港池開(kāi)挖對(duì)施工期波浪條件的影響

劉遠(yuǎn)超,陳國(guó)平,吳月勇,王鐵凝

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

海港因?yàn)樽匀簧疃炔粔?，在建設(shè)過(guò)程中常常需要開(kāi)挖港池和航道以達(dá)到使用要求，而地形的開(kāi)挖導(dǎo)致水深的突然變化，對(duì)波浪的折射產(chǎn)生重要影響，并且這種影響隨入射波和開(kāi)挖尺度的不同而發(fā)生變化。陳哲淮[1]、水燕[2]、林尚飛[3]等通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究開(kāi)挖航道對(duì)波浪傳播的影響，分析了影響波浪傳播的各種因素及其影響規(guī)律；柳淑學(xué)、俞聿修[4]針對(duì)理想港域開(kāi)挖航道和港池對(duì)波浪傳播的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地形對(duì)波浪傳播影響巨大，且與入射波向、航道尺度和波浪沿航道傳播距離有關(guān)。龐紅犁[5]、徐俊峰[6]等人采用數(shù)值模型研究了航道對(duì)波浪傳播的影響以及各因素對(duì)波浪傳播變形的影響規(guī)律。根據(jù)各學(xué)者的研究，航道和港池開(kāi)挖對(duì)波浪傳播有著顯著影響，在港口的規(guī)劃中，不能忽視港池航道引起的波浪的重新分布。然而，對(duì)于港口施工階段港池開(kāi)挖后，波浪直接進(jìn)入港池引起波浪場(chǎng)的重新分布以及對(duì)港口施工的影響，沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)和全面的評(píng)估。因此本文將對(duì)施工期港池開(kāi)挖后波浪折射變形對(duì)港口施工的影響，以及各種影響因素及其影響規(guī)律開(kāi)展數(shù)值模擬研究，可為港口的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 模型驗(yàn)證

1.1 BW模型簡(jiǎn)介

MIKE21之BW波浪數(shù)值模擬模型由丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)，該模型基于Madsen和S?rensen[7-8]提出的改進(jìn)頻散關(guān)系和變淺性能的Boussinesq方程，采用交替方向隱格式(ADI)進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的求解。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，BW模型不僅可以較好地描述近岸水域波浪傳播過(guò)程中發(fā)生的折射、繞射、反射和非線性波-波相互作用，而且還可以推廣至研究破碎區(qū)和上爬區(qū)的波浪現(xiàn)象。其控制方程和數(shù)值計(jì)算方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。

在利用BW模型計(jì)算港內(nèi)波浪時(shí)，確定近岸結(jié)構(gòu)物的反射是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響到建筑物附近的波高分布情況。BW模型反射系數(shù)的設(shè)定是通過(guò)孔隙層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而孔隙層的孔隙率與建筑物材料、波浪反射、結(jié)構(gòu)物前波浪大小和水深有關(guān)。模型建立前對(duì)結(jié)構(gòu)物前波浪大小和水深進(jìn)行初步估計(jì)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)區(qū)域孔隙介質(zhì)的孔隙率進(jìn)行初步試算，然后將試算結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，確定反映實(shí)際反射系數(shù)的孔隙率進(jìn)行正式運(yùn)算。

表1 試驗(yàn)波要素Tab.1 Experimental wave parameters

1.2 模型驗(yàn)證

在對(duì)港內(nèi)波浪的反射和繞射情況進(jìn)行數(shù)值分析研究前，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。如上所述，確定近岸結(jié)構(gòu)物的反射是模型建立過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，運(yùn)算前對(duì)建筑物前的孔隙率進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。本文依據(jù)TEMA港整體物理模型項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性(圖1)。

TEMA港物理模型試驗(yàn)在浙江大學(xué)海洋學(xué)院的40 m×70 m×1.8 m波浪港池中進(jìn)行，試驗(yàn)比尺1:80。試驗(yàn)中頻率譜均為標(biāo)準(zhǔn)JONSWAP譜，譜峰升高因子γ=3.3。試驗(yàn)采用的波要素如表1所示，其中165°N、175°N指的是海圖方位角，兩波向與正北方向(0°N)的夾角分別為15°、5°。

圖1 TEAM港數(shù)值模型地形等值線分布與邊界示意圖Fig.1 Terrain contour and boundary distribution of port TEMA numerical model

