涌浪作用下港內(nèi)波況試驗研究

李 輝毛艷軍王昊天桑高亞鄭振鈞馬小舟

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連116024)

涌浪是指風浪離開風區(qū)后所形成的波浪,周期范圍約為8～30 s。相比于周期小于8 s的風浪,涌浪具有波長長、穿透性強等特點[1]。對于有防波堤(特別是可透水的拋石堤)掩護的港域,涌浪對港內(nèi)波況和船舶泊穩(wěn)條件的影響不容忽視。針對涌浪的強透射性,張志等[2]、譚忠華等[3]對涌浪作用下防波堤透浪對港內(nèi)波況的影響進行了研究。張志等[2]研究發(fā)現(xiàn)涌浪的透射波浪對港內(nèi)泊位的系泊穩(wěn)定有明顯影響,譚忠華等[3]發(fā)現(xiàn)透射系數(shù)與波高呈負相關(guān)、與周期呈正相關(guān)。李繼選和趙津京[4]應(yīng)用MIKE 21 BW 模型研究了長周期波作用下港內(nèi)船舶泊穩(wěn)情況,結(jié)果表明系泊船對長周期波敏感性較強。上述研究多是在單向規(guī)則波或單向不規(guī)則波下進行的。許多學者采用多向不規(guī)則波進行了進一步的研究。俞聿修和柳淑學[5]基于模型試驗,認為使用不規(guī)則波進行試驗?zāi)芨玫胤从硨嶋H港內(nèi)波況,并研究了波浪的波向、航道布置對口門和港內(nèi)波況的影響,建議以口門處波高為基準研究港內(nèi)波況。喬吉平等[6]將港內(nèi)波浪進行長短波分離,研究了單向與多向不規(guī)則波作用下港內(nèi)波高的分布規(guī)律,建議應(yīng)用單向波來設(shè)計規(guī)劃港口建設(shè),偏于安全。吳月勇等[7-8]根據(jù)天然海浪的特點,研究了單向與多向涌浪聯(lián)合繞射、反射作用對港域波況的影響。Sakakibara和Kubo[9]根據(jù)現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬,研究了長周期波對船舶裝卸作業(yè)效率的影響,并對船舶的低頻運動提出了改進意見。López和Iglesias[10]對位于西班牙Ferrol港的船舶觀測,發(fā)現(xiàn)港內(nèi)的涌浪成分對船舶的升沉、橫搖、縱搖等垂直方向的運動有顯著的影響。

上述研究未系統(tǒng)地研究涌浪聯(lián)合繞射、透射作用對港內(nèi)波況的影響。本文基于秘魯錢凱港三維整體物理模型試驗,選取不同波向和波要素的組合作為入射波工況,研究了繞射、透射聯(lián)合作用下港內(nèi)不同區(qū)域的波高隨周期的分布規(guī)律,分析了周期和波向?qū)Ω蹆?nèi)同一位置波況的影響,以及周期和波向?qū)Ω蹆?nèi)特定位置的波浪響應(yīng)的影響。并對不同區(qū)域的波況條件進行評估,對港口設(shè)計建設(shè)具有參考意義。

1 模型試驗設(shè)置

1.1 模型布置

錢凱港位于秘魯中部的錢凱灣,該港為天然深水良港,能夠滿足大型船舶的掛靠需求。該港建設(shè)規(guī)劃一期工程將興建4個泊位,其中2個為多用途泊位,2個為集裝箱泊位。碼頭類型為高樁碼頭。工程布置圖如圖1所示,港域底高程-16.3 m,泊位底高程-17.8 m。該港地處南太平洋西海岸,波浪涌浪成分占比較大,經(jīng)常受涌浪影響,工程設(shè)計超出了規(guī)范的指導范圍[11-12],需要物理模型試驗進行論證,為設(shè)計提供依據(jù)。

圖1 工程位置與布置Fig.1 Location and layout of the project

試驗在34 m×55 m×1.3 m 的多功能綜合水池進行。該水池配有“U”型多向造波機系統(tǒng),能夠模擬規(guī)則波和多種頻譜的不規(guī)則波,多向波浪的方向范圍為±45°。試驗波高測量采用DS30型多通道波高采集系統(tǒng)。

