突堤碼頭港池斜向浪作用泊穩(wěn)條件試驗(yàn)研究

夏運(yùn)強(qiáng)，李 欣，王海峰，趙 晶

(中國人民解放軍91053部隊(duì)，北京 100070)

突堤式碼頭是針對碼頭岸線不足且水域較為充裕的港口中常用的碼頭布置方式，在海港中廣泛采用。兩座基本同向布設(shè)的突堤碼頭之間形成港池，它是船舶靠泊裝卸作業(yè)的主要場所。港池水域必須滿足一定的泊穩(wěn)條件，以滿足船舶作業(yè)的適用性和安全性要求。

從港池泊穩(wěn)角度講，理想的港池布置應(yīng)該是波浪掩護(hù)條件好。設(shè)計(jì)波浪工況下，港池特別是碼頭泊位處波高盡可能小，且應(yīng)盡量減少港池內(nèi)泊位直接承受橫向波浪的影響。唐國明等提到防波堤掩護(hù)條件以及口門位置、朝向的布置對港內(nèi)波浪傳播規(guī)律起著至關(guān)重要的作用[1],翟法等認(rèn)為港內(nèi)部分岸線如正對口門、主波向直接入射、主波向波浪二次反射等對港池泊穩(wěn)條件影響大[2]，劉海成等提到在平面布置中盡量避免出現(xiàn)周圍為直立式岸壁且有波浪入射的小面積港域[3]，潘軍寧等認(rèn)為港口口門朝向宜避開強(qiáng)浪方向，正對口門的港池邊界宜采用消浪結(jié)構(gòu)[4]，Lee Dong Hyun等也持同樣的觀點(diǎn)[5]。但在港口整體規(guī)劃時，同時需要考慮船舶進(jìn)出港便利、陸域物流路線合理、泊位數(shù)量要求等其他必要條件，港池布設(shè)難以達(dá)到上述理想狀態(tài)。另外，碼頭岸壁一般采用直立實(shí)體結(jié)構(gòu)，港池內(nèi)其他碼頭對入射波浪的反射或者船行波也可能造成目標(biāo)港池承受斜向浪或橫向浪作用?；谏鲜鲈?，有必要對此類問題開展相關(guān)研究。

本文結(jié)合具體工程，對某突堤碼頭港池開展較為系統(tǒng)的波浪整體物理模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究包括不同周期、波高、波向的斜(橫)向浪對港池泊穩(wěn)的影響，評估了港池的泊穩(wěn)條件，初步探討了改善港池泊穩(wěn)條件的措施建議，為相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)研究方案及實(shí)施

1.1 港池平面布置及碼頭設(shè)計(jì)方案

工程港池平面布置如圖1所示，港池向海側(cè)略呈喇叭口形狀，由兩座突堤碼頭和順岸護(hù)岸組成。兩座碼頭軸線夾角取10°，碼頭長度530 m，寬度30 m，護(hù)岸長度380 m。碼頭采用直立實(shí)體結(jié)構(gòu)(沉箱或方塊結(jié)構(gòu))，護(hù)岸采用1：1.5塊體消浪斜坡結(jié)構(gòu)。海平面高程為±0.0 m，碼頭面和護(hù)岸頂高程取+4.0 m，碼頭底高程同港池底高程取-20.0 m。

1.2 試驗(yàn)水位及波浪

試驗(yàn)研究水位取±0.0 m。波浪方向定義為與1#碼頭軸線夾角取105°和112.5°兩個方向，對應(yīng)入射浪直射2#碼頭區(qū)域長度分別為110 m和170 m(圖1)。試驗(yàn)測試以112.5°浪向?yàn)橹?。波高H13%取0.8 m、1.0 m和1.3 m三種，平均周期取6 s、7 s、9 s和12 s四種，具體組合情況見表1，共11種波浪工況。波浪采用單向不規(guī)則波(JONSWAP譜)[6]。船舶設(shè)計(jì)單位提供船舶靠泊碼頭允許波高標(biāo)準(zhǔn)：H13%不超過1.0 m。

表1 波浪工況Tab.1 Wave conditions

1.3 模型設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)研究采用波浪整體物理模型手段，試驗(yàn)港池尺度60 m×40 m×1.2 m，選擇正態(tài)模型，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，綜合考慮模型試驗(yàn)規(guī)程[7]相關(guān)規(guī)定、模型區(qū)域、港池尺度、設(shè)備能力等影響因素，模型長度比尺λ=50。港池和碼頭及護(hù)岸模型制作完成后，進(jìn)行浪高儀布置，共布置35個測波點(diǎn)(圖1)。根據(jù)碼頭泊位代表船型不同，1#碼頭泊位軸線布置測點(diǎn)5個，測點(diǎn)距碼頭前沿線25 m，測點(diǎn)間距70～80 m；2#碼頭泊位軸線布置測點(diǎn)6個，距離碼頭前沿線15 m，測點(diǎn)間距70～100 m。依據(jù)波點(diǎn)取R點(diǎn)。按照行業(yè)規(guī)程進(jìn)行依據(jù)波模擬，精度控制在許可范圍內(nèi)(圖2)。對上述各工況分別進(jìn)行試驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)處理分析，得到研究結(jié)論。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

