不同口門形式在防波堤工程中的應用研究

趙軍

（天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456)

防波堤作為沿海港口的重要組成部分，兼具防浪、防沙和防止冰凌入侵的功能。港區防波堤布置的合理與否決定了港內水域的平穩程度，直接影響著港內船舶的停泊、作業和航行狀態。針對防波堤的平面布置方案及相應的港內水域狀態，國內外許多學者如張俊健[1]、曲紅玲[2]、阮程針[3]等都進行了大量的研究，并得出了相關結論為港區防波堤設計提供參考。為研究防波堤口門布置形式對港內水域的掩護狀態，本文通過改變防波堤軸線走向提出三種不同的口門布置方案，通過數值模擬對比不同方案港內波高分布狀態，從而研究分析三種方案防浪效果，為防波堤口門布置提供科學依據。

1 口門布置方案

口門是防波堤堤頭之間船舶出入口。口門既要方便船舶航行，又要盡量減少進港的波能。本文提出了環抱形（圖1a）、八字形（圖1b）、一字形（圖1c）三種口門形式進行研究。

1.1 環抱形口門布置形式

環抱形口門布置如（圖1a），A 段長2000m，B 段長685m，C 段長684m，D 段長2361m，口門寬1000m。防波堤結構形式為斜坡式結構。

1.2 八字形口門布置形式

八字形口門布置如（圖1b），A 段長2531m，B 段長2886m，口門寬1000m。防波堤結構形式為斜坡式結構。

圖1 口門布置形式（單位：m）

1.3 一字形口門布置形式

一字形口門布置如（圖1c），A 段長500m，B 段長500m，口門寬1000m。防波堤結構形式為斜坡式結構。

2 數值模型試驗研究

2.1 基礎資料

數學模型試驗考慮波浪從口門正向入射，波浪要素見表1。

表1 防波堤口門處重現期波要素

2.2 波浪數學模型計算方法及方程

港內波浪計算采用Boussinesq 方程模擬外海傳入到港內的波浪。

2.2.1 數學模型計算方程

x 方向的動量守恒方程：

y 方向的動量守恒方程：

上述計算式中的相關參數：

上述方程中：P 和Q 分別為x、y 方向的水流速沿水深方向的積分結果；Fx 和Fy 分為x、y 方向主應力；d 為靜止水面深度；為行進波的波面計算高度；h 為總計算水深h=d+；B 為修正系數；α、β 分別為層流、紊流相對應得阻力系數；腳標（*t、*x、*y）表示相應物理量（*）所對應的時間、x 方向和y 方向的偏導數。

上述計算式中vt為渦流在水平方向的行進速度，Rxx、Rxy和Ryy表示水體由于速度不均所引起的剩余動量。

2.2.2 數學模型計算方法

本次研究所采用的數值方法是由Abbott 等（1978）人研究并推廣到短波計算模擬領域的基于SYSTEM 21結構一種計算方法，Madsen 等（1991）及Madsen &Srensen（1992）隨后對這一結構進行了進一步的研究及發展。

本研究采用矩形交替網格進行空間離散的差分方程。此方法中網格結點用于定義水面高程等標量，網格線中點用于定義相應方向的流量分量。中心格式用作除對流項以外的空間導數的有限差分近似值，時間的中心隱式格式用作時間積分，即Boussinesq 方程采用的算法是非迭代交替方向的隱式（ADI）算法分步計算。

2.3 數學模型計算結果

利用BW 波浪數學模型，對各種口門布置形式下港內繞射波浪場進行模擬。環抱形口門布置形式模擬結果顯示口門比波高在0.4～0.6；港池比波高在0.05～0.3；八字形口門布置形式模擬結果顯示口門比波高在0.6～0.8；港池比波高在0.05～0.4；一字形口門布置形式模擬結果顯示口門比波高在0.4～0.8；港池比波高在0.05～0.6。各種口門形式下港內比波高分布見圖2。

圖2 為各種口門形式下港內比波高分布圖

通過BW 數學模型實驗，環抱形口門布置形式港池內最大H13%波高為0.55m；八字形口門布置形式港池內最大H13%波高為0.56m；一字形口門布置形式港池內最大H13%波高為1.04m。

3 結論

防波堤的平面布置是決定港區運營安全和成本的重要因素之一。本文通過對比環抱形、八字形、一字形三種口門形式，綜合分析不同波高分布，可知環抱形口門布置形式防浪效果最好，八字形次之，一字形最差。