陽江閘坡漁港波浪整體物理模型試驗(yàn)研究

吳岳峰,孫文哲,王崇賢,連石水,陳同慶

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 518034)

在港口海岸工程中,防波堤的尺寸及平面布置對(duì)港內(nèi)各處波高分布有著至關(guān)重要的影響,是港口建設(shè)成功與否的關(guān)鍵影響因素。在港口設(shè)計(jì)中,數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)、斷面物理模型試驗(yàn)、整體物理模型試驗(yàn)應(yīng)用廣泛。相比于前兩者,波浪整體物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蚋庇^地展現(xiàn)波浪的傳播和影響范圍以及越浪、爬高等現(xiàn)象,能夠?yàn)橥晟乒こ淘O(shè)計(jì)提供十分重要的科學(xué)依據(jù)[1]。近年來,周驚慧和王崇賢[2]利用波浪整體物理模型試驗(yàn)研究了降低堤頂高程對(duì)汕頭港廣澳港區(qū)內(nèi)波高分布的影響;劉針和欒英妮[3]利用波浪整體物理模型試驗(yàn)研究了大連港太平灣港區(qū)的港內(nèi)波高分布和碼頭上水情況;黃健鈞等[4]利用波浪整體物理模型試驗(yàn)研究了排樁式透空堤對(duì)港內(nèi)的掩護(hù)效果;喬貫宇和邳青嶺[5]利用分段的波浪整體物理模型試驗(yàn)對(duì)廣東省茂名港進(jìn)行了研究。

漁業(yè)是我國國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),而漁港是漁業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施[6-7]。為加強(qiáng)廣東省陽江市漁港建設(shè)工作,陽江市擬將閘坡漁港從現(xiàn)代漁港、美麗漁港進(jìn)一步升級(jí)打造為粵西及南海區(qū)域設(shè)施最先進(jìn)、功能最完善、產(chǎn)業(yè)鏈最完整、生態(tài)環(huán)境最優(yōu)美、規(guī)模領(lǐng)先的世界級(jí)現(xiàn)代化綜合性中心漁港[8-9]。項(xiàng)目計(jì)劃新建防波堤和大型漁船碼頭,新增錨泊水域,并對(duì)已有舊碼頭進(jìn)行擴(kuò)建。對(duì)于開敞海灣的漁港建設(shè)而言,一般需要建設(shè)防波堤來保護(hù)港內(nèi)的掩護(hù)水域,提高漁船錨泊與作業(yè)的安全性。漁港的有效掩護(hù)水域面積需滿足相應(yīng)要求,可利用整體波浪模型研究波浪傳播影響范圍,確定不同波浪作用下的有效掩護(hù)水域面積。

波浪整體物理模型試驗(yàn)多用于對(duì)港內(nèi)部分測點(diǎn)的波浪要素測定和分析[2-5],受到測點(diǎn)數(shù)量的限制,難以得到港內(nèi)波高分布和有效掩護(hù)水域面積?，F(xiàn)有的研究大多利用數(shù)學(xué)模型模擬港內(nèi)波高,從而得到港區(qū)內(nèi)的有效掩護(hù)水域面積[10]。為研究陽江閘坡一級(jí)漁港設(shè)計(jì)方案的掩護(hù)水域面積是否滿足要求,本文采用波浪整體物理模型試驗(yàn)方法,共布置82個(gè)波高傳感器測定波浪要素,利用反距離權(quán)重法[11]插值得到港區(qū)內(nèi)波高分布,從而計(jì)算得到港區(qū)的有效掩護(hù)水域面積,為防波堤平面設(shè)計(jì)提供支撐,并為未來港區(qū)船舶避風(fēng)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

閘坡漁港地處廣東省西南沿海海陵島,毗鄰港澳,陸路距陽江市48 km,距廣州市約300 km,水路距港澳約150 n mile。閘坡漁港自然條件優(yōu)越,三面環(huán)山,港池寬闊。

