大型港區(qū)港內(nèi)波浪條件分析研究

白 靜 ，王朝輝 ，劉海源，劉 針

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

隨著我國(guó)港口建設(shè)的大型化，許多港口規(guī)劃設(shè)計(jì)的防波堤口門(mén)至港區(qū)末端泊位的距離在1 km以上。在對(duì)港區(qū)泊穩(wěn)條件進(jìn)行分析時(shí)，除了考慮從口門(mén)處傳入港區(qū)的外海波浪以及防波堤產(chǎn)生的繞射浪以外，還應(yīng)考慮防波堤越浪產(chǎn)生的堤后次生波以及港內(nèi)小風(fēng)區(qū)成浪的影響［1］。將這些影響因素的波高進(jìn)行疊加，得到港內(nèi)碼頭各泊位的波浪條件，對(duì)碼頭的安全設(shè)計(jì)有重要意義。

本文以某港口為例［2］，通過(guò)波浪整體物理模型試驗(yàn)，研究考慮防波堤越浪、從口門(mén)傳入的外海波浪及防波堤繞射產(chǎn)生的波浪，得到港內(nèi)碼頭各泊位處的波高，再通過(guò)局部風(fēng)成浪計(jì)算，得到各泊位前風(fēng)成浪波高，然后將物理模型試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)成浪計(jì)算結(jié)果合成，得到各泊位處的波浪條件，并依此對(duì)港內(nèi)波浪條件進(jìn)行分析。

1 工程概況

本工程防波堤屬于雙堤環(huán)抱的掩護(hù)形式，分為東防波堤和西防波堤，東防波堤總長(zhǎng)約5 200 m，西防波堤總長(zhǎng)約1 720 m，口門(mén)寬度580 m，堤頭為直立式結(jié)構(gòu)，堤身為斜坡式結(jié)構(gòu)。港內(nèi)碼頭均為直立實(shí)體結(jié)構(gòu)，包含散貨碼頭、通用雜貨碼頭及集裝箱碼頭?？陂T(mén)距離港區(qū)北端的順岸碼頭-1約4 300 m，距離散貨碼頭二區(qū)約 1 400 m（圖 1）。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Layout of project

2 物理模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

波浪整體物理模型試驗(yàn)遵循交通部《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ/T234-2001），模型采用定床、正態(tài)，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型長(zhǎng)度比尺為100。根據(jù)比尺關(guān)系公式確定水深和波高比尺均為100，周期比尺為10。模型實(shí)際占地長(zhǎng)81 m，寬42 m，包括東、西防波堤、港內(nèi)各散貨碼頭和集裝箱碼頭、整個(gè)港池和主航道等水域。模型中防波堤及各碼頭結(jié)構(gòu)采用混凝土塊模擬，防波堤護(hù)面塊體按照其坡度鋪設(shè)相應(yīng)重量石塊［3］，同時(shí)使其反射率相似。地形采用樁點(diǎn)法復(fù)制，高程用水準(zhǔn)儀控制。試驗(yàn)設(shè)備主要包括不規(guī)則搖板式造波機(jī)和TK2008型動(dòng)態(tài)波高測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)水位包括極端高水位+5.91 m，設(shè)計(jì)高水位+4.71 m，設(shè)計(jì)低水位+0.67 m。試驗(yàn)波向根據(jù)工程實(shí)際情況選取SE、SSE和S 3個(gè)方向。試驗(yàn)入射波浪條件采用工程區(qū)-17 m等深線位置，重現(xiàn)期50 a和2 a的波浪要素（表 1）。

表1 -17 m等深線SE、SSE及S向試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave parameters of-17 m isobath of model test（SE，SSE and S direction）

