青島港郵輪碼頭工程波浪條件模擬研究

欒英妮，陳漢寶，劉海源，張慈珩

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

青島港郵輪碼頭設(shè)計(jì)可?？磕壳笆澜缟献畲蟮泥]輪——海洋綠洲號(hào)，作為客運(yùn)碼頭，郵輪碼頭對(duì)船舶停靠時(shí)游客的舒適性有一定的要求。研究郵輪母港內(nèi)波浪條件時(shí)，既需要考慮波浪作用下碼頭的設(shè)計(jì)波浪要素以保證碼頭結(jié)構(gòu)的安全性，又需考慮碼頭前波高是否滿足船舶靠泊及泊穩(wěn)的允許波高以滿足游客的舒適性。鄒一波[1]對(duì)郵輪碼頭透空式上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，采用透空式上部結(jié)構(gòu)，可以減少碼頭的作用力、減少碼頭上水、降低碼頭面高度；許婷[2]對(duì)天津港國(guó)際郵輪碼頭工程通過數(shù)模模型計(jì)算了港內(nèi)的流場(chǎng)和泥沙淤積情況。本文采用數(shù)值模擬的手段對(duì)青島港郵輪母港內(nèi)風(fēng)成浪及碼頭前波浪進(jìn)行精細(xì)化模擬，并分析了其泊穩(wěn)條件。

1 工程簡(jiǎn)介

青島港郵輪碼頭工程位于青島港老港區(qū)口門南側(cè)水域，擬新建15萬t級(jí)郵輪泊位1個(gè)[3-4]，碼頭軸線方位為45°～225°，距中港池西北側(cè)防波堤95 m，碼頭岸線總長(zhǎng)490 m。工程位置見圖1，工程平面布置見圖2。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of project

膠州灣內(nèi)波浪主要為灣內(nèi)小風(fēng)區(qū)波浪及外海波浪經(jīng)灣口的傳播進(jìn)入。擬建工程位置處波浪掩護(hù)條件良好，外海波浪很難影響到工程所在的位置，碼頭處主要影響波浪為港灣內(nèi)風(fēng)成浪。設(shè)計(jì)方案中北側(cè)防波堤長(zhǎng)度為500 m，考慮到航道北側(cè)防波堤對(duì)新建郵輪碼頭的掩護(hù)作用，優(yōu)化方案一將北側(cè)防波堤長(zhǎng)度延長(zhǎng)至900 m，優(yōu)化方案二將北側(cè)防波堤延長(zhǎng)至1 300 m。

本文通過計(jì)算結(jié)果給出碼頭處的設(shè)計(jì)波浪要素，并根據(jù)碼頭前波高結(jié)果分析不同長(zhǎng)度防波堤對(duì)郵輪碼頭的掩護(hù)效果及碼頭因波浪作用損失的作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)。計(jì)算水位共3個(gè)(當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面)：極端高水位為+5.43 m，設(shè)計(jì)高水位為+4.34 m，設(shè)計(jì)低水位為+0.37 m。

圖2 工程平面布置圖Fig.2 Layout of project

2 風(fēng)成浪模擬方法與成果

2.1 模擬方法

工程位于膠州灣內(nèi)，受到南部岬角的掩護(hù)，擬建工程處外海傳入波浪影響較小，主要為灣內(nèi)風(fēng)成浪，因此采用設(shè)計(jì)方提供的團(tuán)島不同重現(xiàn)期風(fēng)速結(jié)果(表1)，通過風(fēng)成浪模型進(jìn)行計(jì)算。該區(qū)域夏季多南風(fēng)及東南風(fēng)，冬季多北風(fēng)及西北風(fēng)，主要計(jì)算方向?yàn)镹W向、WNW向、W向和WSW向，計(jì)算重現(xiàn)期為50 a和2 a。

灣內(nèi)風(fēng)成浪采用規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算[5]，首先對(duì)風(fēng)速進(jìn)行高度、陸海訂正，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度考慮建筑物、島嶼和陸域的影響，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。風(fēng)浪波高計(jì)算采用下式

(1)

(2)

式中：U為風(fēng)速,m/s,按表1選??；g為重力加速度,m/s2；Hs為有效波波高,m；Ts為有效波周期,s；F為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度, m;d為水深, m。

表1 團(tuán)島不同重現(xiàn)期風(fēng)速Tab.1 Wind speed in different return periods m/s

2.2 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果知，工程區(qū)處WNW向風(fēng)成浪最大，其次是NW向浪。北側(cè)防波堤堤頭處(A點(diǎn))的波浪要素結(jié)果見表2，作為港內(nèi)小范圍波浪數(shù)學(xué)模型邊界處波浪條件的率定點(diǎn)(A點(diǎn)位置見圖2)，而后計(jì)算工程設(shè)計(jì)波浪條件及不同方案碼頭泊穩(wěn)條件[6-7]。