1.2 試驗(yàn)水位與波浪條件

根據(jù)《廣東省現(xiàn)代漁港建設(shè)規(guī)劃(2016—2025年)》[12]中示范性漁港(一級(jí)漁港)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求,一級(jí)漁港有效掩護(hù)水域面積不小于60萬m2,具體指在設(shè)計(jì)高水位和50 a一遇波浪重現(xiàn)期條件下,在各向波浪作用下,H1%波高在1 m以內(nèi)的水域面積不小于60萬m2。

(1) 試驗(yàn)水位。

試驗(yàn)水位取設(shè)計(jì)高水位3.39 m(以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn))。

(2) 波浪條件[13]。

試驗(yàn)選取S、SW、W、NW、NNW、NNE作為試驗(yàn)浪向。需要說明的是,本文所指的浪向均為外海浪向(S—SW)或小風(fēng)區(qū)浪的風(fēng)向(W—NNE),而造波機(jī)位置處的浪向則從數(shù)模結(jié)果對(duì)應(yīng)測點(diǎn)提取得到。試驗(yàn)時(shí)采用單向不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波浪下,率定點(diǎn)處的波浪要素見表1。

表1 設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波浪下率定點(diǎn)波浪要素表Tab. 1 Wave parameters with 50-year recurrence period at calibration points with design high water level

1.3 平面方案

陽江閘坡漁港初步設(shè)計(jì)方案總平面布置見圖1。擬在現(xiàn)狀防波堤西側(cè)新建南、西、北三段防波堤。其中北防波堤為拋石斜坡堤,呈直線布置,堤長240 m、堤頂高程8.0 m;西防波堤為拋石斜坡堤,呈折線布置,與北防波堤形成雙環(huán)抱,堤長940 m、堤頂高程8.0 m;南防波堤為沉箱直立堤,呈直線布置,南端堤頭布置在現(xiàn)狀海岸岬角外側(cè),距海岸線約100 m,堤長150 m、堤頂高程7.8 m。新建防波堤與現(xiàn)狀防波堤之間的港池稱為外港池,包含休閑船舶錨地、600 HP及以下漁船錨地和600 HP以上漁船錨地。為滿足漁船的靠泊需求,在外港池北側(cè)新建大型漁船碼頭一座,長度240 m,碼頭面寬度25 m、碼頭頂高程6.5 m。碼頭通過引橋與后方陸域銜接,引橋長度233.2 m、寬度8 m、引橋頂高程6.5 m。現(xiàn)狀防波堤內(nèi)的港池稱為內(nèi)港池,北側(cè)為600 HP及以下漁船錨地,南側(cè)為400 HP及以下漁船錨地。

圖1 漁港初步設(shè)計(jì)方案總平面布置圖Fig.1 The plane layout of preliminary design scheme of fishery port

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 主要設(shè)備與儀器

陽江閘坡世界級(jí)漁港波浪整體物理模型試驗(yàn)在天津大學(xué)港口與海岸工程實(shí)驗(yàn)室波浪試驗(yàn)水池中進(jìn)行。試驗(yàn)水池長60 m、寬40 m、最大水深1.4 m,試驗(yàn)水池采用可移動(dòng)式不規(guī)則波造波設(shè)備,可模擬正弦波、橢圓余弦波等規(guī)則波與P-M譜、MPM譜、B譜等不規(guī)則波。采樣點(diǎn)的波高測量采用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院開發(fā)的浪高儀與TKS-7型試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集軟件為交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院開發(fā)的2018型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 模型設(shè)計(jì)和制作

試驗(yàn)按JTS/T 231-4—2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[14]的要求進(jìn)行,模型采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),根據(jù)試驗(yàn)場地、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及波浪條件等因素綜合確定模型幾何比尺為λ=100,進(jìn)行正態(tài)比尺模型試驗(yàn),對(duì)應(yīng)時(shí)間比尺λt= 10。

