透空式防波堤在漁船避風港中的綜合研究

閆少華， 陳德春*， 馬 林

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098;2.鎮江市航道管理處，江蘇 鎮江212000)

漁港是沿海漁區十分重要的基礎設施，21世紀以來超強臺風沿我國東海岸線頻頻登陸，以致漁民生命與財產遭受損失，為使漁港成為沿海防災減災體系的有機組成部分，推動漁區經濟、社會、文化發展，首要解決漁船在臺風期避風和安全錨泊問題［1］。

透空式防波堤屬新型結構，具有結構簡單、適用軟基、堤身下部透空，有利于堤后水域內外水體交換，減少港區泥沙淤積的優點。近20多年來，國內對透空堤建設已有一些研究及工程實踐。

麻志雄等［2］以上海吳淞口炮臺灣船舶基地高樁承臺透空堤工程為例，在風浪水槽中進行透浪系數物理模型試驗，得到該透空堤透射波高與水深、波要素、堤寬、擋浪板入水深度的關系。文獻［3］給出了透空式防波堤結構與透浪系數Kt的計算公式。陳德春等［4］在威格爾對直板透浪系數研究基礎上，采用微幅波理論推導不同間距擋板的透空堤透浪系數計算公式，并基于廣東省海安新港荔枝灣防波堤物理模型試驗研究，得出透浪系數計算值與規范值及試驗值變化趨勢是一致的，當擋板入水深度與堤前水深之比(t/d)在0.35～0.50時與規范值吻合相對較好。

浙江省臺州市大陳漁港位于大陳島［5］，其規模較小，無法滿足漁船安全避臺風的需要。而該島中咀灣三面環山，西面臨海，是一個適合漁船避風的海灣，因地質為深層淤泥，需建設透空式防波堤以形成漁船避臺風錨地。

我國透空堤工程實踐表明［6-8］，透空堤的透浪系數與工程區域的水深、波浪要素和透空堤結構尺度有關。中咀灣的水深與波要素關系不在規范給出的透浪系數Kt計算公式范圍內，文中通過物理模型試驗測定擬建中咀灣透空堤斷面的透浪系數Kt，確定合理的透空堤擋板入水深度。同時考慮漁船能夠進出方便及得到有效的錨地面積，進而研究透空堤透浪系數與合適的建設長度，以達到透空堤整體防浪效果。

1 透空堤斷面透浪系數物理模型試驗

中咀灣位置示意如圖1所示，其透空堤設計斷面(見圖2)為高樁墩臺式結構［5］，堤身兩側設置擋浪板，每榀排架設4根600×600 mm預應力混凝土組合樁，4根樁組成兩對斜度為4∶1的叉樁。

圖1 中咀灣位置示意Fig.1 Schematic diagram of Zhongzui bay’s location

圖2 中咀避風港透空式防波堤斷面Fig.2 Sectional drawing of the permeable breakwater in Zhongzui bay fishing boats haven

1.1 水位和波要素

透空堤具有上部結構擋浪，下部過流，減少堤后水域泥沙淤積的優點。為最大限度發揮上部結構消波性能，試驗中考慮了極端高水位▽5.71 m、設計高水位▽4.41 m和水位▽2.50 m，3級水位50年一遇波況下，透空堤設計波要素見表1。

表1 透空堤設計波要素Tab.1 Design wave elements of the permeable breakwater

1.2 試驗條件和方法

遵循模型相似理論，依重力相似準則進行設計，考慮實驗室內波浪水槽尺度與透空堤設計斷面尺寸、堤前水深、設計波要素等因素，試驗斷面取正態模型、比尺為 1 ∶24［9－11］。

分析設計斷面(見圖2)，透空堤設計斷面兩側均設擋浪板，由于擋浪板入水深度對透浪系數的影響較大，因此，試驗中研究了透空堤4種擋浪板入水深度方案的消浪效果。

4種擋浪板入水深度分別為:

1)兩側擋浪板入水深度至▽0.9 m;

2)兩側擋浪板入水深度至▽1.1 m;

3)兩側擋浪板入水深度至▽1.3 m;