在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證時(shí)，針對(duì)各建筑物邊界反射情況對(duì)模型進(jìn)行試算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，得到圖2所示各邊界孔隙率下模型值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖。如圖2-a所示，碼頭采用反射較強(qiáng)的直立式沉箱結(jié)構(gòu)，其孔隙率取值從0.9增加至0.99時(shí)，碼頭前沿測(cè)點(diǎn)1～8號(hào)擾動(dòng)系數(shù)逐漸增加，所以碼頭前沿孔隙率的變化主要對(duì)碼頭前沿水域擾動(dòng)系數(shù)有顯著影響，且取0.99進(jìn)行模型計(jì)算更符合實(shí)際情況。如圖2-b所示，斜坡式新港防波堤孔隙率的變化對(duì)港內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的擾動(dòng)系數(shù)均有明顯影響，孔隙率從0.95減小至0.7時(shí)，各測(cè)點(diǎn)擾動(dòng)系數(shù)逐漸減小，且取值為0.7時(shí)與試驗(yàn)值吻合較好。如圖2-c所示，斜坡式老港防波堤孔隙率的變化對(duì)港內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的擾動(dòng)系數(shù)均有明顯影響，孔隙率從0.4增加至0.8時(shí)，各測(cè)點(diǎn)擾動(dòng)系數(shù)逐漸減小。其孔隙率取值0.6時(shí)，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。綜上，碼頭前沿、碼頭防波堤和老港防波堤孔隙率值分別為0.99，0.7，0.6與試驗(yàn)值吻合較好，更符合實(shí)際情況，故以此進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模型計(jì)算。

2-a 碼頭孔隙率的影響 2-b 新港防波堤孔隙率的影響 2-c 老港防波堤孔隙率的影響圖2 邊界孔隙率變化下港內(nèi)擾動(dòng)系數(shù)與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Comparison of numerical wave disturbance coefficient in the harbor with experimental results under different porosity

2 港池開(kāi)挖對(duì)港口施工的影響

基于上述模型驗(yàn)證過(guò)程，對(duì)港口施工期波浪條件進(jìn)行計(jì)算，研究施工期港池開(kāi)挖對(duì)港口施工作業(yè)條件的影響，從而對(duì)港口施工進(jìn)行合理規(guī)劃，選取合理的港池開(kāi)挖時(shí)機(jī)和范圍。TEMA港港口施工主要分為6個(gè)階段，港池開(kāi)挖擬在第3、4階段進(jìn)行，此時(shí)防波堤堤頭分別推進(jìn)至1 800 m和2 000 m，后方陸域同時(shí)進(jìn)行回填，其中第3階段平面布置如圖1中虛線所示。本文基于第3階段研究港池開(kāi)挖對(duì)港口施工作業(yè)條件的影響，碼頭前沿開(kāi)挖深度至-16.9 m，回旋水域開(kāi)挖至-17.4 m。模型計(jì)算中譜峰周期取值7 s、9 s、12 s、15 s、18 s和21 s，入射波平均波向取值155°N、165°N、175°N、185°N和195°N。

2.1 敏感性分析

2.1.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)波高和周期的敏感性分析

為深入了解入射波高和周期對(duì)比波高計(jì)算結(jié)果的影響，針對(duì)主波向(175°N)、不同波高和不同譜峰周期組合下的入射波在平均海平面下(CD+0.9 m)進(jìn)行了計(jì)算，其中入射波高Hm0取值0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m。圖3-a和3-b分別為B3點(diǎn)不同入射波高和不同譜峰周期下的比波高計(jì)算結(jié)果。隨著波高的增大，各點(diǎn)均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并且長(zhǎng)周期波浪對(duì)入射波高的敏感性略強(qiáng)于短周期波浪。對(duì)不同位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)分析，越靠近防波堤內(nèi)側(cè)掩護(hù)越好的點(diǎn)，其隨波高增加的幅度越大，最大可達(dá)到24%。同時(shí)越靠近外側(cè)掩護(hù)越差的測(cè)點(diǎn)，其對(duì)波高的敏感性也越差，隨波高增加的幅度僅為5%左右。所以港內(nèi)不同位置對(duì)入射波高的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護(hù)程度越好敏感性越強(qiáng)的趨勢(shì)。

根據(jù)圖3-b的結(jié)果，隨著波周期的增大，各測(cè)點(diǎn)比波高明顯增大。且港內(nèi)不同位置對(duì)入射波周期的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護(hù)程度越好敏感性越強(qiáng)的趨勢(shì)。越靠近防波堤內(nèi)側(cè)掩護(hù)越好的點(diǎn)，其隨周期增加的幅度越大，最大可達(dá)到54%。同時(shí)越靠近外側(cè)掩護(hù)越差的測(cè)點(diǎn)，其對(duì)周期的敏感性也越差，隨周期增加的幅度為16%。綜上，入射波高和譜峰周期均對(duì)計(jì)算結(jié)果有影響，且計(jì)算結(jié)果對(duì)周期的敏感性更強(qiáng)。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)潮位的敏感性分析