根據(jù)工程平面布置圖和海域地形圖進(jìn)行工程海域地形制作和工程建筑物的布置。模型地形制作采用斷面法和等高線法,對(duì)于大面積的地形采用等高線法,對(duì)于工程海域南側(cè)的深槽等地形變化大的區(qū)域采用斷面法,根據(jù)現(xiàn)場1：1 000測量結(jié)果制作若干斷面板,保障地形制作精度。各個(gè)控制點(diǎn)的高程測量誤差不大于±0.5 mm,在控制點(diǎn)高程確定后進(jìn)行鋪砂,再用水泥砂漿抹面,復(fù)核各位置高程,誤差控制在±1 mm,平面位置誤差控制在±10 mm,精度滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的要求。防波堤與碼頭等結(jié)構(gòu)物根據(jù)設(shè)計(jì)圖,按比尺進(jìn)行制作,結(jié)構(gòu)物的位置和高程經(jīng)復(fù)核均滿足規(guī)范要求。為消除水池邊壁對(duì)波浪的反射,在水池邊壁設(shè)置消浪設(shè)施。模型平面布置圖見圖2。

圖2 模型平面布置圖Fig.2 Plane layout of the physical model

2.3 波浪模擬

整體模型試驗(yàn)采用不規(guī)則波進(jìn)行試驗(yàn),采用JONSWAP型譜。波譜模擬時(shí),總能量偏差控制在±10%之內(nèi)。不規(guī)則波以有效波高Hs和譜峰周期Tp為控制條件進(jìn)行波浪模擬,偏差均控制在±5%之內(nèi)。

2.4 反距離權(quán)重法

試驗(yàn)在港區(qū)內(nèi)共82個(gè)測點(diǎn)布置波高傳感器,其中70個(gè)基礎(chǔ)測點(diǎn)測量各波向下的港內(nèi)波高;針對(duì)S、SW和W向浪,增加12個(gè)補(bǔ)充測點(diǎn)以細(xì)化南堤和西堤后錨泊區(qū)內(nèi)的波高分布。港區(qū)內(nèi)任意位置的H1%波高值可利用周圍測點(diǎn)波高傳感器的測量值進(jìn)行反距離權(quán)重插值得到,插值點(diǎn)H1%波高的計(jì)算公式如下[15]

(1)

式中：n為已知波高測點(diǎn)數(shù)量;P(si)為波高測點(diǎn)si處的H1%波高值;ωi為波高測點(diǎn)si的權(quán)重。權(quán)重ωi的計(jì)算公式如下

(2)

式中：di為插值點(diǎn)s與已知波高測點(diǎn)si之間的距離;p為指數(shù)值,用于控制插值點(diǎn)與已知波高測點(diǎn)之間的距離對(duì)差值結(jié)果的影響,本文中p=2。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 初步設(shè)計(jì)方案下的港內(nèi)波高分布

在設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波浪作用下,對(duì)新建防波堤掩護(hù)下初步設(shè)計(jì)方案的港內(nèi)波高分布進(jìn)行了試驗(yàn),繪制港區(qū)內(nèi)H1%波高分布圖并統(tǒng)計(jì)H1%小于1 m錨泊區(qū)面積。圖3～圖8為各方向波高分布的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 初步設(shè)計(jì)方案S向浪作用下設(shè)計(jì)高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the S direction under design high water level for preliminary design scheme

圖4 初步設(shè)計(jì)方案SW向浪作用下設(shè)計(jì)高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.4 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖5 初步設(shè)計(jì)方案W向浪作用下設(shè)計(jì)50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.5 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for preliminary design scheme

圖6 初步設(shè)計(jì)方案NW向浪作用下設(shè)計(jì)50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.6 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖7 初步設(shè)計(jì)方案NNW向浪作用下設(shè)計(jì)50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.7 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖8 初步設(shè)計(jì)方案NNE向浪作用下設(shè)計(jì)50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.8 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNE direction under design high water level for preliminary design scheme

S、SW向浪作用時(shí),南堤有少量越浪發(fā)生(圖9),西堤基本無越浪。對(duì)于S、SW和W向浪除了從口門進(jìn)入外港池內(nèi),部分波浪從南防波堤堤頭與岬角間的開口進(jìn)入港池,該位置在設(shè)計(jì)高水位時(shí)水深約為5 m。對(duì)于NW、NNW向浪,西堤基本無越浪,這兩個(gè)方向的波浪可從新建北防波堤與新建碼頭的開口進(jìn)入港池。對(duì)于NNE向浪,波浪主要從新建北防波堤與新建碼頭間的開口進(jìn)入港池。