4)兩側擋浪板入水深度至▽1.5 m。

1.3 各方案透空堤斷面波浪透浪系數試驗結果

在3級水位與不規則波浪作用下，透空堤不同擋浪板入水深度時透浪系數見表2，其對應的堤后有效波高沿程分布如圖3所示。

表2 不規則波作用下透空堤透浪系數Tab.2 Transmission coefficients of the permeable breakwater under the action of irregular waves

圖3 不規波作用下透空堤堤后有效波高沿程分布Fig.3 Significant wave height distributions along the path after the permeable breakwater under the action of irregular waves

分析透空堤斷面透浪系數試驗結果表明:

1)水位對透浪系數的影響。隨水位自極端高水位▽5.71 m下降到▽2.50 m水位時，透浪系數逐漸增大。

2)擋浪板入水深度對透浪系數的的影響。由于擋浪板入水深度對入射波浪的阻擋作用，穿過透空堤斷面的堤后波高已明顯發生改變，相同水位波浪條件下，擋浪板入水深度增大，堤后波高值減小，透浪系數下降，消浪效果增強。

3)透空堤后縱向有效波高分布。由于漁船功率一般在448 kW以內，確保其錨泊安全的抗浪性能控制指標為有效波高Hs≤1.0 m。經透空堤擋潮消浪后，堤后最大波高位于透空堤后5 m處，堤后縱向120 m范圍內有效波高值是沿程減小，且小于1.0 m。

1.4 透空堤斷面推薦方案

透空堤擋浪板不同入水深度對透浪系數的影響較為明顯，擋浪板入水深度大，消浪效果好。但是，隨著擋浪板入水深度增大，外側波浪近似于立波，波浪水平作用力也隨之增大，不利于堤身自身安全;同時，擋浪板入水深度增大，也會影響透空堤下部過流，增大灣內淤積。因此，文中推薦方案3為透空堤設計斷面，即擋浪板低高程(入水深度)定為▽1.3 m。

2 透空堤整體防浪掩護數值計算

透空堤整體防浪掩護效果以最不利水位時，堤后水域有效波高Hs≤1.0 m面積最大為參考。當波浪傳入灣內時，一種方式是波浪透射穿過堤身進入(以透浪系數判斷)，另一種方式是波浪經過透空堤堤頭繞射進入，灣內波浪由這兩部分疊加。為確定合適的漁船進出口門寬度、透空堤建設長度，堤后水域滿足漁船安全錨泊的面積范圍，需采用MIKE 21 BW模塊進行透空堤整體防浪掩護效果數值計算。

2.1 MIKE 21 BW的基本方程

MIKE 21 BW 基于 Madsen 和 Sorensen［12］提出的改進的Boussinesq方程數值解，包括兩個模式:2DH BW波浪模塊和1DH BW波浪模塊。其中，2DH BW模式用于計算波浪在港口以及海岸地區的分布情況。

2DH BW波浪模塊求解Boussinesq改進方程中的自由水面高程ξ、沿深度積分的速度分量P和Q。Boussinesq方程為

連續性方程:

x方向動量方程:

y方向動量方程:

式中:ψ1，ψ2為Boussinesq項;P為x方向的流密度;Q為y方向的流密度;Fx為x方向的水平力;Fy為y方向的水平力;h為總水深;n為孔隙率;C為謝才系數;α為層流阻尼系數;β為紊流阻尼系數。

2.2 模型計算參數設置

選擇W和WSW兩個對防浪掩護影響較大的波浪來波方向進行數值計算，由于透空堤模型設置的關鍵參數是透浪系數，由波浪水槽測定的透空堤透浪系數是來波與透空堤斷面正交條件下的結果，也是最不利條件下的透浪系數。再根據推薦設計斷面尺寸，計算透空部分所占整個斷面面積的比率。透空堤的透浪系數見表3。

表3 透空堤的透浪系數Tab.3 Transmission coefficient of the permeable breakwater

2.3 防波堤口門大小的數值模擬

《漁港總體設計規范》［13］要求防波堤口門有效寬度為船長的1.0～1.5倍，由于中咀灣口天然寬度為296 m，考慮漁船的進出安全，數值計算分別研究了口門寬度120 m、透空堤堤長176 m;口門寬度100 m、透空堤堤長196 m;口門寬度80 m、透空堤長216 m 3種不同口門寬度的透空堤防浪掩護效果，并選擇最不利水位5.71 m與波高變化比較顯著并且可以傳到中咀灣灣頂的W波向和WSW波向進行數值計算。為比較錨泊面積范圍，在港內設置25個點位采集波高，分析不同方案時透空堤整體防浪掩護效果，灣內水域測波點布置如圖4所示，不同來波方向與不同口門寬度時堤后水域波高分布如圖5～圖7所示，表4為不同口門寬度對應的港內錨泊面積。