碼頭泊位處波浪數(shù)據(jù)是衡量港池泊穩(wěn)條件的重要參數(shù)，重點(diǎn)對港池泊位軸線波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提取各波浪工況下港池兩座碼頭泊位軸線上波浪測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算各泊位軸線平均波高，見表2。

表2 港池碼頭泊位軸線波高統(tǒng)計(jì)值(H13%，m)Tab.2 Wave height along the berth axis in the harbor basin (H13%，m)

2.2 碼頭泊位軸線波高分布規(guī)律

以W1-H0.8 m-7 s、W1-H1.0 m-7 s、W1-H1.3 m-7 s和W2-H1.0 m-7 s四種典型波浪工況為例，對比分析相同周期不同波高、不同浪向工況下碼頭泊位軸線波浪分布規(guī)律，見圖3。

由圖可見，斜(橫)向浪入射條件下：(1)碼頭泊位波高沿軸線自碼頭根部至端部基本呈線性增加趨勢，最大值是最小值2～3倍，波高沿軸線分布不均勻性顯著；(2)相同波高和周期下，W1工況比W2工況碼頭泊位波高平均值增大約40%，波浪斜向入射角度的較小差別，會造成港池泊位波高較大的差異。分析原因：入射波浪直射2#碼頭并在兩座碼頭端部1/3～1/2長度范圍內(nèi)多次反射同時在傳播過程中損耗波能，與1#碼頭相對較小的繞射浪及繞射浪的多次反射浪共同作用造成軸線波高分布的差異，從試驗(yàn)現(xiàn)象看，碼頭端部泊位橫向浪特征明顯；兩個浪向下2#碼頭波浪直射區(qū)域差別(圖1)造成W1工況波浪明顯大于W2工況，也說明波浪反射是影響港池泊穩(wěn)條件的主要因素。

2.3 波浪周期對泊位波高影響

以W1-H1.0 m-6 s、W1-H1.0 m-7 s、W1-H1.0 m-9 s、W1-H1.0 m-12 s四種周期波浪工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，繪制碼頭泊位軸線波高特征值(平均值和最大值)及其比值與波浪周期對應(yīng)關(guān)系曲線，分別見圖4和圖5。由圖可見，斜(橫)向浪條件下：(1)兩座碼頭泊位波高呈現(xiàn)不同規(guī)律，對1#碼頭，泊位軸線波高特征值隨周期增大呈先減小后增大趨勢，6 s周期波高最大，9 s最小，后者是前者0.6～0.7倍；對2#碼頭，泊位軸線波高特征值隨周期增大而增大，12 s周期波高約是6 s的2倍；(2)波高特征值比值規(guī)律不同，1#碼頭比值隨波浪周期基本呈線性遞減規(guī)律，即波高不均勻性隨波浪周期增大而減??；2#碼頭比值呈先增大后減小趨勢。分析原因：在斜(橫)向浪工況下，1#碼頭泊位處波浪由繞射浪、2#碼頭反射浪和自身反射浪共同疊加而成，其中反射浪與港池寬度及波浪周期相關(guān)，不同周期波浪反射疊加后形成不完全立波，存在相位疊加問題，造成固定測點(diǎn)處波高隨周期的差異性。2#碼頭泊位波浪較1#碼頭增加了較大的入射浪(繞射浪)因素，總體來說，其繞射浪的影響程度大于1#碼頭反射及自身反射浪，即入射波繞射效應(yīng)占主導(dǎo)，因此不同于1#碼頭以反射浪影響為主的泊位波浪特征。

2.4 港池波況比較

由2.2節(jié)四種工況波浪測試數(shù)據(jù)計(jì)算并繪制港池等比波高圖(圖6)，分母為依據(jù)波點(diǎn)率定波高值，分析可見：(1)斜(橫)向浪入射條件下，港池中部以外水域波高明顯較大，橫向浪特征明顯，以內(nèi)水域波高降幅明顯。這是由于前者是反射浪主要影響區(qū)域，后者為繞射浪主導(dǎo)作用；(2)在兩座碼頭泊位端部附近波高最大，不同周期工況，最大波浪出現(xiàn)位置不同，7 s工況端部水域泊位最大，分析原因是測點(diǎn)處波浪疊加效果與波長及港池間距有一定關(guān)系；(3)從港池近岸側(cè)水域波高分布看，隨波浪周期增大，該水域波高明顯增大，說明較長周期波浪在港池內(nèi)傳播波能損耗小。

