青島港郵輪碼頭工程波浪條件模擬研究

欒英妮，陳漢寶，劉海源，張慈珩

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

青島港郵輪碼頭設計可停靠目前世界上最大的郵輪——海洋綠洲號，作為客運碼頭，郵輪碼頭對船舶停靠時游客的舒適性有一定的要求。研究郵輪母港內波浪條件時，既需要考慮波浪作用下碼頭的設計波浪要素以保證碼頭結構的安全性，又需考慮碼頭前波高是否滿足船舶靠泊及泊穩(wěn)的允許波高以滿足游客的舒適性。鄒一波[1]對郵輪碼頭透空式上部結構進行了研究，采用透空式上部結構，可以減少碼頭的作用力、減少碼頭上水、降低碼頭面高度；許婷[2]對天津港國際郵輪碼頭工程通過數(shù)模模型計算了港內的流場和泥沙淤積情況。本文采用數(shù)值模擬的手段對青島港郵輪母港內風成浪及碼頭前波浪進行精細化模擬，并分析了其泊穩(wěn)條件。

1 工程簡介

青島港郵輪碼頭工程位于青島港老港區(qū)口門南側水域，擬新建15萬t級郵輪泊位1個[3-4]，碼頭軸線方位為45°～225°，距中港池西北側防波堤95 m，碼頭岸線總長490 m。工程位置見圖1，工程平面布置見圖2。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of project

膠州灣內波浪主要為灣內小風區(qū)波浪及外海波浪經灣口的傳播進入。擬建工程位置處波浪掩護條件良好，外海波浪很難影響到工程所在的位置，碼頭處主要影響波浪為港灣內風成浪。設計方案中北側防波堤長度為500 m，考慮到航道北側防波堤對新建郵輪碼頭的掩護作用，優(yōu)化方案一將北側防波堤長度延長至900 m，優(yōu)化方案二將北側防波堤延長至1 300 m。

本文通過計算結果給出碼頭處的設計波浪要素，并根據碼頭前波高結果分析不同長度防波堤對郵輪碼頭的掩護效果及碼頭因波浪作用損失的作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計。計算水位共3個(當?shù)乩碚摶鶞拭?：極端高水位為+5.43 m，設計高水位為+4.34 m，設計低水位為+0.37 m。

圖2 工程平面布置圖Fig.2 Layout of project

2 風成浪模擬方法與成果

2.1 模擬方法

工程位于膠州灣內，受到南部岬角的掩護，擬建工程處外海傳入波浪影響較小，主要為灣內風成浪，因此采用設計方提供的團島不同重現(xiàn)期風速結果(表1)，通過風成浪模型進行計算。該區(qū)域夏季多南風及東南風，冬季多北風及西北風，主要計算方向為NW向、WNW向、W向和WSW向，計算重現(xiàn)期為50 a和2 a。

灣內風成浪采用規(guī)范公式進行計算[5]，首先對風速進行高度、陸海訂正，風區(qū)長度考慮建筑物、島嶼和陸域的影響，取合適的步長，使得每步的水深變化小于0.2 m，分步計算風浪的成長變化。風浪波高計算采用下式

(1)

(2)

式中：U為風速,m/s,按表1選取；g為重力加速度,m/s2；Hs為有效波波高,m；Ts為有效波周期,s；F為風區(qū)長度, m;d為水深, m。

表1 團島不同重現(xiàn)期風速Tab.1 Wind speed in different return periods m/s

2.2 計算結果

從計算結果知，工程區(qū)處WNW向風成浪最大，其次是NW向浪。北側防波堤堤頭處(A點)的波浪要素結果見表2，作為港內小范圍波浪數(shù)學模型邊界處波浪條件的率定點(A點位置見圖2)，而后計算工程設計波浪條件及不同方案碼頭泊穩(wěn)條件[6-7]。

表2 北側防波堤堤頭處(A點)風成浪波浪要素結果Tab.2 Wave conditions at Point A

3 港內波浪模擬方法與成果

3.1 模擬方法

利用風成浪模型計算得到的A點處的波浪條件，針對不同方案計算工程建設后港內的波況。小范圍波浪計算采用丹麥DHI開發(fā)的MIKE21軟件中的BW模塊[8-9]。

BW模塊所采用的Boussinesq方程為水深積分平面二維短波方程，該方程已經過多年的驗證和比較，能夠較好地模擬波浪的折射、繞射、反射和淺水變形等各種波浪變形特性，并且具有較高的模擬精度，基本方程為

St+Px+Qy=0

(3)

(4)

(5)

其中

式中：P、Q為x、y方向流速沿水深的積分;h為靜水深;S為波面高度;d為總水深;B為深水修正系數(shù)，可取為1/15;腳標(*t、*x、*y)表示物理量(*)對時間、 方向x和方向y的偏導數(shù)。

3.2 計算結果

3.2.1 護岸及碼頭前設計波要素

在計算護岸及碼頭的設計波浪要素時，考慮了碼頭未建設時，航道和港池開挖以及北側防波堤長度為500 m的情況。其中#1和#5分別位于擬建的南、北護岸，#2～#4點位于擬建的碼頭泊位(圖3)。極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，碼頭和護岸處的H1%和H13%結果見表3。

圖3 計算點位置示意圖Fig.3 Location of extraction points

位置測點NWH1%H13%WNWH1%H13%WH1%H13%WSWH1%H13%護岸#12.671.873.152.233.422.442.321.61#52.421.683.362.372.932.052.021.39碼頭#23.112.133.642.503.482.392.331.58#33.032.073.452.373.182.182.561.74#42.831.933.512.413.132.142.571.75

