淺析綏中港區碼頭泊穩條件問題的改善措施

唐國明 高峰 劉洋 王越 劉針 張慈珩

摘 要：碼頭泊穩條件是決定港口設計成功與否和正常運行的關鍵因素之一，防波堤掩護條件以及口門位置、朝向的布置對港內波浪傳播規律起著至關重要的作用。本次研究針對綏中港現狀布置條件下存在的泊穩問題以及改善措施布置方案，進行了波浪整體物理模型試驗，給出了優化建議，對下一步方案實施提供了理論支持和科學依據。結果表明，港內由于現階段全掩護布局尚未形成，導致港區缺乏對SSW～SE向的有效掩護，波浪可直接作用至已建碼頭，導致損失作業天數增多，是現場泊穩條件較差的主要原因。二期104#和105#碼頭建設后，港內波況將進一步惡化，因此對西大堤進行延長、東圍堰延長及口門臨時堤的建設可以有效降低港內波高，并結合港池夾角區局部開孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波況，減少損失作業天數，提高泊穩條件。

關鍵詞：波浪;泊穩條件;平面布置;波能集中

中圖分類號：U617.9? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0071-04

新一輪東北振興戰略為遼寧沿海港口建設創造了全新的機遇，作為錦州港和營口港的補充[1]，葫蘆島港綏中港區位于遼寧省綏中縣葫蘆島市的南部遼東灣，西鄰秦皇島港，東臨葫蘆島港。綏中港區是葫蘆島港近期重點開發的港區，是遼寧沿海港口群的重要組成部分，是遼寧沿海經濟帶持續、協調發展的重要保障之一，也是地方經濟和臨港工業的重要支撐[2][3]。按照設計方案（如圖1所示），港區由東、西防波堤環抱而成，東、西防波堤堤頭在-13.5m等深線附近形成口門[4]。（圖片附后）

目前，已建成的項目有直立式碼頭，東、西圍堰和外海側部分西堤，現狀布置如圖1所示。隨著開港后港區生產的順利開展，到港船舶數量日益增多。根據現場調研與勘察，工程區已建西圍堰內外側均有不同程度的破壞，由于面向外海開敞式布局，現有西南側大堤由于未能按照設計方案實施其掩護范圍有限，同時港內已有#101～#103泊位處波浪條件較為復雜，影響船舶停泊與作業條件。據業主反映，碼頭泊穩條件較差。考慮到現場平面布置的完成現狀，以及泊位泊穩條件的要求和港區水域波浪條件，平面布置對港內泊穩條件產生至關重要的影響，因此，需對港區目前泊穩條件不佳的原因以及后期建設改善措施進行研究。

1 主要問題和研究思路

1.1主要研究問題

港區原設計方案將由東、西防波堤環抱而成，但實際施工完成情況目前僅建成西側防波堤的一部分，且港池現有布局存在凹角波能集中等情況，同時沿堤流和波浪又對堤身結構穩定性產生一定影響。基于上述幾方面原因，導致港區實際上為半開敞布置，其泊位受防波堤的掩護效果較差，泊穩條件不佳，同時部分波能集中區堤防還有破壞現象。

1.2 主要研究思路

本次研究的主要思路是通過波浪整體物理模型試驗模擬港區進出港航道、口門布置對港內泊穩條件、波浪變化的影響及口門處波浪變形情況，并根據模型試驗結果提出分析意見、對口門寬度提出合理化優化方案。試驗需分析現狀情況泊穩條件差的原因，并考慮二期碼頭（104#和105#碼頭）建設后，碼頭前泊穩條件分析及改善措施。

根據物理模型試驗，分析現狀情況下碼頭泊穩條件差和西圍堰破壞的主要原因，并得到擬建碼頭和防波堤位置處波要素。根據規劃對不同工況下港內碼頭前的波高分布情況進行研究，根據初始工況試驗結果，與業主和設計院溝通后對工況進行優化，為工程的后續建設提供研究依據。

2 研究依據

2.1 計算水位（當地理論最低潮面起算，設計院提供）

設計高水位? 1.88m;

極端高水位? 2.88m;

