港口長周期波問題的應(yīng)對措施

周 劍，解東升，李培良，付博新

(1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

長周期波是指周期在幾十秒到幾個小時的海面波動，通常在30 s以上，介于涌浪和潮波之間，一般包括次重力波(碎波拍、邊緣波)、副震蕩(假潮)、氣象海嘯、海嘯等。長周期波波長長、能量大、難耗散，常規(guī)的傳統(tǒng)消浪措施很難起到效果，常導(dǎo)致港口裝卸中斷、系泊纜繩斷裂、碼頭岸壁損壞、護舷和船體損傷，甚至人員傷亡等問題。如果進一步和港口發(fā)生共振，會帶來更大災(zāi)害。

國外對長周期波對策研究較多。日本沿海開發(fā)技術(shù)研究中心[1]發(fā)行了“港內(nèi)長周期波影響手冊”，涉及平面布局、消波結(jié)構(gòu)物、長周期波預(yù)警等對策；平石哲也等[2]研究了拋石斜坡堤、渦流結(jié)構(gòu)等長周期波吸收構(gòu)造物，評估了各種對策的適用性；Caro等[3]指出改進系泊系統(tǒng)可緩解長周期波問題。國內(nèi)尚無針對長周期波應(yīng)對措施的研究，但我國承建的斯里蘭卡漢班托塔港[4-5]、尼日利亞萊基港[6-7]、秘魯錢凱港[8-9]均面臨長周期波問題挑戰(zhàn)，其中錢凱港預(yù)期使用4～6組ShoreTension?緩解長周期波問題。

本研究搜集了受長周期波影響的港口分布，重點分析長周期波潛在應(yīng)對措施，為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 全球長周期波影響下港口分布

研究表明[10-11]，南非、澳大利亞南部、新西蘭、秘魯智利沿岸、日本沿岸、阿拉斯加灣沿岸等區(qū)域為次重力波影響嚴重區(qū)域，法國、葡萄牙等區(qū)域多發(fā)生副震蕩、氣象海嘯現(xiàn)象。我國港口次重力波影響有限，以副震蕩為主[12]。表1列出受長周期波影響的港口，圖1為相應(yīng)各港口位置分布。

表1 受長周期波影響的港口

注：圖中黑點為港口。

2 長周期波應(yīng)對措施

為了提高船舶系泊安全性和裝卸效率，并確保船舶靠離泊的定時性和穩(wěn)定性，有必要采取長周期波對策。一般有2種措施：1)減少波浪對船舶的作用；2)改變船舶系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。前者為“硬解決方案”，涉及港口基礎(chǔ)設(shè)施的變化，如通過修改港口布局減少波浪傳入、增設(shè)消波構(gòu)筑物降低目標泊位反射系數(shù)等；后者為“軟解決方案”，通過改善系泊系統(tǒng)緩解長周期波問題，或構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)指導(dǎo)船舶作業(yè)。

2.1 抑制長周期波生成或傳入

長周期波的生成與短波破碎密切相關(guān)。通過修改地形、構(gòu)建波聚焦或散焦結(jié)構(gòu)等方式，降低長周期波能量，改變長周期波傳播方向，是解決長周期波港口問題的手段之一。如消減地形(變緩、變平)、改變進港航道走向、建設(shè)波散焦丘等形式，減少長周期波產(chǎn)生，從而減少長周期波傳入港內(nèi)。

2.2 優(yōu)化平面布局

合理的港口平面布局可以改善港內(nèi)泊穩(wěn)度。對于新建港口，規(guī)劃時通過優(yōu)化調(diào)整平面方案，減少長周期波能傳入。而老港可以通過延長舊防波堤或新設(shè)防波堤和消波構(gòu)造物(如人工岸灘)來降低港內(nèi)長周期波能量。

長周期波進入港池可能會激發(fā)港池的共振。港池自然周期與水深、港口幾何形狀和尺寸密切相關(guān)，合理的布局可以避免共振。例如羅馬游艇碼頭防波堤、消波岸灘、消波港池的應(yīng)用(圖2)，有效改善了港內(nèi)泊穩(wěn)問題。

圖2 羅馬游艇碼頭長周期波消波措施

2.3 構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)

通過在港口內(nèi)建設(shè)人工岸灘、消波結(jié)構(gòu)物等消波設(shè)施，可以降低港內(nèi)長周期波反射造成的放大效應(yīng)，將波高降低到裝卸限制波高以下，進而改善港內(nèi)泊穩(wěn)度。圖3a)為渦流消波結(jié)構(gòu)[13]，由導(dǎo)水板和消能室構(gòu)成，利用渦流耗散進行消波；圖3b)為拋石堤消波，也可結(jié)合開縫沉箱等形式進行組合，利用碎石層摩阻、紊流、壓力差(消能池)進行消波。