3.2.2 碼頭前沿波高分布

計算郵輪碼頭建設后，北側防波堤長度為500 m(原設計方案)、900 m(優(yōu)化方案一)和1 300 m(優(yōu)化方案二)情況下，設計高水位重現(xiàn)期50 a和2 a波浪作用下，碼頭前沿的波高分布情況，計算結果見表4和表5。

表4 不同計算方案設計高水位重現(xiàn)期50 a各計算點H13%波高Tab.4 The significant wave height in design high water level (50 a return period) m

表5 不同計算方案設計高水位重現(xiàn)期2 a各計算點H4%波高Tab.5 The H4% in desigh high water level (2 a return period) m

通過對各方案結果分析知：(1)北側防波堤的堤長對郵輪碼頭泊位的主要掩護浪向為NW向，對于WNW、W和WSW的來浪掩護效果不明顯。NW向浪作用下，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二時郵輪碼頭泊位處的波高較設計方案分別減小20%和54%，其余三個浪向各方案中波高相差不大；(2)郵輪碼頭為直立式沉箱結構，對波浪的反射作用較大，特別是NW、WNW和W向波浪作用時，波向與碼頭形成一定夾角，設計方案時碼頭前比波高可達1.6，波高較大。

4 碼頭作業(yè)條件分析

針對北側防波堤長度分別為500 m、900 m和1 300 m的情況，依據設計高水位重現(xiàn)期2 a波浪作用下郵輪泊位處(#2、#3、#4點)的H4%計算結果(表5)和A點的波要素(表2)，反算泊位處滿足泊穩(wěn)條件波高時A點處對應的波高值，再依據由工程區(qū)風的年分頻分級情況推算得到碼頭前沿的NW、WNW、W和WSW向波浪分頻分級結果(表6)，對郵輪碼頭在這4個方向的波浪年損失作業(yè)天數(shù)進行統(tǒng)計分析。

該郵輪碼頭泊穩(wěn)標準由設計方提供，其泊穩(wěn)標準為：橫浪H4%≤1.0 m，順浪H4%≤1.2 m。

表6 碼頭前沿NW、WNW、W和WSW向H4%年波浪分頻分級Tab.6 The occurrence percentage of H4% in NW，WNW，W and WSW direction (%)

計算結果為，設計方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的年損失作業(yè)天數(shù)分別為22 d，15 d和3 d。

5 主要結論

青島港郵輪碼頭工程位于膠州灣內，主要受海灣內小風區(qū)風成浪影響，因此根據工程附近團島測站不同重現(xiàn)期風速結果，采用風成浪計算方法推算工程北側防波堤堤頭處波浪條件，進而采用MIKE21的Boussineq模型計算工程泊位處設計波浪條件，并分析了泊穩(wěn)條件，得到以下結論：

(1)擬建郵輪泊位和護岸設計波浪要素的主要控制浪向為WNW向。極端高水位重現(xiàn)期50 aH13%為2.50 m；

(2)考慮郵輪碼頭建設后，北側防波堤的堤長對泊位的掩護作用主要浪向為NW向，對于WNW、W和WSW向來浪的掩護效果不明顯；

(3)郵輪碼頭建設后，北側防波堤長度分別為500 m、900 m和1 300 m時，在設計高水位重現(xiàn)期2 a波浪條件下，NW～WSW4個方向波浪作用時泊位處波高均不能滿足泊穩(wěn)要求，年作業(yè)損失作業(yè)天數(shù)分別為22 d、15 d和3 d；

(4)影響碼頭作業(yè)天數(shù)的主要浪向為NW向，只有當北側防波堤長度為1 300 m時才能使年波浪損失作業(yè)天數(shù)有所減少，但此時防波堤長度的增加會使工程的造價大幅提升。因此，建議在本研究成果的基礎上，進行技術經濟比較來確定北防波堤的長度。

[1] 鄒一波.青島港郵輪碼頭透空式上部結構設計與研究[J].中國港灣建設,2016(6):25-28.

ZOU Y B. Design and study on permeable superstructure of cruise wharf in Qingdao Port[J].China Harbour Engineering,2016(6):25-28.

[2] 許婷.天津港國際郵輪碼頭工程泥沙數(shù)模試驗研究[J].水道港口,2008(2):100-105.

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[3] 劉海源,張慈珩.青島港老港區(qū)郵輪碼頭工程碼頭泊穩(wěn)數(shù)學模型研究報告[R]. 天津:交通部天津水運工程科學研究所，2012.

[4] 欒英妮,劉海源.青島港老港區(qū)郵輪碼頭工程斷面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研究所，2012.

[5] JTS 145-2015,港口與航道水文規(guī)范[S].

[6] 欒英妮,張慈珩,劉針.海南龍棲灣岸灘整治工程波浪數(shù)學模型研究[J].水道港口，2015(6):510-514.

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[7] 欒英妮,劉海源,張華慶.青島港董家口港區(qū)防波堤工程防浪效果研究[J].水道港口，2010(8):266-269.

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[8] 宋善柏.秦皇島港西港區(qū)航道改造工程波浪數(shù)學模型研究[J].水道港口，2006(4):236-240.

SONG S B. Wave mathematical model of waterway improvement project of the west harbor area in Qinhuangdao Harbor[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2006(4):236-240.

[9] 丹麥水力學研究所.MIKE21 User Guider[M].哥本哈根：丹麥水力學研究所，2003.