表2 北側(cè)防波堤堤頭處(A點(diǎn))風(fēng)成浪波浪要素結(jié)果Tab.2 Wave conditions at Point A

3 港內(nèi)波浪模擬方法與成果

3.1 模擬方法

利用風(fēng)成浪模型計(jì)算得到的A點(diǎn)處的波浪條件，針對(duì)不同方案計(jì)算工程建設(shè)后港內(nèi)的波況。小范圍波浪計(jì)算采用丹麥DHI開發(fā)的MIKE21軟件中的BW模塊[8-9]。

BW模塊所采用的Boussinesq方程為水深積分平面二維短波方程，該方程已經(jīng)過多年的驗(yàn)證和比較，能夠較好地模擬波浪的折射、繞射、反射和淺水變形等各種波浪變形特性，并且具有較高的模擬精度，基本方程為

St+Px+Qy=0

(3)

(4)

(5)

其中

式中：P、Q為x、y方向流速沿水深的積分;h為靜水深;S為波面高度;d為總水深;B為深水修正系數(shù)，可取為1/15;腳標(biāo)(*t、*x、*y)表示物理量(*)對(duì)時(shí)間、 方向x和方向y的偏導(dǎo)數(shù)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 護(hù)岸及碼頭前設(shè)計(jì)波要素

在計(jì)算護(hù)岸及碼頭的設(shè)計(jì)波浪要素時(shí)，考慮了碼頭未建設(shè)時(shí)，航道和港池開挖以及北側(cè)防波堤長(zhǎng)度為500 m的情況。其中#1和#5分別位于擬建的南、北護(hù)岸，#2～#4點(diǎn)位于擬建的碼頭泊位(圖3)。極端高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用下，碼頭和護(hù)岸處的H1%和H13%結(jié)果見表3。

圖3 計(jì)算點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Location of extraction points

位置測(cè)點(diǎn)NWH1%H13%WNWH1%H13%WH1%H13%WSWH1%H13%護(hù)岸#12.671.873.152.233.422.442.321.61#52.421.683.362.372.932.052.021.39碼頭#23.112.133.642.503.482.392.331.58#33.032.073.452.373.182.182.561.74#42.831.933.512.413.132.142.571.75

3.2.2 碼頭前沿波高分布

計(jì)算郵輪碼頭建設(shè)后，北側(cè)防波堤長(zhǎng)度為500 m(原設(shè)計(jì)方案)、900 m(優(yōu)化方案一)和1 300 m(優(yōu)化方案二)情況下，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a和2 a波浪作用下，碼頭前沿的波高分布情況，計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表4 不同計(jì)算方案設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a各計(jì)算點(diǎn)H13%波高Tab.4 The significant wave height in design high water level (50 a return period) m

表5 不同計(jì)算方案設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a各計(jì)算點(diǎn)H4%波高Tab.5 The H4% in desigh high water level (2 a return period) m

通過對(duì)各方案結(jié)果分析知：(1)北側(cè)防波堤的堤長(zhǎng)對(duì)郵輪碼頭泊位的主要掩護(hù)浪向?yàn)镹W向，對(duì)于WNW、W和WSW的來浪掩護(hù)效果不明顯。NW向浪作用下，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二時(shí)郵輪碼頭泊位處的波高較設(shè)計(jì)方案分別減小20%和54%，其余三個(gè)浪向各方案中波高相差不大；(2)郵輪碼頭為直立式沉箱結(jié)構(gòu)，對(duì)波浪的反射作用較大，特別是NW、WNW和W向波浪作用時(shí)，波向與碼頭形成一定夾角，設(shè)計(jì)方案時(shí)碼頭前比波高可達(dá)1.6，波高較大。

4 碼頭作業(yè)條件分析

針對(duì)北側(cè)防波堤長(zhǎng)度分別為500 m、900 m和1 300 m的情況，依據(jù)設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a波浪作用下郵輪泊位處(#2、#3、#4點(diǎn))的H4%計(jì)算結(jié)果(表5)和A點(diǎn)的波要素(表2)，反算泊位處滿足泊穩(wěn)條件波高時(shí)A點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的波高值，再依據(jù)由工程區(qū)風(fēng)的年分頻分級(jí)情況推算得到碼頭前沿的NW、WNW、W和WSW向波浪分頻分級(jí)結(jié)果(表6)，對(duì)郵輪碼頭在這4個(gè)方向的波浪年損失作業(yè)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