潮位是影響近岸波浪傳播變形的因素之一，工程區(qū)屬弱潮海區(qū)，大潮平均高潮位(MHWS)和大潮平均低潮位(MLWS)分別為CD+1.5 m和CD+0.2 m，平均海平面(MWL)在CD基面上0.9 m。為考察潮位對(duì)比波高計(jì)算結(jié)果的影響，本節(jié)對(duì)主波向(175°N)波高Hm0=1.0 m時(shí)、不同譜峰周期的入射波、在不同潮位下進(jìn)行了計(jì)算。圖3-c分別對(duì)部分計(jì)算點(diǎn)不同潮位和不同譜峰波周期下的比波高計(jì)算值進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示：各點(diǎn)比波高計(jì)算值隨潮位的降低略微增大，且長(zhǎng)周期波浪對(duì)潮位的敏感性略強(qiáng)于短周期波浪。當(dāng)潮位在大潮平均高潮位和大潮平均低潮位之間變化時(shí)，不同譜峰周期入射波下比波高計(jì)算值的差異最大不超過(guò)13%。

3-a 波高影響 3-b 周期影響 3-c 水位影響圖3 B3點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of calculation results at point B3

圖4 港池和回旋水域開(kāi)挖前后波高對(duì)比(開(kāi)挖后/開(kāi)挖前)Fig.4 Comparison of wave height after excavation with original terrain in basin and turning waters

2.2 港池開(kāi)挖對(duì)港內(nèi)波浪場(chǎng)的影響

對(duì)波高為Hm0=1.0 m、不同周期和不同波向的入射波，分別在港池和回旋區(qū)開(kāi)挖與不開(kāi)挖的工況進(jìn)行了計(jì)算，以研究港池開(kāi)挖對(duì)港口施工期波浪條件的影響。

2.2.1 港池開(kāi)挖前后港內(nèi)波高對(duì)比

將開(kāi)挖后港域波高與開(kāi)挖前港域波高作比值，得到港池和回旋水域開(kāi)挖前后波高分布對(duì)比圖(見(jiàn)圖4)。波浪進(jìn)入開(kāi)挖區(qū)后波高持續(xù)衰減，折減幅度可達(dá)到20%，越靠近后方泊位和防波堤，波高折減幅度越大。受港池影響，港池后方泊位施工區(qū)域以及部分防波堤掩護(hù)區(qū)域波高也相應(yīng)減小。同時(shí)，在港池迎浪側(cè)和防波堤后側(cè)波浪稍有增大，在回旋水域與港池連接段及其北部、回旋水域東北部產(chǎn)生了明顯波能集中，并且波浪集中區(qū)域與入射波向有關(guān)，入射波向從155°N增加至195°N，防波堤內(nèi)側(cè)波高增大區(qū)域由臨時(shí)碼頭向南偏移至轉(zhuǎn)彎段，回旋水域北側(cè)波能集中區(qū)域逐漸向東偏移。由于港池開(kāi)挖使港池內(nèi)水深突然增大，波浪進(jìn)入港池開(kāi)挖區(qū)域后由于水深差異發(fā)生明顯折射，大部分波能折射到回旋水域東北側(cè)，或折射到回旋水域與港池連接段并向北推進(jìn)，使得港池和回旋水域內(nèi)的來(lái)波響應(yīng)減小，并且隨著波浪在開(kāi)挖區(qū)域的行進(jìn)，向開(kāi)挖區(qū)外折射的波浪也越多，從而港池及其后方波高顯著減小。因此，在一定程度上，港池開(kāi)挖可以改善防波堤內(nèi)側(cè)以及港池后方泊位的施工作業(yè)條件。

2.2.2 影響因素分析

在了解港池開(kāi)挖前后港內(nèi)波高分布的差異之后，本節(jié)對(duì)影響波高分布的因素進(jìn)行分析，取港池開(kāi)挖段的沿程波高，將開(kāi)挖后港內(nèi)波高與開(kāi)挖前進(jìn)行對(duì)比，得到開(kāi)挖后與開(kāi)挖前的比波高對(duì)比圖。其中，開(kāi)挖前波高和開(kāi)挖后波高分別用H1、H2表示。

(1)開(kāi)挖深度對(duì)港內(nèi)波浪的影響。為研究港池開(kāi)挖深度對(duì)港內(nèi)波浪的影響，分別將港池和回旋水域開(kāi)挖至不同高程，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5所示。不同開(kāi)挖深度下，波浪從港池迎浪側(cè)到后方碼頭前沿均呈現(xiàn)持續(xù)衰減的規(guī)律，并且隨著開(kāi)挖深度的逐漸增加，港池和回旋水域內(nèi)波高衰減程度也逐漸增大。由于開(kāi)挖深度越大，港池內(nèi)部水深與外側(cè)差異越大，波浪傳播到港池時(shí)所受的折射越明顯，折減幅度也越大。因此，將港池一次開(kāi)挖至指定深度，對(duì)改善港池后方泊位的施工條件更為有利。

