8 s的要求，截掉小于0.5 s周期的波浪，對應的波能增加到0.5s以上周期的波浪中。

表1 W向試驗波要素（模型值）Tab.1 Test wave condition of W direction

表2 WSW向試驗波要素（模型值）Tab.2 Test wave condition of WSW direction

2 試驗的結果與分析

2.1 設計方案

設計方案，WSW向浪作用下，波浪傳播方向基本與主航道軸線平行（夾角約為2°），波浪在航道邊坡發生折射。迎浪側（航道北側）入射波浪與航道折射波疊加，部分作用于防波堤，部分波浪沿西側斜邊岸線進入港內。東側碼頭的南端正對來浪方向，入射波在直立式碼頭前發生反射，反射波傳至西側碼頭的北側，與從航道進入的入射波疊加，在港內與碼頭發生多次反射在灣底發生振蕩。由于東側碼頭的反射，在東側碼頭和西側碼頭交口處產生菱形波。W向浪作用下，波浪傳播方向與主航道夾角約為14°，與迎浪側航道邊坡夾角約為59°，在迎浪側因折射產生大波區，防波堤與斜邊碼頭岸線夾角處波能集中，防波堤堤頭處波高較大。經主航道折射后的迎浪側波浪可穿過喇叭口處航道邊坡傳入港內。西側斜邊岸線碼頭前波高較大。港內的波動主要由航道及沿西側斜邊岸線相疊加后的入射浪與東側碼頭反射后傳入港內引起。

2.2 優化方案一

針對設計方案，WSW和W向波浪作用時，西側斜邊岸線碼頭特別是堤頭處，由于航道邊坡的折射作用波高較大，進行優化。優化方案一，將迎浪側航道邊坡進行開挖，角度由原方案的135°改至164°。WSW波浪作用與設計方案相比，迎浪側邊坡對波浪產生明顯折射作用，邊坡處波高增大，波浪折射出港外，進入港內的波能減小，西側斜線碼頭處及航道中波高較設計方案明顯減小，從港內波高比較情況可知，總體上，各泊位前波高有所減小。W向波浪作用情況下。航道邊坡走向改變后波能在迎浪側折射明顯，在航道邊坡處的波能大部分從港內折射到港外，小部分波浪沿斜邊岸線碼頭進入港內。港內各測點波高較設計方案均有所減小。

2.3 優化方案二

優化目的與優化方案一相同，利用增加防波堤長度來減少傳入港內的波浪能量，以降低西側斜邊岸線碼頭處波高。優化方案二，防波堤延長至874 m時，在W向浪作用下，擋浪效果明顯，繞過堤頭進入的波浪減少，港內各測點處波高均有所減小。

2.4 優化方案三

設計方案中東側碼頭為直立式，入射波在碼頭前發生反射，該反射波與從航道進入的入射波疊加后傳入港內，多次反射引起灣底的波浪振蕩。優化方案三在優化方案一的基礎上將東側碼頭岸線的碼頭結構從南端開始1 km由直立結構改成高樁碼頭［5-7］，利用高樁碼頭的反射作用減小碼頭前的反射波高。從試驗結果看港內波高有所減小但是幅度不大。

表3 碼頭前最大波高（重現期50 a為H13%，重現期2 a為H4%）Tab.3 The maximum wave height m

圖4 W極端高水位重現期50 aH13%Fig.4 Wave height of W direction（high water level,return period 50 a）

圖5 W極端高水位重現期25 a上水厚度Fig.5 Wave crest height of WSW direction（high water level,return period 25 a）

各方案碼頭前最大波高見表4，W向浪作用下極端高水位重現期50 a各側碼頭岸線前的最大波高見圖4，上水高度見圖5，上水高度見表5。

表4 碼頭上水厚度Tab.4 Wave crest height cm

2.5 方案比較

優化方案一與優化方案二：在西側斜線碼頭處，優化方案二的作用效果明顯好于優化方案一，港內各碼頭波高，優化方案二基本都小于優化方案一，但效果不如西側斜線碼頭處明顯。優化方案一與優化方案三：碼頭型式修改后，設計低水位效果比設計高水位和極端高水位明顯，原因是高水位時，波浪主要作用于高樁碼頭的上部結構，樁式結構的反射效果未能得到充分發揮。綜合比較推薦優化方案一。

3 結論

通過幾何比尺為90的波浪整體物理模型試驗，對大連港太平灣港區起步工程港內波況和碼頭上水情況進行測定，并進行了平面布置的優化，得到以下結論與建議：

（1）設計方案在W向浪作用下，由于迎浪側波浪穿過航道邊坡經防波堤堤頭繞射后進入港內，導致港內波高較大，設計高水位重現期25 a和10 a波浪作用時，WSW向和W向無上水。極端高水位重現期50 a、25 a和10 a時，兩個方向作用下上水比較嚴重，整個碼頭岸線幾乎都有上水。

（2）優化方案一將迎浪側航道邊坡開挖后，增強了波浪的折射作用，港內波高普遍降低，其中西側斜邊岸線現象最為明顯。優化方案二對港內的掩護優于優化方案一。優化方案三在優化方案一的基礎上，將東側碼頭外端1 km碼頭結構型式改為高樁碼頭，在高水位時波浪主要作用于碼頭上部結構，樁式結構的反射效果未得到充分發揮，低水位時反射效果略明顯，其余水位不明顯。綜合比較推薦優化方案一。

（3）本港區范圍較大，風區長度超過1 km，試驗未能考慮局部風成浪的影響，其結果可以作為方案比選的相對依據，但不能全面真實反映泊穩和上水情況。

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Research on wave physical model for Taiping bay of Dalian Port

LIU Zhen,LUAN Ying?ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

The wave conditions in the harbor area and the overtopping of the wharf for preliminary project of Taiping bay were determined through 3D wave physical model test,and the optimal layout was suggested based on the test results.The results show that,in the design scheme under the action of W wave direction,wave gets through the approach channel slope into inner harbor,and it reflects back and forth on front of the wharf,so the wave height is bigger.In the design scheme under the action of WSW wave direction,the refraction is more obvious than W di?rection,but the multiple reflection of waves in the inner harbor is basically the same as W direction.And wave height decreases because of the excavation of channel slope enhance the refraction of waves in optimization scheme one.The optimization case two,in which the north side of the breakwater is extended to 874 m,is better than the op?timization case one.While in the optimization case three based on optimization case one,the wharf type is changed into high?pile wharf at the outer end of the east wharf for 1 km.The wave dissipation effect is slightly obvious under low water,but the wave transmission effect has not been fully developed in high water level.

wave physical model;wave reflection;wave refraction

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0130-05

2013-05-07；

2013-05-29

劉針（1979-），女，河北省衡水人，工程師，主要從事港口航道及海岸工程研究。