峭壁反射港區(qū)波高分布模型試驗(yàn)研究

朱穎濤，劉鳴洋*，陳漢寶，范 波

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程研究中心 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，青島 266061)

港口工程中，通常在港區(qū)外建設(shè)防波堤進(jìn)行掩護(hù)，以減小波浪對港區(qū)的影響，優(yōu)化和改善泊穩(wěn)條件。研究港外波浪傳入港內(nèi)水域后的波要素變化規(guī)律對評估防波堤掩護(hù)效果具有重要意義，因此開展港內(nèi)波要素演變規(guī)律的模型試驗(yàn)研究十分重要。波浪從外?；蚪魅敫蹆?nèi)的過程中，會受到淺水變形、折射、底摩擦等影響，在堤頭附近發(fā)生繞射，或沿堤發(fā)生消散，或在碼頭結(jié)構(gòu)或自然岸線發(fā)生反射等現(xiàn)象。上述各種作用或現(xiàn)象使得波浪在港內(nèi)的傳播變得復(fù)雜。因此，針對港口工程中波浪由港外傳入港內(nèi)發(fā)生的波要素演變開展模型試驗(yàn)研究，提升港內(nèi)波浪傳播機(jī)理的認(rèn)識水平，對優(yōu)化防波堤和碼頭結(jié)構(gòu)平面布置，改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件具有重要的工程意義。

1 引言

圍繞不同港區(qū)的波浪傳播和演變特性，許多研究者開展了諸多數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究。連衛(wèi)東和劉針[1]分析了煙臺港欒家口港區(qū)和蓬萊東港區(qū)的波浪特性，利用MIKE21的BW方程波浪數(shù)學(xué)模型對平面布置方案下港內(nèi)的波況進(jìn)行了模擬，分析了直立式碼頭和高樁碼頭不同結(jié)構(gòu)型式對港內(nèi)波能的影響，發(fā)現(xiàn)直立式結(jié)構(gòu)型式使得波浪多次反射不利于泊穩(wěn)，而高樁結(jié)構(gòu)可以消散波能減小碼頭前波高。白靜等[2]以某大型港區(qū)工程為實(shí)例，通過波浪整體物理模型試驗(yàn)，研究了通過防波堤口門傳入港區(qū)的波浪條件，并采用數(shù)學(xué)模型模擬了港內(nèi)局部小風(fēng)區(qū)成浪的影響。該研究發(fā)現(xiàn)對于大型港區(qū)，當(dāng)口門與碼頭之間水域距離在1 km以上時(shí)，港內(nèi)碼頭處的波浪條件不但需要考慮外海傳入港區(qū)的波浪、防波堤繞射浪以及越浪產(chǎn)生的次生波影響，還需要考慮港內(nèi)風(fēng)成浪的影響。劉針和欒英妮[3]通過波浪整體物理模型試驗(yàn)，對大連港太平灣港區(qū)起步工程港內(nèi)波況和碼頭上水情況進(jìn)行測定，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對平面布置進(jìn)行優(yōu)化。該研究發(fā)現(xiàn)了波浪在直立碼頭間的來回反射以及航道邊坡對波浪的折射，研究了進(jìn)港航道邊坡開挖、防波堤延長以及樁式結(jié)構(gòu)的采用等優(yōu)化方案對港內(nèi)波高的減小效果。丁兆寬和宋荔欽[4]根據(jù)波浪斷面物理模型試驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)碼頭反射系數(shù)，并采用MIKE21的BW模塊建立了日照港石臼港區(qū)波浪傳播數(shù)學(xué)模型，針對碼頭不同結(jié)構(gòu)形式和不同平面布置，研究了不同方案組合下的港內(nèi)泊穩(wěn)條件。許忠厚等[5]分析了豎直雙擋板樁基碼頭不同擋板結(jié)構(gòu)(擋板底高程、擋板封閉情況)時(shí)的港內(nèi)波高分布特征，分析了不同工況下港內(nèi)泊穩(wěn)條件，研究了波向?qū)@射的影響、有效波高比與相對入水深度對透射系數(shù)的影響，分析了繞射波、透射波、反射對港內(nèi)波況的影響。黃濤等[6]圍繞以色列阿什杜德碼頭工程，利用商業(yè)數(shù)值模擬軟件分析了強(qiáng)浪條件不同施工階段下半掩護(hù)港區(qū)波浪場，得到了港區(qū)內(nèi)不同水域的最大作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)。翟法和馮衛(wèi)兵[7]針對葫蘆島港綏中港區(qū)開展了波浪整體模型試驗(yàn)并運(yùn)用改進(jìn)的Boussinesq方程模擬了不同平面布置方案港內(nèi)波高情況，探討了防波堤結(jié)構(gòu)形式、口門方向、口門寬度、航道和港池邊界結(jié)構(gòu)對港內(nèi)波高的影響。江森匯等[8]采用考慮波浪折射、繞射、反射以及波能損耗等多種物理過程的波浪數(shù)學(xué)模型研究日照港波浪要素，研究分析了日照港碼頭擴(kuò)建前后的港池泊穩(wěn)條件。李春良等[9]針對濰坊港新規(guī)劃港區(qū)的波浪入射及泊穩(wěn)問題，采用數(shù)值模擬方法，對濰坊港中、西港區(qū)內(nèi)波浪折繞射進(jìn)行了研究。喬吉平等[10]將泊位水域的波浪進(jìn)行長短波分離，對不規(guī)則波作用下的泊位水域長周期波高的分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)單向不規(guī)則波在泊位處的長波波高明顯大于多向不規(guī)則波，且波向的改變對港內(nèi)的長波也有一定的影響。白志剛等[11]圍繞波浪物理模型試驗(yàn)技術(shù)論述了基于板上波高信號反饋、板前波高信號反饋以及力信號的三種主動(dòng)吸收式造波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，總結(jié)對比各種技術(shù)在傳感器性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性和適用范圍等方面的優(yōu)勢與不足。