模型采用正態(tài)比尺,為1∶70。模型布置圖見圖2。試驗地形和護面塊石等的加工滿足幾何相似、弗勞德數(shù)相似和斯特勞哈爾數(shù)相似[13]。碼頭按照高樁碼頭布置進行同比尺縮放,以保證泊位處數(shù)據(jù)的準確性。造波機邊界水深取原型-30 m 處水深,以靜水位為基準,極端高水位取+1.60 m,極端低水位取-0.2 m。水池兩側(cè)和尾端均布置有消浪裝置,可有效吸收波能,減小邊界效應(yīng)對試驗的影響。

為了模擬防波堤透射現(xiàn)象,在選取防波堤堤心石時,除質(zhì)量和尺寸按照比尺縮小外,還應(yīng)控制中值粒徑和級配。但如果堤心石僅按照幾何比尺進行縮放,會導致防波堤的透浪特性被低估。因為湍流耗散需要滿足雷諾相似準則,而試驗是按照重力相似進行設(shè)計的,在模型比尺下孔隙率較小,帶來了較大的水體耗散。為了保證透浪試驗?zāi)M的準確性,要通過增大堤心石的幾何尺寸對堤心石進行修正。參考Hughes[14]計算修正系數(shù)K,取K=1.63。堤心石尺寸及中值粒徑在按比尺換算基礎(chǔ)上,再乘修正系數(shù)K得最終試驗用的堤心石尺寸。

圖2中給出港內(nèi)波高儀位置,其中B1～B7為泊位處測點;C1、C2為航道測點,其中C1作為口門處位置測點;P1～P5為非靠泊區(qū)域測點。本試驗主要探索主防波堤后港內(nèi)的波高分布情況,并未涉及次防波堤,因此次防波堤區(qū)域不安置波高儀。本文以港內(nèi)波高與口門處C1波高的比值(比波高)表示港內(nèi)波況分布。小比尺下航道的折射效果不明顯,因此對于口門區(qū)域,本文重點分析波浪的繞射現(xiàn)象。由于試驗的設(shè)計考慮了防波堤的透射性,因此對港內(nèi)區(qū)域,本文會同時分析繞射、透射的聯(lián)合作用。

圖2 試驗?zāi)Ｐ筒贾肍ig.2 The layout of the experimental model

1.2 試驗波要素

結(jié)合實測資料,選取2種典型波向(SW 向和WSW 向),其中WSW 向在試驗中為正向入射。試驗入射譜采用JONSWAP譜模擬不規(guī)則波,選用的目標譜公式如下[15]:

式中,f為頻率,TP為譜峰周期,γ為譜峰升高因子,fP為譜峰頻率,H1/3為有效波高,σ為峰形參數(shù)。結(jié)合該工程的實際海域波浪情況,譜峰增長因子γ取1.0。

波要素采取有效波高H1/3和譜峰周期TP。試驗采用單向不規(guī)則波,波向采用SW 和WSW 兩種,試驗水位分高水位(+1.6 m)和低水位(-0.2 m)兩種。具體波要素見表1。每組工況進行3遍試驗,每遍試驗327 s,對應(yīng)原型45 min,檢查試驗的可重復(fù)性,并取平均值作為最終結(jié)果。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 非靠泊區(qū)域的波浪條件

2.1.1 周期對非靠泊區(qū)域波況的影響

將上述16個工況的試驗結(jié)果分別按相同的波向和水位分為4組工況組合進行分析。港域測點的比波高見圖3、圖4。對比同一測點的4種柱狀圖,在相同的波向及水位條件下,非靠泊區(qū)域的比波高與入射波周期密切相關(guān),總體上表現(xiàn)為入射周期越大,港域內(nèi)比波高越大。并且在非靠泊區(qū)域,同一測點下,入射周期差異越大,測點比波高值差異也就越大。圖4中,在非靠泊區(qū)域深處的P1點,防波堤阻擋性較差的WSW 向工況下,入射周期帶來的比波高差異比較明顯,進一步說明了長波對港內(nèi)的影響較大。同樣,在受堤頭繞射影響較大的P4、P5測點,長周期入射波帶來的比波高更大,這源于長波具有的強繞射性。