3 局部風(fēng)成浪

工程區(qū)不同方向、重現(xiàn)期風(fēng)速見(jiàn)表2。

局部風(fēng)成浪的計(jì)算中，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度考慮建筑物和陸域的影響，取合適的步長(zhǎng)，使得每步的水深變化小于0.2 m，分步計(jì)算風(fēng)浪的成長(zhǎng)變化［4］。風(fēng)浪波高計(jì)算采用下式

表2 工程區(qū)SE、SSE及S向設(shè)計(jì)風(fēng)速Tab.2 Wind speed in the project area（SE，SSE and S direction）m/s

式中：g為重力加速度，m/s2；H為有效波波高，m；F為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；T為有效波周期，s；d為水深，m。

等效風(fēng)距計(jì)算采用下式

式中相關(guān)參數(shù)意義見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

4 波高合成方法

通過(guò)整體物理模型試驗(yàn)，考慮外海直接傳入波浪、防波堤繞射浪和越浪產(chǎn)生的次生波以及碼頭反射等因素得到的碼頭前沿波高為H1，小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的波高為H2。分析波浪條件得到的碼頭前沿最終波高

目前國(guó)內(nèi)對(duì)合成后波高的周期尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，日本規(guī)范中按下式進(jìn)行計(jì)算

式中：T1/3為合成波浪有效周期，s；（H1/3）Ⅰ為局部風(fēng)成浪有效波高，m；（T1/3）Ⅰ為局部風(fēng)成浪有效周期，s；（T1/3）Ⅱ?yàn)橥夂２ɡ擞行Рǜ撸琺；（T1/3）Ⅱ?yàn)橥夂２ɡ擞行е芷?，s。

但在本次試驗(yàn)中，合成后的波周期小于外海波浪周期，從碼頭波浪條件安全角度出發(fā)，應(yīng)該取外海波浪周期、局部風(fēng)成浪周期和合成周期三者中的大值作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 設(shè)計(jì)高水位SE向重現(xiàn)期50 a風(fēng)成浪H13%分布Fig.2 Distribution of wind-generated wave H13%by 50 a wind speed（SE direction）under design high water level

5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

5.1 港內(nèi)碼頭設(shè)計(jì)波浪要素

防波堤建成后，考慮港池的開(kāi)挖而港內(nèi)碼頭未建的情況確定港內(nèi)碼頭設(shè)計(jì)波浪要素。此時(shí)通過(guò)波浪物理模型試驗(yàn)測(cè)定包含口門(mén)傳入的外海波浪、防波堤產(chǎn)生的繞射浪以及越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響的擬建碼頭處波高；通過(guò)小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪計(jì)算各擬建碼頭前沿風(fēng)成浪波高；將兩者的波高合成，得到擬建碼頭的設(shè)計(jì)波高。SE向設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪港內(nèi)波高分布見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a、SE向波浪作用各碼頭區(qū)域碼頭前沿平均H13%波高結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)波浪整理物理模型試驗(yàn)得到的波高和小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪與物理模型合成的波高結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，當(dāng)考慮小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪后，碼頭區(qū)波高均大于物理模型試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度越大，風(fēng)成浪的影響越大，波高增大越多，本工程中港內(nèi)碼頭區(qū)波高增大可達(dá)1倍以上。這對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)安全的影響是十分重要的，因此對(duì)于大型港區(qū)，如果口門(mén)與碼頭之間水域距離在1 km以上，港內(nèi)碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮風(fēng)成浪的影響，考慮外海傳入港區(qū)的波浪以及防波堤繞射產(chǎn)生的波浪和越浪產(chǎn)生的次生波，并與風(fēng)成浪波高進(jìn)行合成，得到擬建碼頭區(qū)的波浪條件，依此考慮碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于碼頭的結(jié)構(gòu)安全有著十分重要的意義。

表3 各擬建碼頭前沿設(shè)計(jì)高水位SE向重現(xiàn)期50 a不同條件下H13%Tab.3 H13%wave height of 50 years return period（SE direction）in the front of wharfs under design high water level m

