涌浪影響下的某浮式LNG 接收碼頭港內波浪研究

盧生軍，丁建軍，李少斌

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

與傳統陸上LNG 接收站相比，浮式LNG 接收碼頭具有建造成本低、周期短、選址方便、靈活性高及可重復利用等諸多優點[1]。浮式LNG 接收碼頭的接收終端通常包含一座浮式儲氣裝置 FSU（Floating Storage Unit）和一座再氣化浮平臺FRU（Floating Regasification Unit），而有些會將儲氣和氣化裝置合并建設在一個浮體上，稱為 FSRU（Floating Storage and Regasification Unit）[2]。

由于浮式LNG 接收碼頭是將原本由陸上或者在固定式平臺上操作完成的裝卸作業工藝移到了海上完成，且主要碼頭結構采用浮式，故與傳統陸式接收碼頭相比，其裝卸作業和碼頭結構對港內波浪條件的變化更敏感，因而要求的波浪條件的精度也越高。另一方面，涌浪因周期長、波能大，相較于風浪，其因繞射、透射和反射導致的港內波浪條件也更加惡劣，即在相同外海波浪條件下，涌浪將比風浪產生更大的港內波高及結構波浪力。因此，當需要在涌浪影響海域建設浮式LNG 接收碼頭時，應特別對其港內波浪條件進行專門研究，為碼頭平面布置、船舶系泊和浮體錨碇結構等的設計提供準確的輸入條件參數。

本文依托某位于涌浪海域的浮式LNG 碼頭工程開展的系列波浪數模及物理模型試驗，并結合涌浪及浮式LNG 碼頭的具體特點，對該碼頭的港內波浪進行了分析研究，從而為今后涌浪影響海域的類似浮式LNG 碼頭工程的設計提供一定參考。

1 工程概況

1.1 潮位及設計水位

依托工程位于西非的幾內亞灣海域，根據Admiralty Tide Tables (ATT) (UKHO,2016)[3]提供的潮位信息，工程海域的潮位信息如下表1 所示。

表1 潮位信息

該碼頭工程的設計使用年限為25 年，防波堤設計使用年限為100 年。考慮近岸波浪增水、海平面上升等的影響后，確定用于碼頭設計的高水位和低水位分別為+2.1 mCD 和-0.2 mCD。

1.2 波浪條件

受源自大西洋高緯度地帶的溫帶氣旋長距離傳播過來的波浪影響，工程區域波浪以長周期涌浪為主，但也存在風浪，以及由極端天氣“颮線”風形成的浪。“颮線”是只排列成帶狀的雷暴群，亦稱“不穩定線”或“氣壓涌升線”，是一種范圍較小、生命史較短、氣壓和風的不連續線，屬中尺度天氣系統之一，其寬度由幾百米至幾十公里，過境時間由幾分鐘至2 小時[4]。

1）外海波浪

通過對Oceanweather 公司WANE3（West Africa Normals and Extremes project）模型提供的工程海域1979 年至2016 年的外海波浪后報數據進行的統計分析[5]，得到工程海域波高與周期及波高與波向的分布如圖1 至圖3 所示，其中風浪和涌浪的分離采用二維譜方法[6]。

從圖1 至圖3 可以得出，工程海域外海波浪具有如下明顯特征：

圖1 波高Hs 與周期Tp 散點圖（涌浪）

圖2 波高Hs 與周期Tp 散點圖（風浪）

圖3 波高Hs 與波向散點圖

①工程海域既有風浪又有涌浪，波浪以涌浪為主，波周期Tp分布范圍較大，最大可達20 s；

②涌浪波高Hs一般小于2.5 m，但在波高Hs為1.5 m 時，其周期Tp可達到20 s，周期較長；

③風浪波高Hs一般小于2.0 m，周期Tp小于8 s；

④波浪方向集中于南偏東或偏西10°范圍，即波向為170°至190°。

2）近岸波浪

基于WANE3 模型提供的外海長期波浪連續時間序列數據，采用頻率統計方法得到外海不同重現期的極值波浪要素。然后通過MIKE21-SW 分析模塊[5]，計算得到防波堤堤腳處的近岸設計波浪要素如下表2 所示。由于該海域既有風浪又有涌浪，故同一重現期波高往往對應一個范圍的波周期。