該郵輪碼頭泊穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計(jì)方提供，其泊穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為：橫浪H4%≤1.0 m，順浪H4%≤1.2 m。

表6 碼頭前沿NW、WNW、W和WSW向H4%年波浪分頻分級(jí)Tab.6 The occurrence percentage of H4% in NW，WNW，W and WSW direction (%)

計(jì)算結(jié)果為，設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的年損失作業(yè)天數(shù)分別為22 d，15 d和3 d。

5 主要結(jié)論

青島港郵輪碼頭工程位于膠州灣內(nèi)，主要受海灣內(nèi)小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪影響，因此根據(jù)工程附近團(tuán)島測(cè)站不同重現(xiàn)期風(fēng)速結(jié)果，采用風(fēng)成浪計(jì)算方法推算工程北側(cè)防波堤堤頭處波浪條件，進(jìn)而采用MIKE21的Boussineq模型計(jì)算工程泊位處設(shè)計(jì)波浪條件，并分析了泊穩(wěn)條件，得到以下結(jié)論：

(1)擬建郵輪泊位和護(hù)岸設(shè)計(jì)波浪要素的主要控制浪向?yàn)閃NW向。極端高水位重現(xiàn)期50 aH13%為2.50 m；

(2)考慮郵輪碼頭建設(shè)后，北側(cè)防波堤的堤長(zhǎng)對(duì)泊位的掩護(hù)作用主要浪向?yàn)镹W向，對(duì)于WNW、W和WSW向來浪的掩護(hù)效果不明顯；

(3)郵輪碼頭建設(shè)后，北側(cè)防波堤長(zhǎng)度分別為500 m、900 m和1 300 m時(shí)，在設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a波浪條件下，NW～WSW4個(gè)方向波浪作用時(shí)泊位處波高均不能滿足泊穩(wěn)要求，年作業(yè)損失作業(yè)天數(shù)分別為22 d、15 d和3 d；

(4)影響碼頭作業(yè)天數(shù)的主要浪向?yàn)镹W向，只有當(dāng)北側(cè)防波堤長(zhǎng)度為1 300 m時(shí)才能使年波浪損失作業(yè)天數(shù)有所減少，但此時(shí)防波堤長(zhǎng)度的增加會(huì)使工程的造價(jià)大幅提升。因此，建議在本研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定北防波堤的長(zhǎng)度。

[1] 鄒一波.青島港郵輪碼頭透空式上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)港灣建設(shè),2016(6):25-28.

ZOU Y B. Design and study on permeable superstructure of cruise wharf in Qingdao Port[J].China Harbour Engineering,2016(6):25-28.

[2] 許婷.天津港國(guó)際郵輪碼頭工程泥沙數(shù)模試驗(yàn)研究[J].水道港口,2008(2):100-105.

XU T. Study on sediment for international mail steamer terminal project of Tianjin Port[J].Journal of Waterway and Harbor,2008(2):100-105.

[3] 劉海源,張慈珩.青島港老港區(qū)郵輪碼頭工程碼頭泊穩(wěn)數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R]. 天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

[4] 欒英妮,劉海源.青島港老港區(qū)郵輪碼頭工程斷面波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R]. 天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

[5] JTS 145-2015,港口與航道水文規(guī)范[S].

[6] 欒英妮,張慈珩,劉針.海南龍棲灣岸灘整治工程波浪數(shù)學(xué)模型研究[J].水道港口，2015(6):510-514.

LUAN Y N,ZHANG C H,LIU Z. Wave mathematical model of beach regulation engineering for Hainan Longqiwan Port[J]. Journal of Waterway and Harbor,2015(6):510-514.

[7] 欒英妮,劉海源,張華慶.青島港董家口港區(qū)防波堤工程防浪效果研究[J].水道港口，2010(8):266-269.

LUAN Y N,LIU H Y,ZHANG H Q. Research on sheltering effect of breakwater in Qingdao Dongjiakou Harbor[J]. Journal of Waterway and Harbor,2010(8):266-269.

[8] 宋善柏.秦皇島港西港區(qū)航道改造工程波浪數(shù)學(xué)模型研究[J].水道港口，2006(4):236-240.

SONG S B. Wave mathematical model of waterway improvement project of the west harbor area in Qinhuangdao Harbor[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2006(4):236-240.

[9] 丹麥水力學(xué)研究所.MIKE21 User Guider[M].哥本哈根：丹麥水力學(xué)研究所，2003.