口門(mén)布置對(duì)港池消波和環(huán)流的影響研究

王 俊，張世安，吳嫡捷，王二平，王萬(wàn)戰(zhàn)

（1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南鄭州450044；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；3.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450003；4.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南鄭州450045）

1 港池消波研究現(xiàn)狀及問(wèn)題的提出

避風(fēng)港是集船舶靠泊、補(bǔ)給等功能于一體的港工建筑物，主要滿(mǎn)足船舶日常停泊及特殊天氣條件下躲避風(fēng)浪的需求。隨著沿海經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)有的避風(fēng)港池已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的航運(yùn)對(duì)船舶停泊及避險(xiǎn)的需求，設(shè)計(jì)和建設(shè)更多現(xiàn)代化港池已成為迫切需要。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)港池相關(guān)問(wèn)題做了大量研究。劉景利[1]針對(duì)典型港口布局現(xiàn)狀，探討了影響港口布局的普遍因素。周家寶等[2]通過(guò)開(kāi)展防浪掩護(hù)整體模型試驗(yàn)，提出了規(guī)則波和不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果基本一致的結(jié)論，因此為方便起見(jiàn)本文僅考慮規(guī)則波情形。王爽[3]探討了淺水湖泊的波浪特點(diǎn)及相應(yīng)的避風(fēng)港設(shè)計(jì)方法，并由波浪特點(diǎn)提出了每個(gè)港址設(shè)計(jì)的港池?cái)?shù)及通過(guò)不同口門(mén)方向的避風(fēng)掩護(hù)作用?？傮w來(lái)看，對(duì)港池水流波浪特性的研究開(kāi)展得相對(duì)較少，而港池口門(mén)布置對(duì)外海波浪的消波研究存在空缺。在以往研究中，采用物理模型模擬港池周邊的波浪場(chǎng)是常用的技術(shù)手段，但是物理模型尤其是港區(qū)掩護(hù)消波的三維物理模型費(fèi)用較高，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，模擬的工況數(shù)量有限。因此，本文通過(guò)建立平面二維波浪數(shù)學(xué)模型，研究港池布置對(duì)消波作用的影響及港池回流區(qū)與進(jìn)出港航線問(wèn)題，得到的結(jié)果可為研究復(fù)雜的港口航道問(wèn)題提供一定參考。

2 模型建立

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程為

水流動(dòng)量方程為

式中：t為時(shí)間；ρ為水的密度；P為水的壓強(qiáng)；VF為流體的體積分?jǐn)?shù)；Ax、Ay、Az分別為 x、y、z方向流體的面積分?jǐn)?shù)；u、v、ω 分別為 x、y、z方向的速度分量；Gx、Gy、Gz分別為 x、y、z方向的重力加速度分量；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的黏滯力加速度分量。

2.2 不同口門(mén)布置的概化模型

本研究主要考慮在波浪影響下，港池口門(mén)的布置對(duì)池內(nèi)水流的影響，因此對(duì)模型進(jìn)行概化處理，模型長(zhǎng)寬高擬定為180 m×180 m×6 m。為研究避風(fēng)港的口門(mén)位置及口門(mén)寬度的最佳情況，采用5種方案研究波浪對(duì)避風(fēng)港內(nèi)水流及堤前波浪的影響，具體避風(fēng)港方案布置參數(shù)如圖1所示，網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2。由于碼頭兩側(cè)以及口門(mén)區(qū)域流速梯度變化較大，因此為更有效地捕捉其運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)上述區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。其中波浪設(shè)置分別采用波高h(yuǎn)為1、2、4 m的3種港外規(guī)則波進(jìn)行模擬。

圖1 避風(fēng)港布置（單位：m）

圖2 網(wǎng)格分布

3 模型模擬結(jié)果及分析

3.1 避風(fēng)港波浪消減效果分析

為對(duì)比不同外海波浪傳入后各方案在港池內(nèi)的消波效果，在碼頭附近設(shè)置A、B兩個(gè)波浪數(shù)據(jù)提取點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著A、B兩個(gè)港區(qū)（見(jiàn)圖1），以分析港池內(nèi)波浪的基本特征。模擬得到不同波高傳輸情況下A、B兩點(diǎn)波高對(duì)比見(jiàn)圖3。

