臺風作用下浮箱碼頭波浪數值模擬與受力研究

劉千盛, 吳 楠

(1.山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺 264000；2.中交一航局第三工程有限公司,遼寧 大連 116083)

0 引 言

201909號臺風“利奇馬”是2019年西北太平洋生成的最強臺風,是2019年登陸我國的最強臺風,列新中國成立以來登陸華東地區的第3強臺風，先后影響福建、浙江、上海、江蘇、安徽、山東、河北、天津、北京、遼寧、吉林、黑龍江等十幾個省份。臺風“利奇馬”于8月10日在浙江省登陸,又于8月11日20時50分許在山東省青島市黃島區沿海再次登陸,此后移入渤海海面。

某游艇碼頭位于煙臺芝罘灣港區港池內,為浮箱式碼頭,受北防波堤掩護。受臺風“利奇馬”影響,游艇碼頭浮橋主橋、支橋、連接鐵鏈斷裂。

圖1 碼頭平面布置圖

1 利奇馬臺風過程復演

利奇馬臺風過程復演采用SWAN模型。該模型采用動譜平衡方程描述風浪生成及其在近岸區的演化過程,模型以動譜密度為未知變量,并考慮由地形及水流引起的淺水和折射效應,風成浪,白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰減,波-波相互作用,適用于深水、過渡水深和淺水情形,目前已被廣泛應用于河口、港口工程等的海浪模擬。

在直角坐標系下,SWAN 模型的控制方程為采用波作用密度譜N(σ,θ)來表示的波作用守恒方程。波作用密度譜N(σ,θ)與波能譜密度E(σ,θ)的關系為:

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

波作用密直角方程為:

(2)

Cx、Cy、Cσ采用線性波理論計算:

(3)

(4)

(5)

(6)

計算網格囊括整個渤海灣范圍,總共由23 374個節點、12 477個三角網格組成,最大單元尺寸為20 km,最小單元尺寸為10 m,采用局部網格加密。

建立臺風全過程風浪模型,計算范圍網格包括整個渤海灣,如圖2所示,并在煙臺芝罘灣位置加密。

圖2 計算網格

依據歐洲中長期(ECMWF)發布的風速后報數據資料,建立臺風過境期間大范圍的空間風場。風場由u、v兩個方向的風速矢量疊加,高度為海平面以上10 m。由建立的臺風場驅動波浪模型,對工程海域臺風及風浪過程進行復演。時間選取2019年8月9日12時至2019年8月14日0時。

利用臺風過境時波浪要素實測值對模型數值模擬的結果進行驗證分析。結果表明數值模擬得到的波要素與實測值擬合較為良好,趨勢一致,模型參數可以用于該研究中外海波浪數值模擬計算。

利用上述計算結果,提取工程位置口門外側-8 m等深線的波要素。最大波高發生的時間為2019年8月11日17時。

此時海域風速及波高分布圖如圖3所示。

表1 工程區口門外側(-8m)波浪要素

圖3 2019年8月11日17時風場及有效波高分布圖

2 港內波浪要素計算

使用上述模型推算得-8 m等深線波要素作為港池波浪數學模型的計算邊界。港池波浪計算采用丹麥DHI開發的MIKE21軟件中的BW模塊。

Boussinesq波浪數學模型的基本方程為沿水深積分的平面二維方程,其方程為:

St+Px+Qy=0

(7)

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

按實際的結構物形式，考慮防波堤、碼頭等已有建筑物的反射作用,自然岸線采用部分反射,防波堤及碼頭均為直立式,采用完全反射。計算水位為臺風過境實時水位。泊位計算點H13%波高見表2,E向波高分布圖如圖4所示。波浪從防波堤南側口門入射,經港池北側反射到游艇碼頭處,在E向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為1.11 m。在ENE向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為0.97 m。

表2 碼頭破壞處測點波浪要素

圖4 E向浪入射時H13%分布圖

3 浮箱結構受力計算

受臺風“利奇馬”引起的風浪作用下,太平灣浮箱碼頭部分結構受到損壞。為計算破壞力大小,采用FLOW 3D軟件對浮箱受力過程進行模擬,對單個浮箱所受的波浪力及在體坐標系下的繞X軸、Y軸和Z軸的扭矩進行分析。模擬所用波浪條件為上述數值模擬計算結果。

利用上述推算出的波浪數據,輸入到FLOW 3D軟件進行數值模擬計算,得浮箱在1.11 m有效波高下,主要在垂直方向運動,沿平面方向運動幅度較小,所受水平方向合力最大值為102.79 kN,豎向合力最大值為250.55 kN;浮箱所受最大扭矩74.17 kN·m,繞Z軸方向。

由于本次模擬取單個浮箱作為研究對象,模擬其在波浪作用下的運動狀態,但根據浮箱碼頭的受損情況來看,還是應該進行整體的模擬分析,從而得到比較準確的結果。因此,在后續研究中,還需對浮箱碼頭在波浪作用下的整體運動情況進行研究,為設計人員后期設計修復加固方案提供較可靠的依據。

4 結 論

(1) 考慮波浪折射、底部損耗、波浪破碎,通過SWAN風浪模型計算2019年“利奇馬”臺風過境時工程區口門外-8 m等深線的波浪要素,結果表明臺風過程中最大H13%E向為2.27 m,ENE向為2.39 m。

(2) 依據口門外設計波要素,采用MIKE21-BW模型,進行了港內水域波浪折射、繞射、及反射聯合計算,得出港內計算點波浪要素結果,工程點H13%E向為1.11 m,ENE向為0.97 m。

(3) 根據上述波浪數值模擬結果,采用FLOW 3D軟件進行浮箱受力模擬,浮箱最大水平受力為102.79 kN;最大扭矩為74.17 kN·m,方向為繞Z軸方向。