非平整港池的多向不規則波試驗研究

張海明 ，陶愛峰 *，嚴士常 ，楊越

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點試驗室，江蘇 南京 210024；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210024）

0 引言

針對波浪問題，目前國內外學者研究較多的是規則波問題，對于不規則波尤其是多向不規則波的研究較少。在20 世紀60 年代，Cartwright[1]便提出海浪具有復雜性和隨機性。之后，不規則波浪的變形及作用成為研究熱點。在20 世紀90 年代，我國為確定廣東大亞灣港口布置合理方案，首次采用多向不規則波進行整體模型試驗研究[2]。近幾十年來，國內外學者采用數學模型、物理模型或者兩者相結合的方式對不規則波浪的變形及傳播進行研究，并強調波浪不規則性對涉海工程設計的重要性。參考文獻[3-7]針對不規則波傳播變形用數學模型方法探究。波浪傳播采用數值模擬雖然具有簡單高效、成本較低等優點，但是物理模型試驗更具有直觀性和可信性。參考文獻[8-10]借助防波堤物理模型試驗，探究不規則波作用下水動力特性問題。吳月勇等[9]利用港池試驗探究不規則波浪條件下掩蔽區域測點波高隨波向、譜峰周期的變化規律，但并未從掩蔽區域測點比波高分布圖的角度去分析。

考慮到前人研究的不足之處，本文通過某港區物理模型試驗，分析組合式拋石防波堤所形成的掩蔽區域比波高與水深、波周期之間的變化規律，研究結果可為日后研究不同水深、不同波周期波浪條件下最大比波高發生位置提供參考，具有工程實用價值。

1 試驗概況

1.1 物理模型

本次試驗是關于某港口防波堤穩定性三維物理模型試驗，在浙江大學舟山校區港工館的波-流動床渾水港池內進行，港池長70 m，寬40 m，深1.5 m，最大試驗水深1.0 m，配備34 m×56 m 的L 形造波機。港池周邊布置有多層消浪柵，用以減少波浪反射。按照中交第四航務工程勘察設計院提供的防波堤布置圖紙，采用1∶39.5 的長度比例，在港池內修建地形以反映真實水深情況。如圖1 所示，港池內地形等深線從-17.5 m 變化到-14.5 m，模型中的地形從-19 m 等深線開始模擬，并延伸至港池末端。地形制作采用斷面板法，允許誤差±1 mm。

圖1 組合式防波堤平面布置圖Fig.1 The layout of composite rubble mound breakwater

1.2 波浪條件

多向不規則波采用頻譜為JONSWAP 譜，其中，控制JONSWAP 譜峰尖度的峰升因子γ=3.0。多向不規則波方向譜函數S（f，β）可表示為頻譜S（f）和方向分布函數 G（f，β）的乘積：

式中：f、β分別為頻率、角度參量；A 為方向分布函數系數；n 為方向分布參數，n 越小代表波浪能量的方向分布寬度越寬，波浪多向性越強；θ為隨機波浪的方向；θ0為入射波浪的主方向。在本次模型試驗中n 取4，對應的方向分布角度為19°，即|θ-θ0|max=19°。

為了試驗減少誤差，每組波浪條件進行2 次試驗。試驗采用LG1 型電容式波高儀和DJ800 型多功能監測系統收集測點波高數據，統計發現2次波高數據相差不大，取2 次數據均值作為該組波浪條件的有效波高。物理模型主要研究由2 道圓形堤頭拋石防波堤形成掩蔽區域，如圖1 所示，其中各點為波高儀測點位置。港池區域總共布置13 個測點：口門附近布置K 點，掩蔽區域內布置12 個測點分別用字母W、C、E 和數字1~4 組合來表示，W、C、E 表示含義是相對于口門位置K 點的西側、中間、東側。

試驗采用的波浪條件為丹麥DHI 公司通過其自主開發的Mike 21 計算得到。實驗設置6 組波浪條件，均采用多向不規則波。為探究不同水深h 和不同波周期TP對掩蔽區域比波高的影響，保證6 組波浪條件的有效波高H0和波向Dir 不變，統一設置 H0=3.03 m，Dir=170°N。170°N 指的是海圖方位角，正北向為0°N，沿順時針方向旋轉，正東向為90°N，正南向為180°N，正西向為270°N。170°N 波向與正北向 0°N 的夾角為 10°N。在研究波浪經口門進入掩蔽區域過程中，波高變化采用K 測點的設計波浪要素作為計算掩蔽區域各點比波高的依據。

2 掩蔽區域測點比波高變化規律分析

為探究掩蔽區域測點比波高定點變化規律，對6 組波浪條件下12 個測點波高數據進行分析。通過掩蔽區域測點比波高分布圖，分析組合式防波堤形成掩蔽區域在不同的波周期TP和不同水深h 作用下比波高變化。

6 組波浪條件所對應的掩蔽區域測點比波高分布圖如圖2 所示。

圖2 掩蔽區域測點比波高分布圖Fig.2 The distribution maps of wave height ratio of the measured points in the sheltered area

由圖2（a）可知，當 h=17.1 m 、TP=7 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.086~0.178，最大比波高出現在口門E1 附近，測點比波高呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門偏北方向；由圖2（b）可知，當h=17.1 m、TP=12 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.185~0.284，最大比波高出現在口門E1 附近，同時掩蔽區域中心C1 附近出現比波高的極大值，出現口門與掩蔽區域中心處測點比波高均較大的現象，同時測點比波高整體呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門中心處；由圖2（c）可知，當 h=17.1 m 、TP=16 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.287~0.429，最大比波高出現在口門E4 附近，C4~E4 范圍內測點比波高整體偏大，測點比波高整體呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門偏南方向。