隨著港池外波高的增大，由于各種布置方案的防護(hù)防浪效果不同，位于碼頭兩側(cè)的A、B兩點(diǎn)在5種模型布置下水位變化各不相同。當(dāng)港池外傳入波高（1 m）較低時(shí)，各種布置方案的消波效果差異較小，但當(dāng)外海波高逐漸增大時(shí)，某些布置方案波高變化幅度增大，而另一些變化幅度較小，從而可以確定較優(yōu)的布置方案。如在A點(diǎn)，波高增大至4 m時(shí)，布置一、三、四、五都可將波高消減至2 m以?xún)?nèi)，其中布置四減幅最大，波高減至1.43 m，即該布置情況就防浪效果而言最優(yōu)，并且該布置在B點(diǎn)表現(xiàn)出的對(duì)港外規(guī)則波的消減效果也是最明顯的；而布置二波高減幅最小，減至2.48 m，防浪效果不佳。在B點(diǎn)，布置一、三、四、五的防浪效果明顯優(yōu)于布置二，均將波高消減至1.25 m以下，其中布置三、四、五均可將波高消減至1.10 m以下，而布置二在碼頭兩側(cè)A、B兩處所表現(xiàn)的消波防浪趨勢(shì)都非常不理想。

圖3 不同波高傳輸情況下A、B兩點(diǎn)波高對(duì)比

港池的修建使得波高在口門(mén)和碼頭附近均有不同幅度的消減，為了系統(tǒng)研究不同波高傳入過(guò)程中不同港池布置的波浪消減效果，針對(duì)波高為2 m的情況，提取了A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的波浪消減數(shù)據(jù)[4]。其中A、B兩點(diǎn)位于碼頭兩側(cè)，C點(diǎn)位于堤前，D點(diǎn)為口門(mén)中心位置（見(jiàn)圖1）。圖4為布置三A、B兩點(diǎn)水深變化曲線，可以看出，經(jīng)過(guò)避風(fēng)港對(duì)波浪消減后，波高有明顯減小趨勢(shì)（0.87～1.41 m）。

受防波堤影響，港外波浪傳播過(guò)程中，C點(diǎn)堤前波高為2.49～2.61 m，D點(diǎn)口門(mén)處波高為2.35～2.72 m，堤前和口門(mén)位置波高較大，在傳入避風(fēng)港港區(qū)后，波高明顯減小，防波堤起到了很好的消波作用，有利于穩(wěn)定港內(nèi)水位。通過(guò)模擬波高與港外規(guī)則波的差值，計(jì)算出波浪消減率，如圖5所示。

（1）布置一中，A、B點(diǎn)的波浪消減率為 9%和39%。由于口門(mén)位置處于上方開(kāi)口，且位于A、B港區(qū)中間位置，因此波浪進(jìn)入港區(qū)后波高有一定減小，但A、B港區(qū)內(nèi)波高變化不大，B港區(qū)（最大波高1.94 m）略小于A港區(qū)（最大波高2.20 m），在設(shè)計(jì)水位及一般波浪條件下要滿(mǎn)足港內(nèi)停泊條件較為勉強(qiáng)。

圖4 布置三碼頭兩側(cè)水深變化曲線

圖5 各種布置情況下波浪消減率分布

（2）布置二中，A、B點(diǎn)的波浪消減率為 5%和12%。由于雙開(kāi)口，防波堤對(duì)港外波浪的阻擋作用不大，因此堤內(nèi)波高有一定的減小，但消波效果不顯著，港區(qū)內(nèi)波高變化較大（A港區(qū)最大波高為2.24 m，B港區(qū)最大波高為2.19 m），未能達(dá)到港區(qū)船舶停泊條件。

（3）布置三中，A、B點(diǎn)的波浪消減率為 20%和30%。由于開(kāi)口處于下口位置，因此港外波浪進(jìn)入港區(qū)先到達(dá)B港區(qū)。同時(shí)，傳入A港區(qū)的波浪經(jīng)港區(qū)內(nèi)反射而到達(dá)A港區(qū)，還有部分直接傳入A港區(qū)，因而傳入A港區(qū)的波能量較低，A、B港區(qū)波高均滿(mǎn)足船舶停泊條件，A港區(qū)波高約為0.87 m，小于B港區(qū)的，較為穩(wěn)定，停泊條件相比于B港區(qū)更好一些。

（4）布置四中，A、B點(diǎn)的波浪消減率為 47%和45%。相比于布置三，布置四口門(mén)有效寬度減小為20 m，A港區(qū)與B港區(qū)最大波高分別為1.41 m和1.51 m，均小于布置三的，但口門(mén)減小會(huì)影響船舶單次進(jìn)港率。

（5）布置五中，A、B點(diǎn)的波浪消減率為 12%和15%。相比于布置三，布置五口門(mén)有效寬度增大為60 m，A、B港區(qū)內(nèi)最大波高分別為1.90、2.00 m，較布置三均有所增大，雖然增大了船舶單次進(jìn)港率，但防波堤對(duì)避風(fēng)港的防浪作用較小，不利于港區(qū)內(nèi)水流穩(wěn)定。

