淺析已建港區(qū)波浪條件改善措施研究

楊會(huì)利 萬(wàn)驍 劉針 欒英妮 胡克

摘 要：港口的尺度、碼頭的結(jié)構(gòu)型式、口門朝向與當(dāng)?shù)氐牟ɡ颂匦?、防波堤掩護(hù)條件對(duì)港內(nèi)波浪傳播規(guī)律起著決定性的作用。本次研究針對(duì)秦皇島海警碼頭現(xiàn)狀布置條件下存在的泊穩(wěn)問(wèn)題以及梳式島堤改善方案，通過(guò)斷面物理模型試驗(yàn)得到了梳式島堤的穩(wěn)定斷面，測(cè)量了堤頂越浪，通過(guò)波浪力的測(cè)量給出了沉箱所受的水平力、浮托力和豎向力;通過(guò)波浪整體物理模型試驗(yàn)，對(duì)梳式島堤工程建設(shè)前后，港區(qū)的波高進(jìn)行了對(duì)比，島堤的建設(shè)可有效減小港內(nèi)波高。為下一步方案實(shí)施提供了理論支持和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：波浪;波能集中;梳式島堤

中圖分類號(hào)：U652.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0150-04

秦皇島海監(jiān)項(xiàng)目西防護(hù)工程初建時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低，2016年受“720”風(fēng)暴潮影響，局部護(hù)坡被沖毀，部分塊石被波浪沖到港池內(nèi)，對(duì)船舶進(jìn)出安全造成較大影響。另外在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，受波浪影響，北側(cè)碼頭泊穩(wěn)條件差，不利于工作船舶的停靠。

為改善港池泊穩(wěn)條件，消除安全隱患，本項(xiàng)目擬采用建設(shè)方案：在口門外側(cè)東南方向新建300m長(zhǎng)島堤，島堤推薦采用透水性結(jié)構(gòu);同時(shí)將現(xiàn)有475m長(zhǎng)的航道轉(zhuǎn)彎改線，改線后航道總長(zhǎng)800m，具體見圖1。河北海警支隊(duì)島堤建設(shè)項(xiàng)目位于秦皇島市山海關(guān)區(qū)龍?jiān)创蟮懒⒔粯蚰蟼?cè)、山海關(guān)一級(jí)漁港東側(cè)，河北省海監(jiān)執(zhí)法能力建設(shè)項(xiàng)目西側(cè)。地理坐標(biāo)為北緯39°56′40″，東經(jīng)119°43′20″。工程地理位置見圖2。

1主要問(wèn)題和研究思路

1.1主要研究問(wèn)題

港區(qū)原建設(shè)方案將由東、西防波堤環(huán)抱而成，工程范圍較小，建成的碼頭均采用直立式結(jié)構(gòu)型式，從口門進(jìn)入的波能很難消散，且港池現(xiàn)有布局存在凹角波能集中等情況?；谏鲜鲈?，其泊位泊穩(wěn)條件不佳，同時(shí)部分波能集中區(qū)護(hù)坡還有破壞現(xiàn)象。

1.2主要研究思路

項(xiàng)目前期通過(guò)波浪數(shù)學(xué)模型對(duì)工程深水區(qū)波要素進(jìn)行了推算，對(duì)島堤的多種布置方式和島堤長(zhǎng)度進(jìn)行模擬，并推薦了最終平面布置方案，方案平面布置見圖3，島堤斷面見圖4。

本次研究的主要思路是對(duì)推薦的最終方案，根據(jù)斷面物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證島堤斷面穩(wěn)定性、測(cè)量島堤后的波高分布情況和測(cè)定島堤的波浪力，得到穩(wěn)定斷面為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)波浪整體物理模型試驗(yàn)，分析現(xiàn)狀情況和島堤建設(shè)后港區(qū)的波高分布，為工程的后續(xù)建設(shè)提供研究依據(jù)。

2研究依據(jù)

2.1設(shè)計(jì)水位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/p>

極端高水位（重現(xiàn)期：50年）：2.66m;

設(shè)計(jì)高水位：1.76m;

設(shè)計(jì)低水位：-0.15m;