表2 設計波高Hs

1.3 碼頭平面

碼頭位于現有老港已建防波堤口門的南側位置，包含一座永久系泊的FRU 平臺和一艘FSU 儲汽船，用于系靠FSU 及LNG 船的系、靠船墩，固定FRU 的錨樁結構，以及為碼頭提供掩護的780 m長新建防波堤。LNG 船定期將LNG 卸載儲存至FSU，經FRU 進行再氣化后，通過一根海底管線輸送到岸上，用于發電和其他商業用途。碼頭平面布置如圖4 所示。

圖4 碼頭平面布置

1.4 防波堤結構

為給該浮碼頭提供掩護，項目在已有防波堤的堤頭位置處新建了780 m 長防波堤延長段。因工程位置外海波浪方向為正南向（170°至190°），故防波堤軸線采用東西向U 型布置形式，如圖4 所示。

防波堤采用拋石斜坡堤結構，堤心透浪。堤頂高程設置在高水位以上約1.5 倍波高位置+6.3 mCD處，寬度為9.9 m，故堤頂在極端波浪條件下會存在越浪。防波堤前、后坡坡度均為1:1.5，前坡采用2 m3的AccropodeTMII 型護面塊體，而后坡采用2～5 t 護面塊石以節省成本。防波堤典型斷面如圖5 所示。

圖5 防波堤典型斷面示意圖

2 港內波浪數模

采用MIKE21 軟件的BW 模型對防波堤掩護后的港內波浪進行了數值模擬[5]。該BW 模型能夠模擬波浪的折射、繞射、反射、淺水變形及破碎等波浪傳播過程，故其適合于模擬外海波浪向港內的滲透。模型邊界采用完全吸收邊界，即未考慮防波堤的反射、透浪、越浪及港內波浪多次反射疊加對港內波浪的影響。

模型模擬了有效波高Hs=1.0 m，不同波浪周期（Tp=8 s，12 s，16 s，20 s）下港內的波高分布情況。由于工程海域水深大，波高小，水位和波高對港內波浪繞射的影響基本可以忽略，故此時港內波高可認為基本等于其波浪繞射系數。波浪數模分析得到的港內波高（繞射系數）分布如圖6 所示。

圖6 不同周期下的港內波浪繞射系數

從上圖6 可以得出，外海入射波因新建防波堤的阻擋掩護，絕大部分波能因波浪破碎及防波堤的反射而被消耗，最終經繞射進入港內的波能較小，波浪繞射系數最大不超過0.3。另外，從不同波周期下的港內波浪分析結果可知，周期對港內波浪的影響較大，涌浪因波周期長、波能大、繞射能力強，進而導致的港內波高也就越大。

3 港內波浪物模

3.1 防波堤透浪2D 物模試驗

該工程防波堤為拋石斜坡堤結構，堤身透浪。堤頂雖僅在極端波浪條件下會產生越浪，但因與傳統碼頭不同，該浮式LNG 碼頭的FSU 及FRU 為永久系靠，極端波浪條件下無法離港避浪，防波堤堤身透浪及堤頂越浪導致的港內波浪均會對泊穩和浮體結構受力產生較大影響。因此，通過2D 物模試驗，對防波堤的透浪特性進行了專門研究。

試驗在二維波浪水槽內進行，水槽長80 m，寬1 m，高1.5 m，模型布置如圖7 所示。水槽一段安裝推板式造波機，控制系統帶有二次反射主動吸收程序，可消除波浪二次反射的影響。試驗斷面布置在水槽的另一端，在試驗斷面后方FRU 中心、FSU中心及LNG 船中心位置布置有浪高儀，用以測量經防波堤透浪和越浪產生的堤后波高。