關(guān)于以上各個(gè)港口工程中波浪分布和演變的研究成果中，無論是物理模型試驗(yàn)還是數(shù)值模擬計(jì)算，均只涉及港內(nèi)直立式或樁式水工建筑物以及防波堤等人工結(jié)構(gòu)對波浪的影響，幾乎沒有關(guān)于自然岸線中峭壁形態(tài)邊界的反射現(xiàn)象研究。對于某些特殊地質(zhì)條件的港區(qū)，尤其是自然岸線中存在陡峭岸壁的情況，在研究港內(nèi)波要素分布時(shí)，須考慮其對波浪的反射作用，以及由此帶來的對港內(nèi)波浪場的影響和對泊穩(wěn)條件的影響。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型實(shí)例

模型試驗(yàn)以福建省福清海亮沃口一級漁港東防波堤工程[12]為研究對象。擬建防波堤總長1 770 m，其中東防波堤(寬肩臺式斜坡堤)長1 550 m，南防波堤兼碼頭(連片沉箱結(jié)構(gòu))長220 m，防波堤內(nèi)側(cè)160 m兼做4個(gè)200 HP 漁船泊位，外側(cè)150 m兼做3個(gè)600 HP漁船泊位。東防波堤北側(cè)與近岸山體間形成朝向北，寬301 m的口門，東防波堤與南防波堤間形成朝向南側(cè)，寬120 m的口門，形成港內(nèi)水域面積約為68.86萬m2(0.689 km2)。防波堤平面布置如圖1所示。漁港工程N(yùn)—S向朝向開敞大海，工程區(qū)主要受到6個(gè)方向港外波浪的影響，特別是ESE—SE向臺風(fēng)浪的影響。本研究主要關(guān)注港外SE、ESE、SSE、S、NNE和ENE等方向波浪傳入港內(nèi)后的波要素分布結(jié)果。港外主要波浪方向如圖2所示。

圖1 防波堤平面布置

2.2 試驗(yàn)水位和波浪要素

本工程水文信息以1985國家高程為基準(zhǔn)，據(jù)此采用設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期為50 a的港外波要素作為港內(nèi)泊穩(wěn)規(guī)律研究的試驗(yàn)波要素。波浪要素率定點(diǎn)如圖2所示，率定點(diǎn)波浪要素如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a波浪率定點(diǎn)D和I波浪要素[13]