對(duì)比各布置堤前C點(diǎn)水位變化及D點(diǎn)口門(mén)位置水位變化可知，波浪最初進(jìn)入港區(qū)過(guò)程中，堤前C點(diǎn)位置受到防波堤的干擾，當(dāng)D點(diǎn)口門(mén)處波浪繼續(xù)向港區(qū)內(nèi)傳播時(shí)，C點(diǎn)處波浪受防波堤反射而與港外波浪相互作用疊加，堤前波浪振幅略高于口門(mén)位置波浪振幅。

3.2 港池內(nèi)部及口門(mén)附近危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)流及船舶安全進(jìn)港航線分析

3.2.1 港池內(nèi)部及口門(mén)附近危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)流研究

前文已分析波浪消減情況，但是除了平穩(wěn)因素以外，對(duì)于開(kāi)敞式港池，外海入流可能會(huì)在港池內(nèi)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的環(huán)流區(qū)，而環(huán)流區(qū)的存在會(huì)使船發(fā)生漂移等不穩(wěn)定情況[4]。此外，對(duì)于船舶進(jìn)出港等情形而言，口門(mén)處及港池內(nèi)的環(huán)流區(qū)會(huì)使船偏離航線。因此，通過(guò)對(duì)港池區(qū)域流場(chǎng)分布的模擬分析，得到港池及口門(mén)區(qū)的旋渦及環(huán)流分布，并據(jù)此給出了相對(duì)安全的進(jìn)出港路線。

航道中出現(xiàn)環(huán)流容易對(duì)船舶航行造成一定的影響，環(huán)流產(chǎn)生的傾覆力矩會(huì)導(dǎo)致船舶航行過(guò)程中偏離原來(lái)的航行方向，一些大的環(huán)流甚至導(dǎo)致一些噸位較小的船舶原地打轉(zhuǎn)而造成危險(xiǎn)。針對(duì)這種現(xiàn)象，利用數(shù)值模擬方法對(duì)各布置方案下港池內(nèi)外部可能出現(xiàn)環(huán)流的位置及尺度進(jìn)行了計(jì)算分析，以避開(kāi)環(huán)流危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Υ斑M(jìn)出港航行的影響。

由圖6布置三環(huán)流分布可以看出，隨著港外波浪進(jìn)入港池口門(mén)，布置三口門(mén)附近防波堤前部將形成一處小型環(huán)流（面積約為668.71 m2，環(huán)流半徑為12.19～13.72 m），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其他區(qū)域不會(huì)形成環(huán)流，危險(xiǎn)區(qū)域范圍小，對(duì)船舶進(jìn)港影響較小。

圖6 布置三環(huán)流分布

由圖7布置四環(huán)流分布情況可以看出，隨著港外波浪進(jìn)入港池口門(mén)，布置四口門(mén)附近防波堤后部形成1號(hào)環(huán)流（面積約為626.64 m2，環(huán)流半徑為12.06～12.99 m），隨著波浪持續(xù)進(jìn)入港區(qū)，環(huán)流因水流持續(xù)作用而消失，而在波浪進(jìn)入避風(fēng)港經(jīng)反射退潮后，與港外入港波相互作用形成堤外2號(hào)、3號(hào)環(huán)流（面積分別約為638.41 m2和928.13 m2，環(huán)流半徑分別約為13.60 m和15.94 m）。由于布置四中下口門(mén)有效寬度為20 m，因此導(dǎo)致3號(hào)環(huán)流面積比布置二環(huán)流面積增大了約222.73 m2，同時(shí)口門(mén)寬度減小對(duì)船舶單次進(jìn)港數(shù)量有一定影響，且環(huán)流對(duì)船舶進(jìn)港的影響會(huì)相應(yīng)增大。

圖7 布置四環(huán)流分布

布置一口門(mén)附近防波堤后部容易形成兩個(gè)小型環(huán)流場(chǎng)。布置二較易形成較多的環(huán)流，且多集中于口門(mén)位置附近。布置五由于下口門(mén)有效寬度變?yōu)?0 m，港外波浪進(jìn)入港池的波浪受防波堤影響較小，因此整個(gè)過(guò)程沒(méi)有明顯環(huán)流產(chǎn)生，但波浪基本能傳到港池內(nèi)部，對(duì)港內(nèi)水域影響較大。