圖3 典型消波結(jié)構(gòu)物形式

拋石斜坡堤比較常見[14]，反射系數(shù)分布在0.6～1.0(周期越大，反射系數(shù)越大)，其缺點是需要足夠長度和寬度(寬度一般不小于30 m)，占用岸線多；但建設(shè)成本低，施工便利，如日本苫小牧港成功應(yīng)用拋石斜坡堤[15](圖4)緩解港內(nèi)長周期波問題。

2.4 改進系泊配置

圖4 日本苫小牧港長周期波消波措施(單位：m)

針對長周期波帶來的系泊問題，另一個有效措施是修改系泊系統(tǒng)，通過改變船舶系泊系統(tǒng)的響應(yīng)提高操作安全性和減少船舶在泊位的停機時間。常規(guī)操作包括增設(shè)岸基系泊纜、使用充氣式護舷、使用恒張力絞車、采用真空系泊系統(tǒng)(MoorMasterTM、Auto Moor等)和液壓系泊系統(tǒng)(ShoreTension?)等。真空系泊系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在阿曼薩拉拉、南非庫哈、澳大利亞杰拉爾頓等港口；液壓系統(tǒng)也在澳大利亞埃斯佩蘭斯和杰拉爾頓、新西蘭塔拉納基、葡萄牙錫尼什、智利阿里卡等港口得到應(yīng)用。另外，改良系泊系統(tǒng)亦可防止共振，通過改變系泊系統(tǒng)的自然周期，使其偏離波浪的主周期，從而避免與長周期波發(fā)生共振。另外，拖船輔助系泊也是有效手段之一。

沒有通用規(guī)則可定義最合適的系泊系統(tǒng)，每個特定案例都需要對停泊船舶及其系泊系統(tǒng)進行聯(lián)合動力學(xué)分析，根據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化完善系泊布局，盡量抑制船舶過度運動。

2.5 開發(fā)長周期波預(yù)報系統(tǒng)

通過開發(fā)長周期波預(yù)報系統(tǒng)，可合理安排船舶裝卸以及靠離泊情況，規(guī)避風險。常用方法有長周期波浪數(shù)值預(yù)報[16]和經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)報[17]。前者根據(jù)波浪觀測、氣象信息等進行數(shù)學(xué)模型計算；后者構(gòu)建長周期波與短波經(jīng)驗關(guān)系。2種方法在日本高知港(圖5)[18]、八戶港、鹿島港、常陸那珂港、苫小牧港，澳大利亞杰拉爾頓港、新西蘭塔拉納基港等均得到應(yīng)用。

圖5 日本高知港長周期波預(yù)測系統(tǒng)

以上對策可在一定程度上緩解長周期波帶來的問題。相對來說，構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物和改進系泊系統(tǒng)是行之有效且低成本的對策。但是對于長周期波影響，沒有統(tǒng)一完美的解決方案，所有最優(yōu)措施均是根據(jù)實際情況平衡的結(jié)果。圖6為長周期波對策概念圖。

圖6 長周期波對策概念圖

3 案例

3.1 澳大利亞杰拉爾頓港

杰拉爾頓港位于澳大利亞西海岸，在珀斯北部375 km，長周期波是其系泊問題的根源。為了改善長周期波問題，提出如下改進措施。

1)改造防波堤。最初設(shè)想的解決方案是延長西防波堤，但投入資金非常大，能否獲得足夠效益值得商榷。研究發(fā)現(xiàn)[19]，現(xiàn)有西防波堤向北延伸350 m可有效降低港池第二模態(tài)長周期波(周期45 s，長周期波高度降低35%，系泊運動量改善20%)，但對第一模態(tài)90 s無影響。而滿載巴拿馬型船主要受90 s長周期波響應(yīng)，所以效果有限。

2)疏浚。長周期波沿著淺礁區(qū)和航道邊緣傳播。通過改變航道線形或尺寸(航道或礁坡加寬、變平)來緩解長周期波問題，但需要付出相當大的財政和生態(tài)成本。

3)改進系泊系統(tǒng)。通過增設(shè)岸基系泊纜、安裝軟護舷(充氣式護舷)、采用真空系泊系統(tǒng)MoorMasterTM和液壓系泊系統(tǒng)ShoreTension?(圖7)等措施，緩解長周期波影響。