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)施和模型制作

模型試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)廳中完成。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)、定床模型。試驗(yàn)場地為42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(如圖2所示)，采用幾何比尺λ為40。模型中各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級配符合《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中對于寬肩臺斜坡堤的規(guī)定，同時(shí)滿足《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001)[15]的要求。造波采用總長40 m可移動(dòng)推板式不規(guī)則波造波機(jī)及其控制系統(tǒng)。

為研究本工程西側(cè)山體岸壁反射作用對港內(nèi)波浪要素和泊穩(wěn)條件的影響，本模型試驗(yàn)按照平面布置方案進(jìn)行平面放樣，再按照相應(yīng)斷面圖構(gòu)建模型，擺放防波堤，并模擬后方山體峭壁形態(tài)，等效反映岸線坡度。另外，在制作模型的過程中模仿出海亮沃口港區(qū)水下地形條件，以及港區(qū)東北側(cè)的大王馬嶼、王馬仔島、南王馬嶼、王馬南嶼、對渡碼頭、南防波堤堤根與山體岸壁間的地形。工程實(shí)地的峭壁岸線及模型制作的地形全貌如圖3所示。

圖3 工程實(shí)地峭壁岸線和模型制作全貌

3.2 波浪模擬

根據(jù)《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[15]，寬肩臺式防波堤的斷面穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)采用不規(guī)則波進(jìn)行，因此本研究的整體穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行。不規(guī)則波采用頻譜模擬，頻譜采用《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)[16]中的JONSWAP譜。其解析式為

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3 港內(nèi)泊穩(wěn)條件分析

針對設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下港池內(nèi)泊穩(wěn)情況，在港池內(nèi)布置波高傳感器陣列(見圖4)，根據(jù)采集到的波高情況測算滿足泊穩(wěn)條件的水域面積，具體方法為根據(jù)波高分布等值線圖，得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積。

圖4 波高傳感器陣列

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 港外SE、ESE、S、SSE向浪條件下港內(nèi)泊穩(wěn)條件

SE向浪，設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，港內(nèi)波高分布等值線見圖5-a，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.573 km2。港內(nèi)波浪主要由南側(cè)口門傳入，南防波堤兼碼頭越浪次生波很小并快速衰減，堤身沒有越浪，北側(cè)口門傳入波浪很小；由于防波堤內(nèi)側(cè)斜坡較緩，部分口門進(jìn)入的波浪向東折射并在堤上消散；設(shè)計(jì)高水位SE向50 a一遇波浪作用下，僅口門附近區(qū)域H1%大于1 m。

5-a SE向浪 5-b ESE向浪 5-c S向浪 5-d SSE向浪

ESE向浪，設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，港內(nèi)波高分布等值線見圖5-b，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.598 km2。S向浪，設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，港內(nèi)波高分布等值線見圖5-c，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.643 km2。SSE向浪，設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，港內(nèi)波高分布等值線見圖5-d，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.648 km2。與SE向和ESE向浪相比，S向和SSE向浪在港區(qū)南口門有更直接的入射角度，但波浪傳入港內(nèi)后，泊穩(wěn)條件均是S向和SSE向好于SE向和ESE向。

4.2 港外NNE、ENE向浪條件下港內(nèi)泊穩(wěn)條件

對于NNE向浪，考慮原設(shè)計(jì)方案防波堤長度以及將北堤頭部分分別縮短100 m和175 m后港內(nèi)的波高分布變化。設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，原設(shè)計(jì)方案港內(nèi)波高分布等值線見圖6-a，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.686 km2；將北堤頭縮短100 m后，港內(nèi)波高分布情況見圖6-b，得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.573 km2；將北堤頭再次縮短75 m(累計(jì)縮短175 m)后，港內(nèi)波高分布情況見圖6-c，港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.509 km2。相比原設(shè)計(jì)方案，北堤頭縮短100 m和175 m后，港內(nèi)滿足泊穩(wěn)條件的水域面積分別減小了16.5%和25.8%。在NNE向波浪作用下，港內(nèi)波浪主要由北側(cè)口門傳入，在北堤頭處發(fā)生繞射，并在港池西側(cè)自然岸線形成反射和沿岸傳播(見圖6)；縮短北堤頭的長度100 m、175 m，港內(nèi)滿足泊穩(wěn)條件的水域面積由北向南減小。