極端低水位：-1.71m。

2.2風(fēng)浪資料

秦皇島[1，2]海洋站位置N：39°55′，E：119°37′， 浮標(biāo)（傳感器）處基準(zhǔn)面水深-6～-7m。 對(duì)秦皇島海洋站波浪實(shí)測(cè)資料進(jìn)行處理，圖3為其對(duì)應(yīng)的波玫瑰。工程區(qū)是以風(fēng)浪為主的混合浪，風(fēng)浪頻率占61.5%，以風(fēng)浪為主的混合浪占7.86%，以涌浪為主的混合浪占29.82%。常浪為S向，頻率為22.64%;次常浪向?yàn)镋向，頻率為11.32%;強(qiáng)浪為ENE向，波高大于2.5m出現(xiàn)的頻率為0.04%。

2.3試驗(yàn)波要素

根據(jù)前期波浪數(shù)學(xué)模型成果中的試驗(yàn)波要素見表1。

3 梳式防波堤斷面模型試驗(yàn)

梳式防波堤[3，4，5，6，7，8]結(jié)構(gòu)是我國(guó)在“九五”期間自主研發(fā)、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新型水工結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)直立式防波堤相比，具有減小波浪反射、降低波浪總力、有效吸收波能和造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。

本次模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)斷面尺寸滿足幾何相似，根據(jù)試驗(yàn)要求和試驗(yàn)場(chǎng)地、造波機(jī)能力等限制條件綜合考慮，模型試驗(yàn)比尺定為=25。

模型沉箱采用木板對(duì)其形狀進(jìn)行模型，后通過(guò)箱體內(nèi)配重至設(shè)計(jì)重量。防護(hù)采用的塊石，按重力比尺挑選，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。護(hù)面塊體采用的四腳空心方塊，使用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。胸墻和毛石混凝土壓頂使用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗(yàn)規(guī)程的要求，質(zhì)量偏差控制在±5%以內(nèi)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

波浪斷面試驗(yàn)擬在我院水工廳風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)68.0m，寬1.0m，高1.5m，見圖6。造波機(jī)為電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)推板吸收式造波機(jī)，可以產(chǎn)生規(guī)則波與不規(guī)則波，造波能力為：最大造波水深1.0 m，波高0～35 cm，周期0.5～5.0 s。該設(shè)備由生波機(jī)械、電伺服控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和無(wú)反射模塊組成（見圖8）。水槽兩端均設(shè)有消波裝置，同時(shí)水槽兩端設(shè)有連通管，以使試驗(yàn)過(guò)程中模型兩側(cè)的水位保持不變。模型高程用水準(zhǔn)儀控制，長(zhǎng)度用鋼尺測(cè)量，波高采用波高傳感器，并通過(guò)TK-2008型動(dòng)態(tài)水位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)波高進(jìn)行采集分析。試驗(yàn)過(guò)程中采用攝像機(jī)記錄波面過(guò)程和上水、越浪等試驗(yàn)現(xiàn)象。波浪壓力測(cè)量，采用2008型微型點(diǎn)壓力系統(tǒng)采集。模型中塊石重量采用天馬TD1002型電子天平進(jìn)行稱重，精度為0.01g。試驗(yàn)過(guò)程中采用攝像機(jī)記錄波面過(guò)程和上水、越浪等試驗(yàn)現(xiàn)象。