圖7 2D 試驗模型布置圖

試驗采用不規則波，波譜為JONSWAP 譜，譜峰升高因子取γ=3.0。試驗波浪組次如下表3 所示。

表3 試驗波浪組次

通過對2D 物模試驗堤后測量波浪數據的分析，得到堤后不同位置處的波浪透浪系數隨周期的變化如圖8 所示。

圖8 堤后透浪系數隨波周期變化

從上圖可以得出，當波浪周期較小時，防波堤堤后透浪較小，而透浪系數隨著波浪周期的增加而幾乎線性增長。

3.2 3D 波浪物模

通過3D 物理模型試驗，對港內波浪做了進一步研究。試驗在一長56 m 寬34 m 的波浪港池中進行，按重力相似準則設計，比尺1:40。模型中共布置了19 根波高儀用于港內和防波堤堤腳處的波浪測量。3D 試驗的波浪組次及波譜同2D 物模試驗。經分析3D 試驗測量的波浪數據，得到不同組次下的港內波高如表4 所示。

表4 港內波高數據

4 試驗結果分析

4.1 水位的影響

通過波浪數模及3D 物理模型試驗模擬得到港內水域的波浪情況，其在高水位+2.1 mCD 和低水位-0.2 mCD 時的港內波浪繞射系數對比如圖9 所示。

圖9 不同水位下港內繞射系數

從上圖可以得出，高、低水位下的波浪繞射系數基本對稱分布于中線兩側，即說明水位對港內波浪繞射系數影響很小，幾乎可以忽略。這一方面是由于本工程高、低水位差較小，為2.3 m。更主要的是因為港內水深較深，超過-15 mCD，而入射波經過繞射之后進入港內的波高較小，不足1 m，此時為深水波情況，港內波浪在高、低水位時均未發生明顯淺水變形和破碎。

4.2 周期的影響

本工程位于涌浪影響海域，為研究長周期涌浪對港內波浪繞射的影響，通過數模及3D 物模結果繪制了港內不同位置處波浪繞射系數隨波周期的變化如圖10 所示。

圖10 繞射系數隨入射波周期變化

從上圖可以明顯的發現波浪繞射系數隨波周期的變化有如下特征：

a.數模及3D 物模結果均表明，港內波浪繞射系數隨著波浪周期的增加而增大，且基本呈線性增加趨勢；

b.當波浪周期較小時（Tp=7 s），港內繞射系數數、物模結果基本相等，但隨著波浪周期的增加，物模結果明顯大于數模，且周期越大，差值越大。

4.3 透浪的影響

由于波浪數模沒考慮防波堤透浪及港內波浪多次反射對港內波高的影響，故從圖10 可以明顯看出，數模中的港內波浪繞射系數明顯小于物模結果。在忽略波浪方向及相位的影響后，通過簡單的波能平衡原理，將2D 物模測量得到的防波堤透浪與數模繞射波浪合并以考慮防波堤透浪的影響后，得到修正后的數模結果如圖11 所示。

圖11 修正后的數模結果

從上圖可以得出，在考慮防波堤透浪的影響后，港內波浪繞射系數有了明顯增加，比較靠近物模結果，但仍還有一定偏差，這是由于數模中沒有考慮港內波浪多次反射后導致的波能聚集，而本項目的波浪又以涌浪為主，長周期涌浪在港內的多次反射和共振現象導致的波能聚集明顯。

5 結語

依托某在建浮式LNG 碼頭工程的波浪數模及物理模型試驗，對涌浪影響海域的港內波浪進行了研究，結果表明：

1）防波堤透浪對港內波高有明顯影響，周期越長透浪越大，對港內波浪影響也越大。故在評估長周期涌浪影響下的港內波浪時，不宜直接忽略防波堤透浪的影響。

2）波浪周期對港內波浪有顯著影響，港內波高隨著波浪周期的增加而增大，且呈線性增加趨勢。

3）長周期涌浪透射及反射能力較強，一般波浪數模由于不能真實模擬防波堤透浪及港內多次反射導致的波能聚集現象，故分析得到的港內波高結果偏小，這對于浮式LNG 碼頭需特別注意，因其對港內波高的變化十分敏感，波高的微小增加將會導致浮體所受波浪力及運動量的顯著增大。此時，建議通過3D 波浪物理模型試驗對港內波浪做更準確評估。