表1 試驗波要素、工況表Table 1 Wave elements and working conditions for the experiment

圖3 SW 波向的非靠泊區(qū)域波況Fig.3 Wave states in the non-mooring areas with a wave direction SW

對于測點的比波高,各工況組合下測點波況規(guī)律基本一致。在港口內(nèi)部,P1點的比波高略高于P2點的比波高,這在WSW 波向的工況(圖4)下更加明顯。隨著距離口門越來越近,比波高逐漸增大,但P5點比波高小于P4測點值。由于堤頭AB段防波堤的存在,對靠近防波堤的測點形成了更好的保護,在距離口門相同距離的情況下,靠近防波堤的測點比波高更小,表現(xiàn)為P2比波高低于P1比波高,P5比波高低于P4比波高。但隨著離防波堤越來越遠,這種保護的影響逐漸減小,甚至可以忽略。而WSW 波向下,防波堤對港內(nèi)的掩護性較差,這對于距離防波堤較遠的P1測點影響較大,表現(xiàn)出P1、P2測點的差幅比在SW 波向下的情況大。圖3b和圖4b中,在涌浪波的較強透射性下,即使較為安全的P2測點,在入射周期較長的工況下(SW-H-4),其比波高依然能達到0.2。因此,在有涌浪作用下的港口設(shè)計中,透射波的影響必須考慮在內(nèi)。

圖4 WSW 波向的非靠泊區(qū)域波況Fig.4 Wave states in the non-mooring areas with a wave direction WSW

2.1.2 波向?qū)Ψ强坎磪^(qū)域波況的影響

為了明確波向的影響,試驗選取編號為“1”和“4”的入射工況,對應(yīng)入射周期為TP=14 s與TP=20 s,比較相同周期下不同波向?qū)τ诜强坎磪^(qū)域波況的影響,見圖5。防波堤阻擋性較好的SW 向下,非靠泊區(qū)域的比波高值更小。隨著入射周期增大,波向?qū)Ψ强坎磪^(qū)域的波況影響變小,不再完全符合防波堤阻擋性差異的一般規(guī)律,波向影響的差異因不同位置而不同。對于長周期入射波,波浪的透射作用更強,這對靠近防波堤的測點(如P2)影響較大,因此表現(xiàn)出與防波堤更接近垂直的SW 波向下比波高較大。這表明在某些情況下,即使防波堤對正向來浪阻擋性更好,但強透射性帶來的影響不可忽略。雖然,總體上WSW 向入射波對港內(nèi)的波況影響更大(表現(xiàn)為比波高更大),但對于港內(nèi)不同的位置,因受涌浪強透射性以及防波堤布局和其他構(gòu)筑物的影響,導致長周期入射下港內(nèi)非靠泊區(qū)域?qū)Σㄏ虻拿舾行钥赡懿蝗缍讨芷谌肷鋸姟?/p>

圖5 波向?qū)Ψ强坎磪^(qū)域波況的影響Fig.5 Influence of the wave direction on the wave state in the non-mooring areas

2.2 泊位處的波浪條件

2.2.1 周期對泊位波況的影響

波向SW 的波況分布見圖6,波向WSW 的波況分布見圖7。B1～B7測點位置逐漸靠近口門。除了高水位工況下的個別點,對于同一工況,各泊位測點的變化規(guī)律基本相同。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn),最安全的泊位位置在B3處,該點距離口門最遠,距離防波堤也最遠,由透射和繞射產(chǎn)生的波高在該點也最小。B4～B7測點,離口門越近,泊位波浪受堤頭繞射作用占主導地位,受繞射影響越大,比波高值也越大。B1、B2測點是在港域內(nèi)測的,受繞射影響較小,但不同于B3,B1處比波高小于B2處,可能是因為B1處于泊位端部,外側(cè)有寬敞水域,波浪經(jīng)口門傳播至此后可以繼續(xù)在泊位端部向外繞射,從而比波高較小,這在對港內(nèi)影響較大的WSW 波向的工況下表現(xiàn)更明顯。

