青島港董家口港區(qū)防波堤工程防浪效果研究

欒英妮，劉海源，張華慶

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001;2.交通部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

青島港董家口港區(qū)防波堤工程地處瑯玡灣外海開敞水域，外海波浪可直接傳至工程水域，作用于擬建工程建筑物，對港內(nèi)水域泊穩(wěn)條件造成影響，防波堤與口門布置成為影響港內(nèi)波浪條件的關(guān)鍵。本文主要針對不同的防波堤堤頭結(jié)構(gòu)型式、軸線走向以及口門寬度布置情況，對港區(qū)波高分布情況進行試驗研究。通過對試驗結(jié)果的對比，分析了不同防波堤布置形式下的防浪效果，得到防浪效果較好的防波堤布置形式，為工程的平面布置設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

本工程防波堤堤身結(jié)構(gòu)型式為斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤頭結(jié)構(gòu)型式有直立式和斜坡式2種。碼頭結(jié)構(gòu)型式采用實體直立結(jié)構(gòu)。工程平面布置見圖1。

1 試驗波浪

工程區(qū)SE向為強浪向和常浪向［1］，是港內(nèi)北二突堤散貨碼頭區(qū)起控制作用的浪向，SSE向和S向正對口門，對港內(nèi)的影響也較大，故試驗考慮S、SE和SSE 3個方向。

（1）試驗水位（當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面起）：極端高水位+5.91 m；設(shè)計高水位+4.71 m；設(shè)計低水位+0.67 m。

（2）波浪要素［1］：工程區(qū)-17 m等深線各水位下重現(xiàn)期50 a，2 a的波浪要素見表1。

2 試驗方案

根據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》（JTJ211-99），防波堤和口門的布置應(yīng)滿足港內(nèi)有足夠的水域、良好的掩護條件、適應(yīng)遠期船型發(fā)展等條件。因此防波堤的布置除應(yīng)對影響港內(nèi)泊穩(wěn)條件最多、最強或起到控制作用的波浪達到掩護作用外，還應(yīng)防止由于防波堤堤體軸線方向或結(jié)構(gòu)型式引起的反射波和順堤波對船用水域（航道、泊地等）產(chǎn)生有害影響［2］。

表1 -17 m等深線SE，SSE及S向試驗波要素Tab.1 Wave parameters of-17 m isobath of model test（SE，SSE and S directions）

工程平面布置的設(shè)計方案見圖1，防波堤分為東防波堤和西防波堤，東防波堤總長約5 200 m，西防波堤總長約1 720 m，口門寬度580 m，堤頭為直立式結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，按照3種類型防波堤布置形式進行了6個對比方案的試驗研究［3］。其布置形式包括3種類型：類型一為在設(shè)計方案基礎(chǔ)上改變堤頭結(jié)構(gòu)型式；類型二為在設(shè)計方案基礎(chǔ)上改變防波堤的長度；類型三為改變防波堤的走向。各方案的具體布置情況見表2。

表2 優(yōu)化方案Tab.2 Optimization schemes

3 模型設(shè)計

試驗遵循交通部《波浪模型試驗規(guī)程》（JTJ/T234-2001）進行，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，采用定床、正態(tài)。比尺按下式確定

式中：λl為模型長度比尺；lp為原型長度；lm為模型長度；λT為波周期比尺。

模型長度比尺為100。根據(jù)比尺關(guān)系公式確定水深和波高比尺均為100，周期比尺為10。模型實際占地規(guī)模81 m×42 m（長×寬），包括東、西防波堤、北一至北五突堤及所在的各散貨和集裝箱碼頭、整個北港池和主航道等水域。模型中導(dǎo)流堤及各碼頭結(jié)構(gòu)采用混凝土塊模擬，防波堤護面塊體按照其坡度鋪設(shè)相應(yīng)重量石塊模擬。地形采用樁點法復(fù)制。高程用水準(zhǔn)儀控制。試驗設(shè)備主要包括不規(guī)則搖板式造波機和TK2008型動態(tài)波高測量系統(tǒng)［4］。依據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98），在規(guī)范譜中用參數(shù)H*和P來決定其適用條件。其中H*決定采用深水譜公式還是有限水深公式；P值決定每個公式的適用范圍。根據(jù)試驗水位和波浪要素對規(guī)范譜參數(shù)進行計算，滿足規(guī)范譜要求。

