透空式防波堤在漁船避風(fēng)港中的綜合研究

閆少華， 陳德春*， 馬 林

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.鎮(zhèn)江市航道管理處，江蘇 鎮(zhèn)江212000)

漁港是沿海漁區(qū)十分重要的基礎(chǔ)設(shè)施，21世紀(jì)以來(lái)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)沿我國(guó)東海岸線頻頻登陸，以致漁民生命與財(cái)產(chǎn)遭受損失，為使?jié)O港成為沿海防災(zāi)減災(zāi)體系的有機(jī)組成部分，推動(dòng)漁區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化發(fā)展，首要解決漁船在臺(tái)風(fēng)期避風(fēng)和安全錨泊問(wèn)題［1］。

透空式防波堤屬新型結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用軟基、堤身下部透空，有利于堤后水域內(nèi)外水體交換，減少港區(qū)泥沙淤積的優(yōu)點(diǎn)。近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)透空堤建設(shè)已有一些研究及工程實(shí)踐。

麻志雄等［2］以上海吳淞口炮臺(tái)灣船舶基地高樁承臺(tái)透空堤工程為例，在風(fēng)浪水槽中進(jìn)行透浪系數(shù)物理模型試驗(yàn)，得到該透空堤透射波高與水深、波要素、堤寬、擋浪板入水深度的關(guān)系。文獻(xiàn)［3］給出了透空式防波堤結(jié)構(gòu)與透浪系數(shù)Kt的計(jì)算公式。陳德春等［4］在威格爾對(duì)直板透浪系數(shù)研究基礎(chǔ)上，采用微幅波理論推導(dǎo)不同間距擋板的透空堤透浪系數(shù)計(jì)算公式，并基于廣東省海安新港荔枝灣防波堤物理模型試驗(yàn)研究，得出透浪系數(shù)計(jì)算值與規(guī)范值及試驗(yàn)值變化趨勢(shì)是一致的，當(dāng)擋板入水深度與堤前水深之比(t/d)在0.35～0.50時(shí)與規(guī)范值吻合相對(duì)較好。

浙江省臺(tái)州市大陳漁港位于大陳島［5］，其規(guī)模較小，無(wú)法滿足漁船安全避臺(tái)風(fēng)的需要。而該島中咀灣三面環(huán)山，西面臨海，是一個(gè)適合漁船避風(fēng)的海灣，因地質(zhì)為深層淤泥，需建設(shè)透空式防波堤以形成漁船避臺(tái)風(fēng)錨地。

我國(guó)透空堤工程實(shí)踐表明［6-8］，透空堤的透浪系數(shù)與工程區(qū)域的水深、波浪要素和透空堤結(jié)構(gòu)尺度有關(guān)。中咀灣的水深與波要素關(guān)系不在規(guī)范給出的透浪系數(shù)Kt計(jì)算公式范圍內(nèi)，文中通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)定擬建中咀灣透空堤斷面的透浪系數(shù)Kt，確定合理的透空堤擋板入水深度。同時(shí)考慮漁船能夠進(jìn)出方便及得到有效的錨地面積，進(jìn)而研究透空堤透浪系數(shù)與合適的建設(shè)長(zhǎng)度，以達(dá)到透空堤整體防浪效果。

1 透空堤斷面透浪系數(shù)物理模型試驗(yàn)

中咀灣位置示意如圖1所示，其透空堤設(shè)計(jì)斷面(見(jiàn)圖2)為高樁墩臺(tái)式結(jié)構(gòu)［5］，堤身兩側(cè)設(shè)置擋浪板，每榀排架設(shè)4根600×600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土組合樁，4根樁組成兩對(duì)斜度為4∶1的叉樁。

圖1 中咀灣位置示意Fig.1 Schematic diagram of Zhongzui bay’s location

圖2 中咀避風(fēng)港透空式防波堤斷面Fig.2 Sectional drawing of the permeable breakwater in Zhongzui bay fishing boats haven