2.2風浪資料

2016年7月～2017年7月中交一航院在工程區進行了風和波浪的同步觀測，波浪觀測點40°02.766′N，東經：120°08.571′E，水深-13.5m，風測站位置：40°04.6′N，120°07.3′E。根據分頻分級統計，波玫瑰與風玫瑰見圖2所示。工程區常浪向為SSW向，頻率為20.92%，次常浪向為S向，頻率為18.73%，強浪向為SE向和SSE向，觀測到的十分之一大波為3.1m。工程區常風向為SW向，頻率為15.22%，次常風向為SSW向，頻率為13.94%，強風向為SW向，觀測到的最大風速為18m/s。

2.3 試驗波要素

從實測風浪資料來看，工程區主要受SE、SSE、S、SSW和SW向浪的影響，五個方向發生的頻率總和為67.72%。所以物理模型的試驗方向選取SE-S-SW向。防波堤外側-13.5m等深線波要素見表3.3，1.2m、0.6m和 0.3m泊穩條件時13.5m等深線波要素見表1，依據資料均由一航院提供。

2.4 試驗工況

根據現狀的模擬與分析，提供泊穩條件改善措施的優化方案，共計行了12種平面布置工況的試驗對比，結合試驗效果選取其中比較典型的三種改善措施方案布置進行分析，方案描述如下：

（1）現狀布置（如圖1）：包括港區目前已有布局和主要設施，用于驗證目前泊位處泊穩條件，并找出導致泊穩不佳的原因，基于此工況提出優化改建措施;

（2）改善方案布置1：針對現狀優化方案，即在港區已建設施基礎上，為改善現有泊位的泊穩條件，將東圍堰延長至1100m位置，將目前未完成的西大堤延長50m并拐向主航道附近（增加480m），如圖3-a;

（3）改善方案布置2：西大堤維持現狀，但在目前海域已批復范圍內完成已規劃的西側104#-105#碼頭，為加強防護將東圍堰頭向西（港池方向）修建臨時防波堤289m，同時設置3座躉船（長62m×型寬8m×型深3m），作為口門區設置臨時防波堤，用于加強口門防浪能力，平面布置詳見如圖3-b所示;

（4）改善方案布置3：考慮到104#-105#碼頭的影響，為進一步減弱入射波強度，采用改善布置1中西大堤延長50m并拐向主航道的布置方案，并在東南側水域的原規劃方案位置建設1100m島式堤，同時東圍堰向西延長部分（即臨時防波堤）軸線向南偏轉，為保證掩護范圍長度改為325m，新建104#和105#碼頭沉箱改為開孔布置，平面布置詳見如圖3-c所示。

3 物理模型試驗研究

3.1? 模型概述

試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所波浪港池中進行。港池長75m，寬42m，深1.5m。港池中配備有2臺25m/臺可移動式不規則造波機，分別對SE、SSE、S和SSW向波浪進行模擬。根據試驗技術要求，結合試驗場地及設備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為80，亦即波高比尺為80，周期比尺為8.94。模型布置如圖4所示，模型中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。

試驗波浪采用單向不規則波。不規則波采用頻譜模擬，根據試驗要求采用JONSWAP譜，其解析式為：

S（? ）=? ? ? H? ?T? ? ? ? ?exp? ? ? ? ? ? ? ? ?×

式中：? ? =

其中：

r為譜峰因子，試驗取3.3，fp是峰頻，為譜峰頻周期TP的倒數，S（f）為譜密度，H1/3為有效波高，f為頻率，? ?為平均周期。

3.2? 試驗結果與分析

3.2.1 現狀泊穩不佳原因

波浪重現期2年一遇條件下，S向浪作用時已建碼頭東側可受來浪直接作用，最大波高可達2.66m;SSE向浪作用時已建碼頭仍可受來浪直接作用，波高最大為3.11m;SE向浪作用重現期2年104#和105#碼頭未開孔時，工況1西側圍堰內側H4%在2.64m～3.24m，已建碼頭前受東側圍堰的掩護作用大部分波高小于2.0m;SSW向經外海導堤繞射進入港內，受海側已建海堤的掩護，經繞射進入港內的波高較小，設計高水位重現期2年，現狀工況1，已建碼頭前波高最大為1.11m，104#和105#碼頭前最大波高為0.26m;考慮小風區風成浪后，已建碼頭前波高最大為1.41m;SW向浪作用下，受海側已建海堤的掩護較SSW向進一步增強，經繞射進入港內的波高較小，設計高水位重現期2年，現狀工況1，已建碼頭前波高最大為0.25m。