4 方案比選及防浪效果分析

4.1 防波堤布置類型一防浪效果分析

防波堤堤頭結(jié)構(gòu)型式對口門、航道及港內(nèi)波浪條件的影響主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)型式的不同對波浪的反射和繞射產(chǎn)生的影響。對比設(shè)計高水位重現(xiàn)期50 a和2 a波浪作用下的試驗結(jié)果可知，防波堤直立式堤頭結(jié)構(gòu)的掩護效果優(yōu)于斜坡式，這是因為在底寬相同時，斜坡堤口門過水面積增大，進入港內(nèi)能量增加，港內(nèi)波高增大，掩護效果不如直立式堤頭結(jié)構(gòu)。在S向波浪作用時，由于來浪方向與防波堤軸線走向不垂直，波浪入向與直立式堤頭迎浪面成一定角度，對波浪的反射作用較明顯，反射波浪對口門和航道處波浪產(chǎn)生不利影響，波高要比斜坡式堤頭大。但在SE向波浪作用時，來浪方向與防波堤軸線走向幾乎垂直，朝向口門的直立式堤頭一面為順浪，波浪反射不明顯，對口門處波高的影響不及斜坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的繞射浪。由于SE為工程區(qū)的影響浪向，考慮到對港內(nèi)的掩護效果，認(rèn)為直立式堤頭結(jié)構(gòu)要比斜坡式堤頭結(jié)構(gòu)合理。波高數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 S，SE向設(shè)計高水位2 a重現(xiàn)期波浪比波高情況Tab.3 Relative wave height in condition of 2 years return period,designing high water level and S,SE wave directions

表4 S，SE向設(shè)計高水位50 a重現(xiàn)期波高情況Tab.4 Wave height in condition of 50 years return period,designing high water level and S,SE wave directions m

4.2 防波堤布置類型二防浪效果分析

類型二中的對比方案二和對比方案四，堤頭縮短后口門寬度增大，從口門進入港區(qū)的波能增加，港內(nèi)波高與設(shè)計方案防波堤布置相比增大。相反，對比方案三中的東、西防波堤堤頭加長，口門寬度減小，進入港區(qū)的波能減少，防波堤對港內(nèi)掩護效果增強，港內(nèi)波高與初步方案中防波堤布置情況相比減小。比波高情況見表5。

4.3 防波堤布置類型三防浪效果分析

類型三中對比方案五，東堤向南旋轉(zhuǎn)后，港內(nèi)掩護區(qū)域與對比方案四相比進一步減少，港內(nèi)波高比方案四稍有增大，與設(shè)計方案相比，平均增大約7%。對比方案六，西堤向南旋轉(zhuǎn)，雖港內(nèi)受西堤掩護區(qū)域稍有減小，但北一突堤、北二突堤和西防波堤之間港內(nèi)水域面積稍有增加，使得在該水域之間波浪的反射有所減小，港內(nèi)波高與設(shè)計初步方案相比基本相當(dāng)。比波高情況見表5。

綜合以上3種防波堤布置形式對港內(nèi)掩護效果的分析，認(rèn)為設(shè)計方案中的直立式堤頭型式是合理的。從波浪角度分析，對比方案三和設(shè)計方案的防浪效果要優(yōu)于其他對比方案，但防波堤的布置不僅要考慮波浪要素還應(yīng)考慮潮流及工程造價等因素。從潮流模型試驗結(jié)果分析［5］，對比方案三減小口門寬度，導(dǎo)致口門處流速增大，且從工程量來看，設(shè)計方案優(yōu)于對比方案三。綜合分析波浪潮流及工程造價等因素后，推薦設(shè)計方案為最優(yōu)方案。

表5 各方案SSE向設(shè)計高水位2 a重現(xiàn)期波浪比波高情況Tab.5 Relative wave height in condition of 2 years return period，designing high water level and SSE wave direction

5 結(jié)論

（1）本工程防波堤屬于雙堤環(huán)抱的掩護形式，在港內(nèi)布置相同時，港內(nèi)掩護效果主要取決于從口門進入港內(nèi)波浪能量的大小，口門越寬，進去的波浪能量越多，掩護效果就越差，文中數(shù)據(jù)證實了這一點。

（2）比較3種類型防波堤布置形式可知，類型二中的對比方案三增加防波堤長度，減少了從口門進入港內(nèi)波浪的能量，對港內(nèi)掩護作用增強，防浪效果優(yōu)于其他布置形式。但從潮流角度考慮，由于對比方案三口門寬度的減小，口門處流速大于設(shè)計方案，從工程量來看，設(shè)計方案優(yōu)于對比方案三。因此綜合考慮潮流、波浪試驗結(jié)果及工程造價等因素后，推薦設(shè)計方案為最優(yōu)方案。

［1］劉海源.青島港董家口港區(qū)防波堤工程波浪整體模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2009.

［2］洪承禮.港口規(guī)劃與布置［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［3］楊會利，劉海源，鄭寶友.青島造船基地防波堤工程防浪效果研究［J］.水道港口，2008（1）：36-38.YANG H L，LIU H Y，ZHENG B Y.Research on prevention effects of breakwater in Qingdao shipbuilding base［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（1）：36-38.

［4］王秉哲，張吉.港口波浪模型的設(shè)計與試驗（二）［J］.水道港口，1984（5）：38-47.

［5］丁廣佳.青島港董家口港區(qū)防波堤工程潮流物理模型試驗報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學(xué)研究所，2009.