2.5 港池泊位泊穩(wěn)條件評估

根據(jù)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照1.2節(jié)碼頭泊位波高控制標(biāo)準(zhǔn)，泊位泊穩(wěn)條件評估結(jié)果如下：在試驗(yàn)給定的條件下，1#碼頭在W1-H0.8 m-7 s、W1-H0.8 m-9 s、W1-H1.0 m-9 s和W2-H1.0 m-7 s四種環(huán)境工況下滿足泊穩(wěn)要求，2#碼頭僅在W1-H0.8 m-6 s環(huán)境工況下滿足泊穩(wěn)要求。兩座碼頭泊位軸線端部測點(diǎn)波高數(shù)值為泊穩(wěn)條件控制點(diǎn)。

圖6 港池等比波高圖對比Fig.6 Comparison of relative wave height contour map in the harbor basin

3 相關(guān)問題探討

現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中關(guān)于港池設(shè)計(jì)規(guī)定如下：“5.3.7 港池朝向應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、船舶進(jìn)出的方便安全、碼頭岸線的利用、掩護(hù)條件和挖泥量等因素確定。波浪影響泊穩(wěn)條件時，港池的布置應(yīng)盡量減小港池內(nèi)泊位直接承受橫向波浪的影響?！薄?.3.9 突堤間港池寬度應(yīng)滿足船舶安全進(jìn)出港池和靠離泊的需要，根據(jù)港池兩側(cè)泊位布置、船舶是否在港池內(nèi)轉(zhuǎn)頭以及拖輪的使用情況等因素確定。”“5.4.3 碼頭的軸線方位，宜與風(fēng)、浪、流的主導(dǎo)方向一致，無法同時滿足時，應(yīng)服從其主要影響因素?！薄?.7.18 口門方向應(yīng)與進(jìn)港航道方位相協(xié)調(diào)，航道中心內(nèi)線與強(qiáng)浪向夾角宜為30°～35°，確定口門方向時，應(yīng)使強(qiáng)浪進(jìn)港的主軸線不直射碼頭的主要部位或反射性較強(qiáng)的直立式岸壁?！薄逗８酃こ淘O(shè)計(jì)手冊》[9]提到：港池的方向也應(yīng)避免與強(qiáng)浪方向一致，以免波浪傳入后，波能難以擴(kuò)散產(chǎn)生反射而影響泊穩(wěn)。上述規(guī)定為港池規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了基本遵循。

在港口水域平面布置規(guī)劃階段，首先要盡量避免出現(xiàn)口門或外海來浪直射港池岸壁式碼頭的狀況發(fā)生。如果港口布局基本已定或已建成，例如本工程，為保證港池泊穩(wěn)和船舶靠泊作業(yè)安全，可采取如下改善措施：(1)碼頭采用透空式或消浪式結(jié)構(gòu)形式，特別是波浪直射的碼頭區(qū)域，例如墩柱式、高樁式或開孔消浪沉箱結(jié)構(gòu)[10]型式，減少波浪反射影響；(2)適當(dāng)延長來浪向上游碼頭長度，也可以采用向港池內(nèi)折角延長方式，形成對港池的有效掩護(hù)；(3)適當(dāng)調(diào)整港池寬度，除滿足上述使用要求外，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)波浪周期下港池及泊位處產(chǎn)生立波從而導(dǎo)致泊穩(wěn)條件惡化的情況發(fā)生[11]；(4)從船舶操作角度，優(yōu)化船舶系纜方案，采用纜尾索等技術(shù)，在一定程度上提高系泊船舶的抗風(fēng)浪能力。上述措施均需根據(jù)港口實(shí)際水文環(huán)境條件，有針對性地開展試驗(yàn)研究工作后確定實(shí)施。

4 結(jié)論

針對某具體工程，對斜(橫)向浪入射突堤碼頭港池的泊穩(wěn)條件開展了波浪整體物理模型試驗(yàn)，系統(tǒng)分析研究浪向、波高、波周期等對港池特別是碼頭泊位處波高的影響，主要結(jié)論如下：(1)直立式碼頭岸壁對波浪的反射是造成該港池特別是碼頭端部水域波高增大、泊穩(wěn)條件變差的主要原因，泊位軸線波高分布不均勻性顯著；(2)港池兩座碼頭泊位波高特征值及其比值隨周期變化呈不同規(guī)律，波向上游碼頭泊位波高并非隨周期增大而增大，其最大值與港池寬度與波長比值有關(guān)；下游碼頭泊位波高隨波浪周期增大而增大；(3)反射效應(yīng)和繞射效應(yīng)的主次關(guān)系決定了港池不同水域的波高分布規(guī)律和特征；(4)港口規(guī)劃要盡量避免橫向浪入射直立式碼頭岸壁的情況發(fā)生，對已建港池的泊穩(wěn)條件改善提供了采用透空消浪結(jié)構(gòu)、優(yōu)化系纜方案等概念性措施建議。