6-a 原設(shè)計(jì)方案 6-b 北堤頭縮短100 m 6-c 北堤頭縮短175 m

對于ENE向浪，考慮原設(shè)計(jì)方案防波堤長度以及將北堤頭分別縮短100 m和175 m后港內(nèi)的波高分布變化。設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波要素條件下，原設(shè)計(jì)方案港內(nèi)波高分布等值線見圖7-a，由此得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.503 km2；將北堤頭縮短100 m后，港內(nèi)波高分布情況見圖7-b，得到港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.247 km2；將北堤頭再次縮短75 m(累計(jì)縮短175 m)后，港內(nèi)波高分布情況見圖7-c，港內(nèi)滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.119 km2。相比原設(shè)計(jì)方案，北堤頭縮短100 m和175 m后，港內(nèi)滿足泊穩(wěn)條件的水域面積分別減小了50.9%和76.3%。在ENE向波浪作用下，港內(nèi)波浪主要由北側(cè)口門傳入，在北堤頭處發(fā)生繞射，并主要在港池西側(cè)自然岸線形成反射(如圖7所示)；縮短北堤頭的長度100 m、175 m，港內(nèi)滿足泊穩(wěn)條件的水域面積由北向南急劇減小。

7-a 原設(shè)計(jì)方案 7-b 北堤頭縮短100 m 7-c 北堤頭縮短175 m

港外NNE向浪相比ENE向浪，在港區(qū)北口門有更直接的入射角度，但波浪傳入港內(nèi)后，無論是對于原防波堤堤長還是北堤頭縮短100 m和175 m情況，港內(nèi)的泊穩(wěn)條件均是NNE向好于ENE向。主要原因是NNE向浪的波高和周期本身就小于ENE向，且其波能在繞射和反射過程中衰減的程度更大。另外，NNE向浪進(jìn)入港內(nèi)水域后更多地沿峭壁岸線傳播，而ENE向浪經(jīng)峭壁反射后主要進(jìn)入港內(nèi)中心水域，使得泊穩(wěn)條件衰減更明顯。在ENE向浪入射工況，隨著防波堤北段長度的減小，不僅港內(nèi)水域面積急劇減小，被陡峭岸壁反射的波浪傳播方向也因?yàn)橹饕瓷鋮^(qū)域的變化而發(fā)生明顯改變(見圖7)。由此說明本工程的岸線對波浪的反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出類似于直立岸壁反射的規(guī)律，即波浪反射方向的指向性較集中。

5 結(jié)論

本文針對福建福清海亮沃口一級漁港工程，通過三維物理模型試驗(yàn)?zāi)M了自然岸線中的峭壁形態(tài)，得到了港內(nèi)泊穩(wěn)波要素分布以及滿足泊穩(wěn)條件的水域面積隨堤身長度變化的演變規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)港外SE、ESE、S和SSE向浪經(jīng)較小的南口門傳入港內(nèi)時(shí)沿堤消散現(xiàn)象明顯，僅口門附近區(qū)域不滿足泊穩(wěn)條件。

(2)港外NNE和ENE向浪主要經(jīng)北口門進(jìn)入港內(nèi)，波高和周期較小的NNE向浪主要在北堤頭發(fā)生繞射以及沿港內(nèi)西側(cè)岸線傳播，波高和周期較大的ENE向浪主要經(jīng)峭壁反射進(jìn)入港內(nèi)中心水域。

(3)港外NNE向浪和ENE向浪情況下，減小東防波堤北段長度100 m和175 m，港內(nèi)泊穩(wěn)水域面積相比原設(shè)計(jì)方案均有減小，尤以ENE向浪情況下減小程度更加顯著。除泊穩(wěn)面積有明顯變化外，本工程的岸線對波浪的反射現(xiàn)象還呈現(xiàn)出類似于直立岸壁反射的規(guī)律，即波浪反射方向的指向性較集中。因此，波高和周期較大的波浪經(jīng)防波堤口門進(jìn)入港內(nèi)后，受峭壁形態(tài)的岸線反射導(dǎo)致的泊穩(wěn)條件變化，是港口平面布置中應(yīng)關(guān)注的問題。