結合圖2（a）~圖2（c），在 H0=3.03 m 和 h=17.1 m 不變條件下，從 TP=7 s、12 s、16 s 掩蔽區域測點比波高分布范圍可以發現，在其他波浪條件相同時，掩蔽區域測點比波高隨著波周期TP的增大呈明顯的增大趨勢。同時可以發現，最大比波高位置在口門的位置會隨著波周期TP增大而向南偏移，當TP=12 s、16 s 時，整體來看口門和掩蔽區域中心處的比波高均較大。

由圖2（d）可知，當 h=14.8 m、TP=7 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.102~0.168，最大比波高出現在口門E1 附近，測點比波高呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門偏北方向；由圖2（e）可知，當h=14.8 m、TP=12 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.172~0.327，最大比波高出現在口門E2 附近，同時掩蔽區域中心C2 附近出現比波高的極大值，出現口門與掩蔽區域中心處測點比波高均較大的現象，同時測點比波高整體呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門中心處；由圖2（f）可知，當 h=14.8 m、TP=16 s 時，掩蔽區域測點比波高分布范圍是0.254~0.426，最大比波高出現在口門E4 附近，C4~E4 范圍內測點比波高整體偏大，測點比波高整體呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門偏南方向。

結合圖2（e）~圖2（f）在 H0=3.03 m 和 h=14.8 m 不變條件下，從TP=7 s、12 s、16 s 掩蔽區域測點比波高分布范圍可以發現，在其他波浪條件相同時，掩蔽區域測點比波高隨著波周期TP的增大呈明顯的增大趨勢。同時可以發現，最大比波高位置在口門的位置會隨著波周期TP增大而向南偏移，當TP=12 s、16 s 時，整體來看口門和掩蔽區域中心處的比波高均較大。對比圖2（a）~圖2（c）與圖2（e）~圖2（f）的掩蔽區域測點比波高分布圖，可以發現h 變化對相同TP的掩蔽區域測點比波高的最大值和最小值有影響，但不同h 下掩蔽區域測點比波高變化趨勢基本一致。

由圖2（a）與圖2（d）可知，當 TP=7 s 時，在不同水深條件下h=17.1 m、 14.8 m，掩蔽區域內測點比波高分布范圍比較接近，掩蔽區域測點比波高分布圖也很相似。當h=14.8 m 時最小比波高在W1 測點為0.102，而h=17.1 m 時最小比波高在W4 測點為0.086，可知最小比波高位置都處于W 測點附近，但在h 較小時最小比波高偏大。當h=14.8 m 時最大比波高在E1 測點為0.168，而h=17.1 m 時最大比波高在E1 測點為0.178，可知最大比波高位置都處于口門偏北附近，但在h 較大時最大比波高偏大。

由圖2（b）與圖2（e）可知，當 TP=12 s 時，在不同水深條件下h=17.1 m、14.8 m，掩蔽區域內測點比波高分布范圍差距較大，掩蔽區域測點比波高分布圖也很相似。當h=14.8 m 時最小比波高在W 測點為0.172，而h=17.1 m 時最小比波高在W4 測點為0.185，可知最小比波高位置都處于W測點附近，但在h 較大時最小比波高偏大。當h=14.8 m 時最大比波高在E2 測點為0.327，而h=17.1 m 時最大比波高在E1 測點為0.284，可知最大比波高位置都處于口門附近，但在h 較小時最大比波高偏大。

由圖2（c）與圖2（f）可知，當 TP=16 s 時，在不同水深條件下h=17.1 m、 14.8 m，掩蔽區域內測點比波高分布范圍差距較大。當h=14.8 m 時最小比波高在W3 測點為0.254，而h=17.1 m 時最小比波高在W3 測點為0.287，可知最小比波高位置都處于W 測點附近，但在h 較大時最小比波高偏大。當h=14.8 m 時最大比波高在E4 測點為0.426，而h=17.1 m 時最大比波高在E4 測點為0.429，可知最大比波高位置都處于口門偏南附近，兩種水深條件下最大比波高基本一致。

3 結論與展望

在非平整港池的多向不規則波作用下，分析掩蔽區域內測點比波高變化規律。分析6 組波浪條件所對應的掩蔽區域測點比波高分布圖，得到以下結論：

1） 6 組波浪條件所對應的測點比波高整體呈現從口門到掩蔽區域逐漸減小趨勢，最大比波高位置在口門附近；

2） 當 TP=7 s、12 s、16 s 時，不同 h 所對應的掩蔽區域測點比波高分布圖的變化趨勢基本一致，最大比波高位置分別在口門偏北方向、口門中心處、口門偏南方向，整體呈現隨TP增大而向口門南方偏移趨勢；

3）當TP=12 s、16 s 時，不同h 所對應的掩蔽區域測點比波高整體呈現口門和掩蔽區域中心處的比波高均較大趨勢；

4）當TP=12 s、16 s 時，不同h 所對應的最大和最小比波高基本呈現在h=17.1 m 時最小比波高偏大、最大比波高偏小，而在h=14.8 m 時最小比波高偏小、最大比波高偏大的變化規律；

5） 當h=14.8 m、17.1 m 時，掩蔽區域內同一測點比波高呈現隨TP增大而增大趨勢。由于非平整港池內的波浪動力條件復雜，存在波浪繞射、反射、折射、淺水變形的影響，不同測點位置的比波高的影響因素有待進一步探究。