(2)開(kāi)挖寬度對(duì)港內(nèi)波浪的影響。將港池和回旋水域進(jìn)行不同寬度的開(kāi)挖，研究開(kāi)挖寬度對(duì)港內(nèi)波高的影響規(guī)律，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。開(kāi)挖寬度越大，波浪進(jìn)入港池傳播距離越長(zhǎng)，折射到港池外部的波浪也越多，港池對(duì)波浪的折射越明顯。因此，隨著開(kāi)挖寬度的增加，港池和回旋水域均呈現(xiàn)波高折減幅度增大的規(guī)律。

圖5 港池開(kāi)挖深度對(duì)港內(nèi)比波高的影響Fig.5Influenceofexcavationdepthonwaveheightintheharbor圖6 港池開(kāi)挖寬度對(duì)港內(nèi)比波高的影響Fig.6Influenceofexcavationwidthonwaveheightintheharbor圖7 波周期對(duì)港內(nèi)比波高的影響Fig.7Influenceofwaveperiodonwaveheightintheharbor

(3)入射波周期對(duì)港內(nèi)波浪的影響。如圖7所示，不同入射波周期下港內(nèi)開(kāi)挖后與開(kāi)挖前比波高對(duì)比圖。結(jié)果顯示，隨著入射波周期的增加，波浪進(jìn)入港池和回旋水域后的折減幅度也逐漸增加，從而長(zhǎng)周期波浪在港池內(nèi)發(fā)生明顯衰減，在碼頭前沿衰減幅度可達(dá)到20%。由于相同水深下波浪周期越長(zhǎng)，其波速越快，在港池內(nèi)的傳播也越快，因此港池對(duì)長(zhǎng)周期波的折射效應(yīng)也越明顯，使得相同位置處波高折減幅度也越大。

8-a 港池 8-b 回旋水域圖8 入射波向角對(duì)港內(nèi)比波高的影響Fig.8 Influence of incident wave direction on wave height in the harbor

(4)入射波向角對(duì)港內(nèi)波浪的影響。將波浪入射角從155°N逐步旋轉(zhuǎn)至195°，以研究入射波向角對(duì)港內(nèi)波浪的影響規(guī)律。根據(jù)圖8對(duì)比結(jié)果，隨著入射波向角向港域外偏移，港池內(nèi)波高折減幅度逐漸增加，而回旋水域內(nèi)波高折減幅度先增加然后減小，并且在175°折減幅度最大。當(dāng)波向角為155°N時(shí)，部分進(jìn)入回旋水域的波浪經(jīng)地形的折射進(jìn)入到港池，隨著波向角的向西偏移，經(jīng)回旋水域折射進(jìn)入港池的波浪逐漸較少，因此港池的來(lái)波響應(yīng)稍有降低，從而港池波高折減幅度逐漸增加。而回旋水域波高折減幅度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，這可能與回旋水域的外形不規(guī)則有關(guān)，使之對(duì)波向175°N的波浪折射作用更強(qiáng)，對(duì)195°N折射作用較弱。

3 結(jié)論

本文依據(jù)TEMA港整體物理模型項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證BW數(shù)值模型的合理性，分析了模型對(duì)潮位、波高、周期的敏感性，并基于數(shù)值模型進(jìn)行港池開(kāi)挖對(duì)港口施工條件影響的數(shù)值分析，對(duì)比分析了港池開(kāi)挖前后，不規(guī)則波作用下港池和回旋水域波高分布的大小關(guān)系，以及隨港池開(kāi)挖深度、寬度、入射波周期和波向角的變化規(guī)律。具體結(jié)論如下：(1)各點(diǎn)比波高的計(jì)算值隨入射波高、周期的增大而增大，港內(nèi)不同位置對(duì)入射波高和周期的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護(hù)程度越好對(duì)波高和周期的敏感性越強(qiáng)的趨勢(shì)；各點(diǎn)比波高的計(jì)算值隨潮位的降低稍有增大，且長(zhǎng)周期波浪對(duì)潮位的敏感性略強(qiáng)于短周期波浪。(2)波浪進(jìn)入開(kāi)挖港池后波高持續(xù)衰減，越靠近泊位折減幅度越大。受港池影響，港池后方泊位施工區(qū)域以及部分防波堤掩護(hù)區(qū)域波高也相應(yīng)較小。從而在一定程度上，港池開(kāi)挖可以改善防波堤內(nèi)側(cè)以及港池后方泊位的施工作業(yè)條件。(3)港池開(kāi)挖深度、寬度、入射波周期和波向角均對(duì)港池內(nèi)波高的折減幅度有影響，且波高折減幅度與開(kāi)挖深度、寬度和波周期呈正相關(guān)。隨著波向角的向西偏移，港池內(nèi)波高折減幅度逐漸增大。

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