豎直雙擋板樁基碼頭港內波浪特性試驗研究

許忠厚，陳國平，尹亞軍，黃璐，董曉紅

（河海大學港口海岸與近海工程學院海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

豎直雙擋板樁基碼頭港內波浪特性試驗研究

許忠厚，陳國平，尹亞軍，黃璐，董曉紅

（河海大學港口海岸與近海工程學院海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

結合某碼頭二期工程建設，對豎直雙擋板樁基碼頭結構開展波浪整體與斷面物理模型試驗，對工程碼頭、防波堤設計波要素及港內波高分布進行了測定。分析了豎直雙擋板樁基碼頭不同擋板結構（擋板底高程、擋板封閉情況）時的港內波高分布特征，分析了不同工況下港內泊穩條件，并給出了最優化方案；研究了波向對繞射的影響、有效波高比與相對入水深度對透射系數的影響，分析了繞射波、透射波、反射對港內波況的影響。研究表明，《海港水文規范》給出的島式防波堤堤后不規則波繞射系數整體上小于豎直雙擋板樁基碼頭的繞射波試驗值，港域內波高最小的區域位于距離碼頭中心一倍船寬附近，最后提出了一種港內波高的簡化計算方法。

擋板式；波高分布；波浪透射；波浪繞射

波浪是海洋中最常見的現象之一，是海洋和海岸工程最重要的水動力因素，港內的波高分布和港內平穩度是港口規劃建設中需考慮的首要問題。在海港建設中，碼頭結構的合理設計以及港口建筑物的合理布局對港口船只的平穩停泊及裝卸作業有著顯著的影響。因此，了解波浪的傳播、變形、繞射和透射特性，確定港內波浪的分布具有理論與工程指導意義。

針對港口工程中的波浪傳播問題，一般有理論分析、實驗研究、現場觀測以及數學模型等解決方法［1］。對于地形復雜區域的波浪分布特性，物理模型的研究能夠較好反映波浪的傳播變形特性，很多學者采用波浪整體物理模型試驗做過港灣泊穩條件方面的研究，徐敏福等［2］采用堵口后整體泊穩試驗研究了透浪、繞射與越浪對港內波況的影響；Yu Yuxiu等［3］采用整體物理波浪物理模型試驗方法研究了引航道對港內波浪條件的影響；白靜等［4］以某大型港區工程為實例，通過波浪整體物理模型試驗研究防波堤口門傳入港區的波浪條件分析了港內小風區風成浪對港內碼頭設計要素及泊穩條件的影響；龔世杰等［5］，丁兆寬等［6］，劉針等［7］通過不同結構與碼頭或防波堤平面布置的波浪整體模型試驗，研究港內泊穩并進行了結構優化；對于樁基擋板式結構碼頭港內波浪特性研究，柳玉良等［8］通過樁基擋板式防波堤整體試驗分析了港內波況的影響因素，包括擋板、水深、波向以及對繞射波與透射波的影響進行了理論計算與試驗值的比較。本文通過豎直雙擋板樁基碼頭波浪整體與斷面物理模型試驗，分析研究豎直雙擋板樁基碼頭不同擋板結構（擋板底高程、擋板封閉情況）時的港內波高分布特征，以及繞射波、透射波、反射對港內波況的影響，對于類似工程建設具有參考價值。

1 試驗概況

某客運碼頭位于小洋山島東南側的沈家灣島，北側已建有防波堤，對偏N—NE向波浪掩護條件較好，但對夏季偏E—SE向風浪掩護條件較差，對港內波高影響較大的波向主要為E、ESE、SE向［9］，風浪較大時影響碼頭運營，為改善碼頭區的泊穩條件，擬對客運碼頭結構進行改造及擴建（圖1）。客運碼頭已建長度200m，擬建二期規劃對稱建設，長度180m，碼頭頂標高▽6.30m，設計兩側可同時?？看?。一期工程已經建成并投入使用，碼頭前后沿均采用消浪板結構，消浪板底標高▽1.5m。二期碼頭擬采用消浪板結構，消浪板底標高▽0.0m。消浪板間距16m，在碼頭邊緣消浪板間距36.35m，消浪結構見圖2～圖3。