3.2波浪模擬

本次試驗(yàn)研究采用不規(guī)則波進(jìn)行，對(duì)于不規(guī)則波采用JONSWAP譜模擬。其解析式為：

其中：r為譜峰因子，試驗(yàn)取3.3，fp是峰頻，為譜峰頻周期Tp的倒數(shù)，S（f）為譜密度，H1/3為有效波高，f為頻率，為平均周期。

3.3斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

重現(xiàn)期50年波浪，不規(guī)則波列作用于試驗(yàn)斷面，極端低水位時(shí)波浪作用至沉箱，在沉箱頂部形成濺浪，波浪通過(guò)翼板下開口透浪至堤后，引起堤后水體波動(dòng);設(shè)計(jì)低水位時(shí)大波沖擊沉箱在堤頂形成越浪，底部翼板開口處的透射浪和堤頂越浪量引起堤后水體波動(dòng)。設(shè)計(jì)高水位時(shí)大波沖擊沉箱在堤頂產(chǎn)生大量越浪;極端高水位時(shí)大波沖擊沉箱在堤頂產(chǎn)生大量越浪，一個(gè)波列中大部分波可越過(guò)堤頂。四種水位時(shí)模擬原體波浪連續(xù)作用3小時(shí)，沉箱及胸墻整體均保持穩(wěn)定，3t四腳空心方塊均保持穩(wěn)定，300-500kg護(hù)底塊石有個(gè)別發(fā)生滾動(dòng)，但護(hù)底塊石形狀沒(méi)有發(fā)生大的改變，沒(méi)有喪失護(hù)底功能，均判斷為穩(wěn)定。不同水位時(shí)的試驗(yàn)場(chǎng)景見圖9。

3.4堤頂越浪量結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)斷面的越浪量、越浪高度和越浪頻率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表2。極端高水位情況下，最大越浪厚度為2.75m，單寬平均越浪量為0.2692 m3/（m·s）。

3.5波浪力測(cè)量結(jié)果

依據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》JTJ/T234-2001和試驗(yàn)技術(shù)要求，在沉箱和胸墻上布置點(diǎn)壓力傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)定壓力，數(shù)據(jù)通過(guò)2008型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、分析。對(duì)于不規(guī)則波作用，連續(xù)采集100個(gè)以上波作用的波壓力過(guò)程，模型采樣的時(shí)間間隔為0.01s。波壓力測(cè)點(diǎn)布置見圖10。

受力分析：先將沉箱置于X、Z坐標(biāo)軸所構(gòu)成的二維直角坐標(biāo)系內(nèi)，坐標(biāo)系定義見圖10，其中定義來(lái)浪方向?yàn)閄向。然后將各測(cè)點(diǎn)所代表面積、壓強(qiáng)在該坐標(biāo)系X、Z二個(gè)方向分別進(jìn)行投影，再由各測(cè)點(diǎn)測(cè)得壓強(qiáng)過(guò)程線，利用積分得到在X、Z二個(gè)方向所受到的波浪力，最后統(tǒng)計(jì)其所受的水平力和浮托力。

單位長(zhǎng)度波浪力按下式計(jì)算：

其中：-X、Z方向所受到的波浪力（單位：kN）;-各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)壓強(qiáng)（kPa）;-測(cè)點(diǎn)在X、Z方向投影所代表的面積（m2）。

4波浪整體物理模型試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為100，亦即波高比尺為100，周期比尺為10，試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所波浪港池[9]中進(jìn)行。造波機(jī)和采集系統(tǒng)見圖11。分別對(duì)SSE、SE和S向波浪進(jìn)行模擬。試驗(yàn)波要素見表4。島堤建設(shè)前后在不同浪向下的波高對(duì)比見表4。設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50年，在SE向浪作用下西側(cè)碼頭前最大有效波高由島堤工程前的2.5m下降到1.57m;在SSE向浪作用下西側(cè)碼頭前最大有效波高由島堤工程前的2.06m下降到0.71m;在S向浪作用下西側(cè)碼頭前最大有效波高由島堤工程前的1.18m下降到0.67m。

5結(jié)論

碼頭泊穩(wěn)條件和港內(nèi)結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定是決定港口設(shè)計(jì)成功與否和正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，港口的尺度、碼頭的結(jié)構(gòu)型式、口門朝向與當(dāng)?shù)氐牟ɡ颂匦?、防波堤掩護(hù)條件對(duì)港內(nèi)波浪傳播規(guī)律起著決定性的作用。本次研究針對(duì)秦皇島海警碼頭現(xiàn)狀布置條件下存在的泊穩(wěn)問(wèn)題以及島堤改善方案，通過(guò)斷面物理模型試驗(yàn)得到了島堤的穩(wěn)定斷面，測(cè)量了堤頂越浪，通過(guò)波浪力的測(cè)量給出了沉箱所受的水平力、浮托力和豎向力;通過(guò)波浪整體物理模型試驗(yàn)，對(duì)島堤工程建設(shè)前后，港區(qū)的波高進(jìn)行了對(duì)比，島堤的建設(shè)可有效減小港內(nèi)波高。為下一步方案實(shí)施提供了理論支持和科學(xué)依據(jù)。

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