圖9 南防波堤越浪現(xiàn)象(S向浪)Fig.9 The overtopping at the south breakwater under the action of waves in S direction

從波高分布看,對(duì)于外港池內(nèi)的波高,S、SW、W向浪入射時(shí),波浪在北堤與西堤、南堤與西堤間的口門傳入港區(qū),并受直立式南堤處越浪的影響,新建外港池部分區(qū)域H1%波高超過或達(dá)到1 m。NW、NNW、NNE向浪入射時(shí),部分波浪從北堤與大型漁船碼頭中間進(jìn)入港區(qū),導(dǎo)致外港池部分區(qū)域波高較大。對(duì)于內(nèi)港池內(nèi)的波高,S、SW、W、NNE、NNW向浪入射時(shí),內(nèi)港池大部分區(qū)域H1%波高小于1 m。NW向浪入射時(shí),部分區(qū)域H1%波高大于1 m。對(duì)于已有的內(nèi)港池內(nèi)波高影響最大的浪向?yàn)镹W向,主要原因是部分波浪從新建北防波堤與大型漁船碼頭間的開口進(jìn)入,繼而傳入內(nèi)港池。傳入浪向與內(nèi)港池口門外法線方向接近,波浪從口門進(jìn)入內(nèi)港池,同時(shí),口門正對(duì)的碼頭為重力式的結(jié)構(gòu),存在一定的反射,造成一定區(qū)域H1%波高大于1 m。

表2為設(shè)計(jì)高水位50 a一遇各向浪作用下H1%小于1 m錨泊區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)于內(nèi)港池,綜合S、SW、W、NW、NNW和NNE向浪的結(jié)果,NW向浪作用下H1%小于1 m的內(nèi)港池錨泊區(qū)面積最小,其面積為61.4萬m2,滿足《廣東省現(xiàn)代漁港建設(shè)規(guī)劃(2016—2025年)》中示范性漁港(一級(jí)漁港)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于外港池,由于北側(cè)沒有防波堤掩護(hù),在偏北向的NW、NNW、NNE向浪作用下,外港池新增的H1%小于1 m的錨泊區(qū)面積較小。在S、SW、W向波浪作用下,在內(nèi)港池有效掩護(hù)水域面積滿足要求的基礎(chǔ)上,外港池新增H1%小于1 m的錨泊區(qū)面積分別為60.2萬m2、42.3萬m2、43.0萬m2。

表2 初步設(shè)計(jì)方案H1%小于1 m錨泊區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The mooring area with H1% less than 1 m for preliminary design scheme

3.2 深槽地形對(duì)堤外波高分布的影響

南防波堤與西防波堤間存在一處天然深槽(圖10),SW向波浪入射方向與深槽的走向較接近。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SW波浪作用下,新建南防波堤和西防波堤堤前局部的波高較大,對(duì)應(yīng)的H1%波高值見表3,具體測點(diǎn)位置見圖10。

圖10 南防波堤和西防波堤外水深分布和測點(diǎn)位置Fig.10 Water depth distributions and station locations outside the south and west breakwaters

表3 南防波堤和西防波堤外SW向浪作用下設(shè)計(jì)高水位50 a一遇H1%波高分布Tab.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level outside the south and west breakwaters m

根據(jù)表3中的結(jié)果,在SW向浪作用下,堤外最大H1%波高出現(xiàn)在西堤的拐點(diǎn)處(測點(diǎn)5),H1%波高值達(dá)到6.09 m,比附近測點(diǎn)波高高出約1 m。上述波高分布是由深槽地形對(duì)波浪的折射作用造成的,由于SW向浪與深槽地形夾角較小,折射作用較為顯著[16-17]。由于深槽的折射作用,測點(diǎn)2～5的波高增加,深槽地形對(duì)堤外波高分布影響較大,在進(jìn)行防波堤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視天然深槽的折射作用。同時(shí),波浪折射后,堤前的波高增大(如測點(diǎn)2),高水位時(shí)這些波高較大的波浪可通過堤頂越浪進(jìn)入港內(nèi),影響堤后的波高分布。