4)開發(fā)長周期波預(yù)報系統(tǒng)。開發(fā)波浪預(yù)報系統(tǒng)以管理泊位運行(圖8)。在無其他措施的條件下，如果預(yù)測的長周期波高度(在25～120 s的周期范圍內(nèi))超過臨界條件0.20 m，則將船舶撤離泊位。

3.2 日本秋田港

圖7 采用Shoretension?系統(tǒng)的散貨船“KS Flora”

圖8 杰拉爾頓港長周期波預(yù)報系統(tǒng)

秋田港位于秋田市西北，港口深受長周期波影響，尤其是外港區(qū)域，因港內(nèi)的反射和共振，長周期波較港外放大，使得系泊船大幅度移動，導(dǎo)致系泊纜斷裂等問題，系泊障礙在冬季12月至次年2月尤為顯著。在無消波措施的情況下，實際裝卸效率均低于目標裝卸效率97.5%。

2004—2005年開展長周期波對策設(shè)施的配置計劃討論，包括防波堤延伸和港內(nèi)消波構(gòu)造物，前者延長防波堤、縮小港口，抑制長周期波侵入；后者在港口內(nèi)配置消波構(gòu)造物(圖9)，防止反射引起波高增大，最終采用港內(nèi)消波措施[20]。外港前消波于2008年完成，水深-8.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.92；綠地護岸前消波于2009年完成，水深-6 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.76；南防波堤消波于2010年完成，位于防波堤內(nèi)測，水深-14.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，距防波堤30 m，反射率0.88；綠地護岸直角消波于2011年完成，水深-13 m，L形開縫護岸，寬20 m，反射率0.89。各消波斷面形式見圖10。采用消波構(gòu)筑物后，長周期波高降低至原來的一半左右，裝卸工作率超過基準97.5%。

3.3 阿曼薩拉拉港

圖9 秋田港消波構(gòu)筑物現(xiàn)狀分布

圖10 秋田港消波結(jié)構(gòu)斷面形式(單位：m)

薩拉拉港位于阿曼蘇丹國多法爾地區(qū)南部，在薩拉拉市以西約15 km。6—9月夏季季風期間(當?shù)胤Q為“Khareef”)，外海涌浪傳入近岸水域產(chǎn)生長周期波，經(jīng)過岸灘反射和防波堤繞射傳入港內(nèi)，導(dǎo)致集裝箱船裝卸因船舶過度運動而中斷，降低貨物轉(zhuǎn)運作業(yè)效率。

為了降低長周期波影響并擴展港口，遠期規(guī)劃建議建設(shè)3.7 km北防波堤為擴建的集裝箱碼頭提供掩護。北防波堤建成后，同樣波浪條件下，系泊船舶運動量可減小50%以上，可明顯改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。

當前階段，薩拉拉港主要采用自動系泊系統(tǒng)抑制Khareef季節(jié)發(fā)生的船舶縱移運動，同時通過實時監(jiān)測系統(tǒng)，為仍然使用傳統(tǒng)系泊系統(tǒng)的泊位提供問題預(yù)警。與傳統(tǒng)纜繩系泊相比，采用自動真空系泊系統(tǒng)MoorMasterTM縱移可降到2 cm以內(nèi)，裝卸效率大幅提升。

3.4 新西蘭塔拉納基港

塔拉納基港位于新西蘭北島西海岸新普利茅斯，每年受長周期波影響的系泊問題可達6.5%～8.0%?？紤]到防波堤投資過大，塔拉納基港采用長周期波預(yù)報系統(tǒng)進行指導(dǎo)靠離泊工作(圖11)，后來進一步增加液壓系泊動力系統(tǒng)ShoreTension?消除長周期波帶來的影響。

注：Moturoa泊位，長周期波波高閾值0.1 m。

4 結(jié)論

長周期波主要應(yīng)對措施如下：

1)控制長周期波波源生成或傳入港內(nèi)；

2)優(yōu)化平面布局，減少長周期波傳入，避免港內(nèi)共振；

3)構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物(寬度一般不低于30 m)，降低港內(nèi)反射系數(shù)；

4)改進系泊配置，增設(shè)真空系泊系統(tǒng)、液壓系泊系統(tǒng)等系泊設(shè)施；

5)開發(fā)長周期波預(yù)警系統(tǒng)，使港口有富余應(yīng)對；

6)構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物和改進系泊系統(tǒng)是行之有效且低成本的對策，可作為優(yōu)選措施。