已建碼頭是5000噸級，按照《海港平面設計規范》中規定5000噸級碼頭在橫浪下的作業條件標準按照是0.6m，基于2016年7月至2017年7月歷時一年工程海域實測波浪資料分析出的年波浪分頻分級，對不同浪向不同工況下年損失作業天數進行了分析，得到現狀情況下，已建碼頭年損失作業天數最多為接近70天，這與現場泊穩條件的實際情況基本一致。同時，由于SE向浪可直接作用到西圍堰內側，是西圍堰結構破壞的主要原因（如圖5所示）。由于工程區常浪向和次常浪向為SSW和S向，已建碼頭東側受S和SSW向浪作用年損失作業天數較多，是現場泊穩條件較差的主要原因。

3.2.2 改善方案對比分析

由于偏SW向在西大堤掩護下，整體防護效果相對較好，因此改善方案主要在S、SSW、SE和SSE四個浪向作用下進行：

（1）改善方案布置1，針對現狀條件，已有海側西大堤的延長對港內有掩護作用，已建碼頭年損失作業天數最多為15天，與現狀布置相比改善效果顯著;

（2）改善方案布置2，104#105#碼頭建設后，由于直立結構的反射疊加和夾角處的波能集中影響，港內波況進一步惡化，通過東圍堰延長形成臨時堤以及系泊躉船的掩護，年損失作業天數最多為56天，其中現有泊位的東側各碼頭波高仍舊較大，泊穩條件改善有限;

（3）改善方案布置3，布置形式綜合考慮了來自各個主要影響浪向的入射波傳播影響，延長已有防波堤、布置臨時堤以及離岸堤共同形成防護，可以有效阻擋來浪能量，降低港內水域波高的情況下改善泊穩條件，同時，104#和105#泊位的碼頭沉箱采用局部開孔布置可以有效抑制夾角波能集中導致的波高增加，已建碼頭前年損失的作業天數由降為12天，改善效果明顯，且104#、105#泊位處也得到有效控制。

4 結語

碼頭泊穩條件是決定港口設計成功與否和正常運行的關鍵因素之一，防波堤掩護條件以及口門位置、朝向的布置對港內波浪傳播規律起著至關重要的作用。本次研究針對綏中港現狀布置條件下存在的泊穩問題以及改善措施布置方案，進行了波浪整體物理模型試驗，給出了優化建議，對下一步方案實施提供了理論支持和科學依據。結果表明，港內由于現階段全掩護布局尚未形成，導致港區缺乏對SSW～SE向的有效掩護，波浪可直接作用至已建碼頭，導致損失作業天數增多，是現場泊穩條件較差的主要原因。二期104#和105#碼頭建設后，港內波況將進一步惡化，因此對西大堤進行延長、東圍堰延長及口門臨時堤的建設可以有效降低港內波高，并結合港池夾角區局部開孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波況，減少損失作業天數，提高泊穩條件。

參考文獻：

[1] 周寶剛，江珊，張麗鳳 等.遼寧沿海港口與區域經濟互動發展影響研究[J].水道港口.2019（8）：484-490.

[2] 王學詩，吳明臻. 葫蘆島港綏中港區口門寬度優化研究[J]. 港工技術. 2018（4）.242：20-23.

[3] 齊志光.影響綏中港船舶通航安全因素及應對措施[J]. 中國水運. 2018（3）：69-71.

[4] 劉鑫煜，陸寬，王登婷. 葫蘆島港綏中港區西防波堤工程結構穩定性的研究[J]. 中國水運.2016（8）：268-271.

基金編號：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（TKS180402）