3.3 規(guī)劃方案初步評(píng)估

由于初步設(shè)計(jì)方案對(duì)偏北向的浪掩護(hù)效果相對(duì)較差,在此基礎(chǔ)上提出了規(guī)劃方案。圖11為規(guī)劃方案平面布置圖。北防波堤沿港池邊界延長,堤頭與陸地僅留有200 m左右的開口,對(duì)西防波堤北堤頭附近也適當(dāng)延長,增加150 m的沿航道的拐彎段,同時(shí),增加大型漁船碼頭的泊位數(shù)量,各結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)形式不變,航道與錨地的設(shè)計(jì)底標(biāo)高不變。

圖11 規(guī)劃方案總平面布置圖Fig.11 The plane layout of planning scheme of Zhapo fishery port

規(guī)范方案中北防波堤與大型漁船碼頭間的開口寬度顯著減小,延長的北防波堤、西防波堤對(duì)偏北向的NW、NNW、NNE向浪形成良好的掩護(hù)。根據(jù)表2的結(jié)果,對(duì)偏南向的S、SW、W三個(gè)浪向,W向浪對(duì)西堤后的錨泊區(qū)域影響最大。因此,規(guī)劃方案僅進(jìn)行W向浪的設(shè)計(jì)高水位50 a一遇情況下的試驗(yàn),通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)規(guī)劃方案后的港內(nèi)波高進(jìn)行初步評(píng)估。

圖12為規(guī)劃方案設(shè)計(jì)高水位50 a一遇W向浪作用下港內(nèi)H1%波高分布圖。與初步設(shè)計(jì)方案相比,南堤口門附近的波高基本沒有變化,由于北側(cè)港池基本被延長的北防波堤擋住,初步設(shè)計(jì)方案北防波堤北堤頭繞射進(jìn)來的浪在規(guī)劃方案基本不存在,鄰接北堤的港池區(qū)域波高較初步設(shè)計(jì)方案有所減小。西堤北堤頭增加了一個(gè)沿航道方向的拐彎段,西堤北堤頭處繞射后的波浪波高有所減小。外港池600 HP及以下漁船錨地H1%小于1 m的范圍約為34.6萬m2,比初步設(shè)計(jì)方案增加約4.6萬m2。外港池南側(cè)休閑船舶錨地H1%小于1 m的范圍約為13.0萬m2,與初步設(shè)計(jì)方案相同。外港池內(nèi)H1%波高小于1 m的總錨泊區(qū)面積約為47.6萬m2,比初步設(shè)計(jì)方案增加約4.6萬m2。

圖12 規(guī)劃方案W向浪作用下設(shè)計(jì)高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.12 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for planning scheme

4 結(jié)論

本文通過波浪整體物理模型試驗(yàn)對(duì)陽江閘坡一級(jí)漁港的港內(nèi)波高分布進(jìn)行了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在初步設(shè)計(jì)方案下,漁港內(nèi)設(shè)計(jì)高水位50 a一遇波浪作用下H1%波高小于1 m的錨泊區(qū)面積滿足《廣東省現(xiàn)代漁港建設(shè)規(guī)劃(2016—2025年)》中示范性漁港(一級(jí)漁港)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)有效掩護(hù)面積的要求,但對(duì)于偏北的浪向,波浪可對(duì)外港池產(chǎn)生一定影響。

(2)南堤和西堤外的深槽地形引起波浪折射,對(duì)堤外波高分布產(chǎn)生較大影響,在進(jìn)行防波堤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視天然深槽的折射作用。

(3)規(guī)劃方案擬延長的北防波堤和西防波堤有效地提高了對(duì)港區(qū)的掩護(hù)作用。在設(shè)計(jì)高水位50 a一遇W向浪作用下,外港池內(nèi)H1%波高小于1 m的600 HP及以下漁船錨泊區(qū)面積約為47.6萬m2,比初步設(shè)計(jì)方案增加約4.6萬m2。