5.2 港內(nèi)碼頭波浪條件分析

港內(nèi)碼頭波浪條件的分析是在防波堤、碼頭建成后進(jìn)行。對(duì)本工程而言，波浪整體物理模型試驗(yàn)中SE向波浪作用時(shí)，外海波浪通過(guò)口門(mén)直接傳至散貨碼頭二區(qū)-1，碼頭對(duì)波浪的反射較明顯，西防波堤、散貨碼頭一區(qū)及散貨碼頭二區(qū)-1所圍水域比波高在0.60～0.70。SSE向波浪作用，散貨碼頭三區(qū)的反射較明顯，反射波傳播至集裝箱碼頭三區(qū)、五區(qū)，同時(shí)受到再一次反射，使得該區(qū)域波高較大，比波高在0.60～0.75。同時(shí)由于SE、SSE向外海波浪較大，極端高水位、設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用，防波堤存在越浪，對(duì)港內(nèi)波浪條件產(chǎn)生影響。S向從口門(mén)傳入港區(qū)的波浪在北三突堤散貨碼頭三區(qū)、通用散貨碼頭四區(qū)及北四突堤集裝箱碼頭二區(qū)、三區(qū)直立碼頭對(duì)波浪的反射較明顯，波浪在該區(qū)域之間來(lái)回反射，與入射波疊加，形成菱形波，使得該區(qū)域波高增大，比波高在0.60～0.80。將考慮港內(nèi)建筑物相互影響的碼頭前沿波高與考慮碼頭反射影響小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的物模計(jì)算結(jié)果合成，對(duì)碼頭泊位處的波浪條件進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a、SSE向波浪作用的各碼頭區(qū)域波高見(jiàn)表4。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在物理模型試驗(yàn)中，由于波浪的沿程衰減，距離口門(mén)較遠(yuǎn)的港區(qū)末端碼頭泊位（順岸碼頭）處的波高較小，但考慮風(fēng)成浪后，由于風(fēng)距長(zhǎng)，風(fēng)成浪的波高就大，將外海傳入波浪與風(fēng)成浪疊加后，其波高增大較多。這對(duì)于考慮泊位處船舶的停泊以及泊穩(wěn)作業(yè)條件［5］都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從安全角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這種影響［6］。

表4 各碼頭前沿設(shè)計(jì)高水位SSE向重現(xiàn)期2 a不同條件下H4%Tab.4 H4%wave height of 2 years return period（SSE direction）in the front of wharfs under design high water level m

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某大型港區(qū)工程為例，對(duì)港內(nèi)波浪條件進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，對(duì)于大型港區(qū)，當(dāng)口門(mén)與碼頭之間水域距離在1 km以上時(shí)，港內(nèi)碼頭處的波浪條件不但需要考慮外海傳入港區(qū)的波浪、防波堤繞射浪以及越浪產(chǎn)生的次生波影響，還需要考慮港內(nèi)風(fēng)成浪的影響，這對(duì)港內(nèi)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全以及船舶的停泊、泊穩(wěn)作業(yè)安全都有重要意義。需要指出的是，由于整體物理模型比尺較大，本研究中防波堤越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響存在一定誤差，越浪影響港內(nèi)波浪條件較大時(shí)，越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響可以通過(guò)小比尺整體模型或者斷面模型進(jìn)行分析研究。

［1］ JTJ223-98，海港水文規(guī)范［S］.

［2］劉海源，劉針，陳漢寶.青島港董家口港區(qū)防波堤工程波浪整體模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［3］王秉哲.港口波浪模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)（三）［J］.水道港口，1984（3）：33-41.WANG B Z.Design and Test of Wave Physical Model for Harbor Engineering（No.3）［J］.Journal of Waterway and Harbor，1984（3）：33-41.

［4］邱大洪.工程水文學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］JTJ211-99，海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］Burcharth H.On scale effects related to run-up and overtopping for rubble mound structures［M］.Aalborg：Denmark，2004.