圖7 極端高水位下，不同方向的港內波高柱形圖Fig.7 Columnar diagram of the wave height with extreme high water level and different wave direction

表4 不同口門寬度時港內錨泊面積Tab.4 Mooring area under different widths of the permeable breakwater’s entrance

2.4 結果分析

分析不同來波方向與不同口門寬度時堤后水域波高分布，不同口門寬度時港內錨泊面積，可知:

1)港灣內W方向除了個別點外(有淺灘等原因導致的波能集中)，絕大部分點的波高隨著口門寬度的減小而減少，從模擬的波高數據分析可知口門寬度減小對W方向的波高起著顯著的阻止作用;另從泊穩面積上看，隨著口門寬度的減少，W方向港域內泊穩面積也相應地增加(見表4)。

2)從WSW方向柱形圖上可以看出，在口門處1，2，3點隨著口門寬度的減小，波高反而增大。這是由于防波堤長度的改變，口門入口處防波堤波能集中后移，使得入口處波高不降而增。但是港灣后面的點的波高基本上都是隨著口門寬度的減小而減小的，并且泊穩面積和泊穩面積百分比也符合口門寬度越小泊穩面積越大的規律(見表4)。

綜上所述，兩個波向在港灣內波高值基本上均隨著口門寬度的減小而減小，泊穩面積隨著口門寬度的減少而增大。為保證漁船進出安全，推薦口門寬度取100 m。

3 結語

分析波浪斷面物理模型試驗與整體防浪掩護數值計算結果，得到:

1)透浪系數隨水位下降逐漸增大。

2)相同水位、波浪條件下，擋浪板入水深度增大，堤后波高值減小，透浪系數下降。

3)隨著防波堤建設長度增加、口門寬度減小，灣內有效波高Hs≤1.0 m泊穩面積增加。

［1］浙江省海洋與漁業局.浙江省沿海標準漁港布局與建設規劃［R］.杭州:浙江省海洋與漁業局海洋利用規劃處，2007.

［2］麻志雄.透空式防波堤消波性能試驗研究［J］.水運工程，1990，10(28):3-8.MA Zhi-xiong.Test and study on the effects of wave dissipation for a permeable breakwater［J］.Port and Waterway Engineering，1990，10(28):3-8.(in Chinese)

［3］交通部第一航務工程勘察設計院.JTJ 298-98防波堤設計與施工規范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［4］陳德春，茆福文，沈麗寧，等.樁基擋板式透空堤透浪系數計算及試驗研究［J］.水利水運工程學報，2012(5):83-87.CHEN De-chun，MAO Fu-wen，SHEN Li-ning，et al.Calculation of wave transmission coefficient and experimental study of a permeable breakwater on pile foundation［J］.Port and Waterway Engineering，2012(5):83-87.(in Chinese)

［5］陳德春.臺州市椒江中咀避風港防波堤斷面波浪模型試驗［R］.南京:河海大學，2008.

［6］陳德春.浙江省舟山市定海區西碼頭漁港擴建工程初步設計總報告［R］.南京:河海大學，2003.

［7］陳德春.洪澤湖16號避風港工程透空堤試驗研究［R］.南京:河海大學，2003.

［8］陳德春.廣東省海安新港荔枝灣碼頭一期工程透空式防波堤斷面波浪試驗研究［R］.南京:河海大學，2004.

［9］南京水利科學研究院.JTJ/T 234-2001波浪模型試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2001.

［10］交通部第一航務工程勘察設計院.JTJ 213-98海港水文規范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［11］楊春平.近岸波浪傳播變形數值計算方法比較［D］.南京:河海大學，2007.

［12］Madsen P A，Sφrensen O R.A new form of the Boussinesq equations with improved linear dispersion characteristics，part 2:a slowly-varying bathymetry［J］.Coastal Engineering，1992，18(3-4):183-204.

［13］中國水產科學研究院.SC/T 9010-2000漁港總體設計規范［S］.北京:中國標準出版社，2001.