1.1 水位和波要素

透空堤具有上部結(jié)構(gòu)擋浪，下部過(guò)流，減少堤后水域泥沙淤積的優(yōu)點(diǎn)。為最大限度發(fā)揮上部結(jié)構(gòu)消波性能，試驗(yàn)中考慮了極端高水位▽5.71 m、設(shè)計(jì)高水位▽4.41 m和水位▽2.50 m，3級(jí)水位50年一遇波況下，透空堤設(shè)計(jì)波要素見(jiàn)表1。

表1 透空堤設(shè)計(jì)波要素Tab.1 Design wave elements of the permeable breakwater

1.2 試驗(yàn)條件和方法

遵循模型相似理論，依重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮實(shí)驗(yàn)室內(nèi)波浪水槽尺度與透空堤設(shè)計(jì)斷面尺寸、堤前水深、設(shè)計(jì)波要素等因素，試驗(yàn)斷面取正態(tài)模型、比尺為 1 ∶24［9－11］。

分析設(shè)計(jì)斷面(見(jiàn)圖2)，透空堤設(shè)計(jì)斷面兩側(cè)均設(shè)擋浪板，由于擋浪板入水深度對(duì)透浪系數(shù)的影響較大，因此，試驗(yàn)中研究了透空堤4種擋浪板入水深度方案的消浪效果。

4種擋浪板入水深度分別為:

1)兩側(cè)擋浪板入水深度至▽0.9 m;

2)兩側(cè)擋浪板入水深度至▽1.1 m;

3)兩側(cè)擋浪板入水深度至▽1.3 m;

4)兩側(cè)擋浪板入水深度至▽1.5 m。

1.3 各方案透空堤斷面波浪透浪系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

在3級(jí)水位與不規(guī)則波浪作用下，透空堤不同擋浪板入水深度時(shí)透浪系數(shù)見(jiàn)表2，其對(duì)應(yīng)的堤后有效波高沿程分布如圖3所示。

表2 不規(guī)則波作用下透空堤透浪系數(shù)Tab.2 Transmission coefficients of the permeable breakwater under the action of irregular waves

圖3 不規(guī)波作用下透空堤堤后有效波高沿程分布Fig.3 Significant wave height distributions along the path after the permeable breakwater under the action of irregular waves

分析透空堤斷面透浪系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)水位對(duì)透浪系數(shù)的影響。隨水位自極端高水位▽5.71 m下降到▽2.50 m水位時(shí)，透浪系數(shù)逐漸增大。

2)擋浪板入水深度對(duì)透浪系數(shù)的的影響。由于擋浪板入水深度對(duì)入射波浪的阻擋作用，穿過(guò)透空堤斷面的堤后波高已明顯發(fā)生改變，相同水位波浪條件下，擋浪板入水深度增大，堤后波高值減小，透浪系數(shù)下降，消浪效果增強(qiáng)。

3)透空堤后縱向有效波高分布。由于漁船功率一般在448 kW以內(nèi)，確保其錨泊安全的抗浪性能控制指標(biāo)為有效波高Hs≤1.0 m。經(jīng)透空堤擋潮消浪后，堤后最大波高位于透空堤后5 m處，堤后縱向120 m范圍內(nèi)有效波高值是沿程減小，且小于1.0 m。

1.4 透空堤斷面推薦方案

透空堤擋浪板不同入水深度對(duì)透浪系數(shù)的影響較為明顯，擋浪板入水深度大，消浪效果好。但是，隨著擋浪板入水深度增大，外側(cè)波浪近似于立波，波浪水平作用力也隨之增大，不利于堤身自身安全;同時(shí)，擋浪板入水深度增大，也會(huì)影響透空堤下部過(guò)流，增大灣內(nèi)淤積。因此，文中推薦方案3為透空堤設(shè)計(jì)斷面，即擋浪板低高程(入水深度)定為▽1.3 m。