在波向、水位相同的情況下,不同周期的入射波對泊位波況影響的分布規(guī)律與泊位的位置有關(guān)。在防波堤阻擋性相對較好的SW 向工況下,在港域深處、受掩護性較好的B1～B3處測點,入射周期越長,比波高越大;距離口門越近,入射周期的影響開始減小,甚至出現(xiàn)入射周期越短比波高越大的情況。在防波堤阻擋性相對較差的WSW 工況下,入射周期的影響更加明顯,不僅表現(xiàn)在港內(nèi)深處的測點,大部分泊位測點均表現(xiàn)出相同的規(guī)律,即入射周期越長,比波高越大,涌浪對港內(nèi)泊位的影響較大。

另外,圖6b和圖7b中,高水位工況下泊位的比波高分布較離散。分析認為由于碼頭結(jié)構(gòu)為高樁碼頭,低水位情況下凈水面未觸及碼頭上部結(jié)構(gòu),波浪未受影響,規(guī)律性較好;高水位情況下凈水面觸及到碼頭上部結(jié)構(gòu)的底部,波浪相當于受到部分直立壁的影響,雖然很小,但相對于本身并不大的港內(nèi)波高來說其影響不可忽視。從而造成波高測量不確定性增大,結(jié)果離散型較大。結(jié)合非靠泊區(qū)域波況的圖4b和圖5b,沒有碼頭的影響,港域處低水位和高水位凈水面均未與任何構(gòu)筑物接觸,與圖6a和圖7a低水位情況類似,缺少了影響波浪作用的因素,呈現(xiàn)出比波高結(jié)果規(guī)律一致。這也驗證了本文對泊位高水位結(jié)果離散性大所做出的分析。

圖6 SW 波向的泊位波況分布Fig.6 Distribution of the wave state at the berths with a wave direction SW

2.2.2 波向?qū)Σ次徊r的影響

同樣選取編號為“1”和“4”的入射工況,對應(yīng)入射周期為TP=14 s與TP=20 s,比較相同周期下不同波向?qū)τ诓次徊r的影響,見圖8。與非靠泊區(qū)域波況結(jié)果相同,兩組結(jié)果均顯示W(wǎng)SW 向的比波高整體大于SW 向,這也與防波堤對兩種波向阻擋性優(yōu)劣相一致。如前所述,泊位處的測點距離防波堤較遠,透射波的影響在泊位處影響較小,因此涌浪入射下,波向?qū)Ω蹆?nèi)泊位處波況的影響仍然大致符合防波堤阻擋性差異的一般規(guī)律。值得注意的是,對于入射周期較短的組(TP=14 s),隨著距離口門越來越近,波向的影響逐漸減小(圖8a);而對于入射周期較長的組(TP=20 s),波向?qū)拷陂T的泊位測點的波況影響也比較大(圖8b)。這也與上述入射周期越長對港內(nèi)泊位波況影響越大的結(jié)論一致。

圖7 WSW 波向的泊位波況分布Fig.7 Distribution of the wave state at the berths with a wave direction WSW

圖8 波向?qū)Σ次徊r的影響Fig.8 The impact of the wave direction on the wave state at the berth

2.2.3 泊位處波浪的頻譜分析

防波堤往往對高頻波也即短波有著很好的掩護效果,但是對低頻波也即長波的掩護效果較差,甚至低頻波還會在港內(nèi)得到積蓄、放大。因此,本文采用快速傅里葉變換(FFT),計算口門和各泊位處的波面過程線所對應(yīng)的頻譜結(jié)果,來分析不同頻率波浪在港內(nèi)外的差異。這里選取工況SW-H-4和WSW-H-4,對應(yīng)上述分析中比波高最大的工況。選取泊位的4個測點(即B1、B3、B5、B7)與口門處測點C1的頻譜進行對比(圖9,圖10)。為了更好地表示低頻范圍內(nèi)譜值S(f)的對比,橫坐標采取對數(shù)形式。