綜上，港外波傳入避風(fēng)港及由港內(nèi)反射的過(guò)程中容易出現(xiàn)環(huán)流的危險(xiǎn)區(qū)域大多出現(xiàn)在避風(fēng)港口門(mén)附近堤前和堤后位置。同時(shí)比較布置三、四、五可知，口門(mén)有效寬度變化會(huì)對(duì)環(huán)流產(chǎn)生的區(qū)域影響范圍造成不同程度的影響：口門(mén)寬度過(guò)小時(shí)，形成的環(huán)流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；口門(mén)寬度過(guò)大時(shí)，波浪更容易傳播到港池內(nèi)部。因此，在避風(fēng)港設(shè)計(jì)完成后應(yīng)確定一個(gè)合理安全的進(jìn)港航線，避開(kāi)可能出現(xiàn)環(huán)流的危險(xiǎn)區(qū)域。

3.2.2 船舶安全進(jìn)港航線分析

由于布置一、二、五不能很好地滿(mǎn)足船舶的泊穩(wěn)條件，因此僅針對(duì)布置三和布置四進(jìn)行分析。

在布置三情形下，環(huán)流僅在口門(mén)靠近防波堤位置產(chǎn)生，且進(jìn)出港水流較穩(wěn)定。同時(shí)，相較于布置四而言，布置三口門(mén)寬度較大，船舶進(jìn)出過(guò)程中安全航行區(qū)域較大，環(huán)流對(duì)船舶進(jìn)出港安全影響較小，因此規(guī)劃進(jìn)出港航線如圖8所示。

布置四口門(mén)寬度減小，口門(mén)位置容易形成3處環(huán)流區(qū)，船舶進(jìn)出港安全性降低，進(jìn)出港航線規(guī)劃如圖9所示，由于該布置口門(mén)狹窄，因此對(duì)安全航線規(guī)劃要求更高，如若對(duì)環(huán)流區(qū)域的把握不到位，可能會(huì)導(dǎo)致大噸位船舶受環(huán)流影響而偏離航線，對(duì)一些小噸位船舶則可能造成原地打轉(zhuǎn)甚至傾覆危險(xiǎn)。

圖8 布置三進(jìn)出港航線規(guī)劃

圖9 布置四進(jìn)出港航線規(guī)劃

3.3 結(jié)果分析

綜上可知，應(yīng)當(dāng)合理確定口門(mén)有效寬度，保證航行安全，避免形成較大及較多的環(huán)流。布置五有效寬度為60 m，有利于船舶進(jìn)出，但相比于布置三，B港區(qū)波高增加了0.15 m，惡化了港內(nèi)的泊穩(wěn)條件；布置四有效寬度為20 m，相比于布置三，波高消減了0.04 m，利于港內(nèi)水流穩(wěn)定，但形成了3處環(huán)流，不利于保證船舶進(jìn)出方便及航行要求。因此，確定口門(mén)有效開(kāi)口寬度及優(yōu)良的航線需要綜合考慮。根據(jù)本文基本模型而言，口門(mén)位置同樣是一個(gè)影響港內(nèi)水域泊穩(wěn)條件的因素。由于港內(nèi)存在兩個(gè)子區(qū)域，因此口門(mén)開(kāi)口位置不同將對(duì)不同子區(qū)域產(chǎn)生不同的影響。結(jié)合以上分析，對(duì)比5種布置，從防浪和遠(yuǎn)期發(fā)展出發(fā)，布置三能保證船舶進(jìn)出港安全，布置較優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

不同口門(mén)位置和寬度對(duì)避風(fēng)港港區(qū)內(nèi)的波高有不同程度的影響。在上口門(mén)及雙口門(mén)的情況下，港外波浪進(jìn)入港區(qū)內(nèi)的阻擋較小，對(duì)港內(nèi)泊穩(wěn)條件不利。而采用下口門(mén)設(shè)計(jì)后，港內(nèi)泊穩(wěn)條件明顯改善。通過(guò)各布置易形成危險(xiǎn)環(huán)流區(qū)域的位置比較，大部分易形成環(huán)流區(qū)域的位置都在口門(mén)附近，口門(mén)位置堤前堤后均易形成環(huán)流，尤其在雙口門(mén)情況下，環(huán)流形成數(shù)量最多。同時(shí)，不同口門(mén)有效寬度對(duì)環(huán)流面積影響很大，較大的口門(mén)寬度不易形成環(huán)流，但容易惡化港內(nèi)泊穩(wěn)條件，而口門(mén)寬度過(guò)小雖然能改善港區(qū)泊穩(wěn)條件，但容易形成大面積的環(huán)流，從而對(duì)船舶進(jìn)港航行造成威脅。綜合考慮，布置三為最佳方案。