2 透空堤整體防浪掩護(hù)數(shù)值計(jì)算

透空堤整體防浪掩護(hù)效果以最不利水位時(shí)，堤后水域有效波高Hs≤1.0 m面積最大為參考。當(dāng)波浪傳入灣內(nèi)時(shí)，一種方式是波浪透射穿過(guò)堤身進(jìn)入(以透浪系數(shù)判斷)，另一種方式是波浪經(jīng)過(guò)透空堤堤頭繞射進(jìn)入，灣內(nèi)波浪由這兩部分疊加。為確定合適的漁船進(jìn)出口門寬度、透空堤建設(shè)長(zhǎng)度，堤后水域滿足漁船安全錨泊的面積范圍，需采用MIKE 21 BW模塊進(jìn)行透空堤整體防浪掩護(hù)效果數(shù)值計(jì)算。

2.1 MIKE 21 BW的基本方程

MIKE 21 BW 基于 Madsen 和 Sorensen［12］提出的改進(jìn)的Boussinesq方程數(shù)值解，包括兩個(gè)模式:2DH BW波浪模塊和1DH BW波浪模塊。其中，2DH BW模式用于計(jì)算波浪在港口以及海岸地區(qū)的分布情況。

2DH BW波浪模塊求解Boussinesq改進(jìn)方程中的自由水面高程ξ、沿深度積分的速度分量P和Q。Boussinesq方程為

連續(xù)性方程:

x方向動(dòng)量方程:

y方向動(dòng)量方程:

式中:ψ1，ψ2為Boussinesq項(xiàng);P為x方向的流密度;Q為y方向的流密度;Fx為x方向的水平力;Fy為y方向的水平力;h為總水深;n為孔隙率;C為謝才系數(shù);α為層流阻尼系數(shù);β為紊流阻尼系數(shù)。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置

選擇W和WSW兩個(gè)對(duì)防浪掩護(hù)影響較大的波浪來(lái)波方向進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于透空堤模型設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)是透浪系數(shù)，由波浪水槽測(cè)定的透空堤透浪系數(shù)是來(lái)波與透空堤斷面正交條件下的結(jié)果，也是最不利條件下的透浪系數(shù)。再根據(jù)推薦設(shè)計(jì)斷面尺寸，計(jì)算透空部分所占整個(gè)斷面面積的比率。透空堤的透浪系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 透空堤的透浪系數(shù)Tab.3 Transmission coefficient of the permeable breakwater

2.3 防波堤口門大小的數(shù)值模擬

《漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］要求防波堤口門有效寬度為船長(zhǎng)的1.0～1.5倍，由于中咀灣口天然寬度為296 m，考慮漁船的進(jìn)出安全，數(shù)值計(jì)算分別研究了口門寬度120 m、透空堤堤長(zhǎng)176 m;口門寬度100 m、透空堤堤長(zhǎng)196 m;口門寬度80 m、透空堤長(zhǎng)216 m 3種不同口門寬度的透空堤防浪掩護(hù)效果，并選擇最不利水位5.71 m與波高變化比較顯著并且可以傳到中咀灣灣頂?shù)腤波向和WSW波向進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為比較錨泊面積范圍，在港內(nèi)設(shè)置25個(gè)點(diǎn)位采集波高，分析不同方案時(shí)透空堤整體防浪掩護(hù)效果，灣內(nèi)水域測(cè)波點(diǎn)布置如圖4所示，不同來(lái)波方向與不同口門寬度時(shí)堤后水域波高分布如圖5～圖7所示，表4為不同口門寬度對(duì)應(yīng)的港內(nèi)錨泊面積。

圖7 極端高水位下，不同方向的港內(nèi)波高柱形圖Fig.7 Columnar diagram of the wave height with extreme high water level and different wave direction

表4 不同口門寬度時(shí)港內(nèi)錨泊面積Tab.4 Mooring area under different widths of the permeable breakwater’s entrance

2.4 結(jié)果分析

分析不同來(lái)波方向與不同口門寬度時(shí)堤后水域波高分布，不同口門寬度時(shí)港內(nèi)錨泊面積，可知:

1)港灣內(nèi)W方向除了個(gè)別點(diǎn)外(有淺灘等原因?qū)е碌牟芗?，絕大部分點(diǎn)的波高隨著口門寬度的減小而減少，從模擬的波高數(shù)據(jù)分析可知口門寬度減小對(duì)W方向的波高起著顯著的阻止作用;另從泊穩(wěn)面積上看，隨著口門寬度的減少，W方向港域內(nèi)泊穩(wěn)面積也相應(yīng)地增加(見(jiàn)表4)。

2)從WSW方向柱形圖上可以看出，在口門處1，2，3點(diǎn)隨著口門寬度的減小，波高反而增大。這是由于防波堤長(zhǎng)度的改變，口門入口處防波堤波能集中后移，使得入口處波高不降而增。但是港灣后面的點(diǎn)的波高基本上都是隨著口門寬度的減小而減小的，并且泊穩(wěn)面積和泊穩(wěn)面積百分比也符合口門寬度越小泊穩(wěn)面積越大的規(guī)律(見(jiàn)表4)。

綜上所述，兩個(gè)波向在港灣內(nèi)波高值基本上均隨著口門寬度的減小而減小，泊穩(wěn)面積隨著口門寬度的減少而增大。為保證漁船進(jìn)出安全，推薦口門寬度取100 m。

3 結(jié)語(yǔ)

分析波浪斷面物理模型試驗(yàn)與整體防浪掩護(hù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到:

1)透浪系數(shù)隨水位下降逐漸增大。

2)相同水位、波浪條件下，擋浪板入水深度增大，堤后波高值減小，透浪系數(shù)下降。

3)隨著防波堤建設(shè)長(zhǎng)度增加、口門寬度減小，灣內(nèi)有效波高Hs≤1.0 m泊穩(wěn)面積增加。

［1］浙江省海洋與漁業(yè)局.浙江省沿海標(biāo)準(zhǔn)漁港布局與建設(shè)規(guī)劃［R］.杭州:浙江省海洋與漁業(yè)局海洋利用規(guī)劃處，2007.

［2］麻志雄.透空式防波堤消波性能試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，1990，10(28):3-8.MA Zhi-xiong.Test and study on the effects of wave dissipation for a permeable breakwater［J］.Port and Waterway Engineering，1990，10(28):3-8.(in Chinese)

［3］交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.JTJ 298-98防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［4］陳德春，茆福文，沈麗寧，等.樁基擋板式透空堤透浪系數(shù)計(jì)算及試驗(yàn)研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012(5):83-87.CHEN De-chun，MAO Fu-wen，SHEN Li-ning，et al.Calculation of wave transmission coefficient and experimental study of a permeable breakwater on pile foundation［J］.Port and Waterway Engineering，2012(5):83-87.(in Chinese)

［5］陳德春.臺(tái)州市椒江中咀避風(fēng)港防波堤斷面波浪模型試驗(yàn)［R］.南京:河海大學(xué)，2008.

［6］陳德春.浙江省舟山市定海區(qū)西碼頭漁港擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)總報(bào)告［R］.南京:河海大學(xué)，2003.

［7］陳德春.洪澤湖16號(hào)避風(fēng)港工程透空堤試驗(yàn)研究［R］.南京:河海大學(xué)，2003.

［8］陳德春.廣東省海安新港荔枝灣碼頭一期工程透空式防波堤斷面波浪試驗(yàn)研究［R］.南京:河海大學(xué)，2004.

［9］南京水利科學(xué)研究院.JTJ/T 234-2001波浪模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［10］交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.JTJ 213-98海港水文規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［11］楊春平.近岸波浪傳播變形數(shù)值計(jì)算方法比較［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［12］Madsen P A，Sφrensen O R.A new form of the Boussinesq equations with improved linear dispersion characteristics，part 2:a slowly-varying bathymetry［J］.Coastal Engineering，1992，18(3-4):183-204.

［13］中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院.SC/T 9010-2000漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.