圖9和圖10分別展示了波向SW 和WSW 下,四處測點與口門C1處的頻譜圖,圖中左側(cè)豎直虛線代表截止頻率的位置。與前述圖6b展示的結(jié)論一致,B3的頻譜曲線有著最小的譜密度值。防波堤能阻擋住大部分的入射波浪。但對比C1的頻譜曲線,四處測點在低頻范圍(圖中兩條豎直虛線之間)的S(f)均比C1的S(f)大。與圖9結(jié)論一致,圖10 中,防波堤對于高頻波浪有較好的阻擋,但不能阻止低頻波浪在港內(nèi)的放大。同時,波向WSW 是防波堤阻擋性較差的一個方向,這在圖10中B7與C1的對比圖中可以體現(xiàn),高頻組分B7的S(f)明顯大于其他泊位測點的S(f),這也與不同波向下防波堤阻擋性差異的結(jié)論一致。而低頻范圍的波浪對于船舶的橫蕩、縱蕩運動影響巨大。這部分波浪不僅與外海入射波浪的周期有關(guān),還可能與波浪在港內(nèi)的非線性相互作用有關(guān)。

圖9 波向SW 下泊位與口門的頻譜圖Fig.9 Frequency spectrograms at the berth and entrance with a wave direction SW

圖10 WSW 波向下泊位與口門的頻譜圖Fig.10 Frequency spectrograms at the berth and entrance with a wave direction WSW

以對頻譜圖的積分值表示波能。表2給出了SW、WSW 波向工況下,四處測點在低頻范圍(圖中豎直虛線包含的范圍)內(nèi),泊位測點處的低頻波能與口門處低頻波能的比值。比值大小的分布與泊位的位置并無明顯規(guī)律。但B1、B5測點是值得關(guān)注的,尤其是B1測點,雖然該處泊位離口門最遠,但卻有著較大的低頻波能,B5測點也是如此。相比之下,B3、B7測點的低頻波能較小。因此,對于外海入射波中有著較大的低頻波分量的海域,其港口的建設(shè)應(yīng)充分考慮港內(nèi)低頻波的放大對系泊的影響。

表2 泊位與口門的低頻波能比值Table 2 Low-frequency wave energy ratio of the berth to the entrance

3 結(jié) 論

本文基于秘魯錢凱港防波堤三維整體模型試驗,研究了涌浪繞射、透射聯(lián)合作用對港內(nèi)波況的影響,結(jié)論如下:

1)涌浪作用下,受透射、繞射影響,不同工況下港內(nèi)比波高分布規(guī)律相關(guān)性較好,距離口門越近,受繞射影響越大,比波高越大;

2)不同周期的入射波作用下,港內(nèi)同一位置比波高差異明顯,周期越長,港內(nèi)比波高越大;

3)受防波堤對不同波向入射波阻擋性的差異,涌浪下波向?qū)Ω蹆?nèi)的影響符合常規(guī)規(guī)律,即防波堤阻擋效果好的波向,其入射波對港內(nèi)的影響較小;

4)對于涌浪,防波堤對高頻組分阻擋性較好,但不能有效阻擋低頻組分,甚至低頻組分在港內(nèi)會有不同程度的放大。

無論是泊位還是港域測點,靠近口門處波浪繞射占主導作用。隨著深入港內(nèi),波況愈加復(fù)雜,波浪繞射、透射疊加作用,且隨位置的改變,入射波影響的程度也不同。總的來說,盡管有防波堤的掩護,但涌浪對于港內(nèi)波高的影響仍較強。例如,強繞射性使得靠近口門的位置(P4、B7)比波高甚至達到0.4以上(圖7b),這對于港內(nèi)船舶的泊穩(wěn)是非常不利的。港內(nèi)深處比波高有所減小,但波浪作用較為復(fù)雜,在某些工況下(圖7a),同一泊位的兩個測點的比波高差別較大,波動幅度較大,這與泊位的位置和入射工況有關(guān)。并且對于泊位處,低頻波浪組分相對于入射波的放大情況也需引起重視,容易造成船舶的橫蕩、縱蕩等運動。因此在涌浪作用的港口,建議必要情況下進行系泊船試驗以驗證校核,并結(jié)合泊位的功能特性,給出合理的設(shè)計。