臺(tái)風(fēng)作用下浮箱碼頭波浪數(shù)值模擬與受力研究

劉千盛, 吳 楠

(1.山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺(tái) 264000；2.中交一航局第三工程有限公司,遼寧 大連 116083)

0 引 言

201909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”是2019年西北太平洋生成的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng),是2019年登陸我國的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng),列新中國成立以來登陸華東地區(qū)的第3強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，先后影響福建、浙江、上海、江蘇、安徽、山東、河北、天津、北京、遼寧、吉林、黑龍江等十幾個(gè)省份。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于8月10日在浙江省登陸,又于8月11日20時(shí)50分許在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸,此后移入渤海海面。

某游艇碼頭位于煙臺(tái)芝罘灣港區(qū)港池內(nèi),為浮箱式碼頭,受北防波堤掩護(hù)。受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響,游艇碼頭浮橋主橋、支橋、連接鐵鏈斷裂。

圖1 碼頭平面布置圖

1 利奇馬臺(tái)風(fēng)過程復(fù)演

利奇馬臺(tái)風(fēng)過程復(fù)演采用SWAN模型。該模型采用動(dòng)譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程,模型以動(dòng)譜密度為未知變量,并考慮由地形及水流引起的淺水和折射效應(yīng),風(fēng)成浪,白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰減,波-波相互作用,適用于深水、過渡水深和淺水情形,目前已被廣泛應(yīng)用于河口、港口工程等的海浪模擬。

在直角坐標(biāo)系下,SWAN 模型的控制方程為采用波作用密度譜N(σ,θ)來表示的波作用守恒方程。波作用密度譜N(σ,θ)與波能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為:

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

波作用密直角方程為:

(2)

Cx、Cy、Cσ采用線性波理論計(jì)算:

(3)

(4)

(5)

(6)

計(jì)算網(wǎng)格囊括整個(gè)渤海灣范圍,總共由23 374個(gè)節(jié)點(diǎn)、12 477個(gè)三角網(wǎng)格組成,最大單元尺寸為20 km,最小單元尺寸為10 m,采用局部網(wǎng)格加密。

建立臺(tái)風(fēng)全過程風(fēng)浪模型,計(jì)算范圍網(wǎng)格包括整個(gè)渤海灣,如圖2所示,并在煙臺(tái)芝罘灣位置加密。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

依據(jù)歐洲中長(zhǎng)期(ECMWF)發(fā)布的風(fēng)速后報(bào)數(shù)據(jù)資料,建立臺(tái)風(fēng)過境期間大范圍的空間風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)場(chǎng)由u、v兩個(gè)方向的風(fēng)速矢量疊加,高度為海平面以上10 m。由建立的臺(tái)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)波浪模型,對(duì)工程海域臺(tái)風(fēng)及風(fēng)浪過程進(jìn)行復(fù)演。時(shí)間選取2019年8月9日12時(shí)至2019年8月14日0時(shí)。

利用臺(tái)風(fēng)過境時(shí)波浪要素實(shí)測(cè)值對(duì)模型數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明數(shù)值模擬得到的波要素與實(shí)測(cè)值擬合較為良好,趨勢(shì)一致,模型參數(shù)可以用于該研究中外海波浪數(shù)值模擬計(jì)算。

利用上述計(jì)算結(jié)果,提取工程位置口門外側(cè)-8 m等深線的波要素。最大波高發(fā)生的時(shí)間為2019年8月11日17時(shí)。

此時(shí)海域風(fēng)速及波高分布圖如圖3所示。

表1 工程區(qū)口門外側(cè)(-8m)波浪要素

圖3 2019年8月11日17時(shí)風(fēng)場(chǎng)及有效波高分布圖

2 港內(nèi)波浪要素計(jì)算

使用上述模型推算得-8 m等深線波要素作為港池波浪數(shù)學(xué)模型的計(jì)算邊界。港池波浪計(jì)算采用丹麥DHI開發(fā)的MIKE21軟件中的BW模塊。

Boussinesq波浪數(shù)學(xué)模型的基本方程為沿水深積分的平面二維方程,其方程為:

St+Px+Qy=0

(7)

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

按實(shí)際的結(jié)構(gòu)物形式，考慮防波堤、碼頭等已有建筑物的反射作用,自然岸線采用部分反射,防波堤及碼頭均為直立式,采用完全反射。計(jì)算水位為臺(tái)風(fēng)過境實(shí)時(shí)水位。泊位計(jì)算點(diǎn)H13%波高見表2,E向波高分布圖如圖4所示。波浪從防波堤南側(cè)口門入射,經(jīng)港池北側(cè)反射到游艇碼頭處,在E向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為1.11 m。在ENE向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為0.97 m。

表2 碼頭破壞處測(cè)點(diǎn)波浪要素

圖4 E向浪入射時(shí)H13%分布圖

3 浮箱結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”引起的風(fēng)浪作用下,太平灣浮箱碼頭部分結(jié)構(gòu)受到損壞。為計(jì)算破壞力大小,采用FLOW 3D軟件對(duì)浮箱受力過程進(jìn)行模擬,對(duì)單個(gè)浮箱所受的波浪力及在體坐標(biāo)系下的繞X軸、Y軸和Z軸的扭矩進(jìn)行分析。模擬所用波浪條件為上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

利用上述推算出的波浪數(shù)據(jù),輸入到FLOW 3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得浮箱在1.11 m有效波高下,主要在垂直方向運(yùn)動(dòng),沿平面方向運(yùn)動(dòng)幅度較小,所受水平方向合力最大值為102.79 kN,豎向合力最大值為250.55 kN;浮箱所受最大扭矩74.17 kN·m,繞Z軸方向。

由于本次模擬取單個(gè)浮箱作為研究對(duì)象,模擬其在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),但根據(jù)浮箱碼頭的受損情況來看,還是應(yīng)該進(jìn)行整體的模擬分析,從而得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。因此,在后續(xù)研究中,還需對(duì)浮箱碼頭在波浪作用下的整體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究,為設(shè)計(jì)人員后期設(shè)計(jì)修復(fù)加固方案提供較可靠的依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 考慮波浪折射、底部損耗、波浪破碎,通過SWAN風(fēng)浪模型計(jì)算2019年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)過境時(shí)工程區(qū)口門外-8 m等深線的波浪要素,結(jié)果表明臺(tái)風(fēng)過程中最大H13%E向?yàn)?.27 m,ENE向?yàn)?.39 m。

(2) 依據(jù)口門外設(shè)計(jì)波要素,采用MIKE21-BW模型,進(jìn)行了港內(nèi)水域波浪折射、繞射、及反射聯(lián)合計(jì)算,得出港內(nèi)計(jì)算點(diǎn)波浪要素結(jié)果,工程點(diǎn)H13%E向?yàn)?.11 m,ENE向?yàn)?.97 m。

(3) 根據(jù)上述波浪數(shù)值模擬結(jié)果,采用FLOW 3D軟件進(jìn)行浮箱受力模擬,浮箱最大水平受力為102.79 kN;最大扭矩為74.17 kN·m,方向?yàn)槔@Z軸方向。