圖1 碼頭布置方案與測點布置圖注：碼頭前沿1～6＃,19～22#,半倍船寬7～12#,23～26#,一倍船寬13～18#, 27～30#,防波堤31～34#,引橋35～36#,港內水域37～42#。Fig.1 Layout out of wharf and locations of gauges

圖2 一期碼頭南側及北側擋浪板立面結構圖Fig.2 South and north baffle elevation of the first phase wharf

圖3 二期碼頭南側及北側擋浪板立面結構圖Fig.3 South and north baffle elevations of the second phase wharf

2 模型設計

模型按重力相似律及《波浪模型試驗規程》（JTJ234-2001T）的規定進行模擬，整體試驗在80m×40m× 1.2m的波浪水池中進行。模型的幾何比尺采用1：100，采用斷面板法模擬地形，為了減小港池邊壁的波浪反射影響，模型外圍邊界設置了消浪設施，試驗采用的不規則波頻譜為JONSWAP譜。港內波高采用DJ800型多功能波高采集系統進行數據采集、處理及分析。在波浪平穩條件下，不規則波每次采集180個以上的波浪進行統計分析，每組試驗至少采集3次，取其平均值作為該組試驗的結果。

表1 試驗組合Tab.1 Schemes of test

3 試驗方法

試驗用設計波浪要素根據波浪整體數學模型試驗確定，分別進行E、ESE、SE向波浪試驗，模型設計采用ESE向作為正向［10］。共進行了原始地形條件等11個方案的試驗，試驗組合見表1。

方案1為原始地形條件下波要素試驗，方案2～11主要是測試二期碼頭建成后港域內波高分布及碼頭泊穩情況。試驗中，在模型范圍內一共布置了52個波高測點，主要分布在碼頭、港內回旋水域、引橋、防波堤等處（圖1），整體試驗波要素見表2。

表2 整體試驗特征點2 a一遇設計波浪要素Tab.2 Wave parameters of 2 years return period of the overallmodel test

4 試驗結果與分析

4.1 不同工況港內泊穩條件分析

外海波浪傳至工程區域，受到地形影響，E—SE向波浪均轉向至SE—S向，并且在傳播過程中受淺水變形影響，波高不斷增大?，F有防波堤對于E—S向波浪掩護作用不明顯。港域內2 a一遇的泊穩波高較大，基本都在1.0m以上；由于工程區受外海涌浪影響明顯，港內泊穩條件較差。

設計高水位時，方案2，一期碼頭的縱橫梁及南北兩側的透空消浪板具有一定的消浪效果；方案3，一期碼頭北側擋浪板封閉對北側區域起到一定的消浪作用，但由于碼頭長度較短，碼頭兩端波浪繞射明顯，有效掩護區域較小；方案4，二期碼頭南北兩側消浪板開孔率小于一期，其消浪效果略優于一期，二期碼頭的建設可進一步減小北側波高，且增大北側掩護區域，可有效改善碼頭北側的泊穩條件；方案5、6，碼頭北側擋浪板封閉有一定消浪效果，但作用不明顯。

設計低水位時，由于水位較低（+0.53m），消浪板底高程較高（一期為+1.5m、二期為0.0m），幾乎沒有消浪作用，因此，設計低水位情況下二期碼頭建設對于碼頭區域的泊穩波高無影響。

方案7，一、二期碼頭附近的泊穩波高和方案5幾乎一樣，即北側擋浪板底高程的降低（一期降為0.0m、二期降為-1.0m），并不能有效減小碼頭北側的泊穩波高。方案8防波堤延長后，對于E—ESE向波浪有很好的掩護作用，SE向波浪則變化不大，此方案泊穩條件最好，但在深水區延長防波堤造價較高。

方案9二期北側底板進一步下降，但底板與泥面之間仍有約1m透浪空間，與方案7相比，二期北側波高略有減小，但效果不明顯。方案10在設計高、低水位情況下，碼頭北側區域的泊穩條件均好于方案2～6。方案11一、二期碼頭北側擋浪板均降至灘面，和方案10相比，一期碼頭北側波高明顯減小，但二期碼頭北側波高并未明顯減小，主要因為此時港域內的波高已經變為以口門的繞射為主。

綜合方案2～11，方案10最優，但根據斷面模型試驗結果，消浪板封堵，會增大波浪對碼頭結構的垂直和水平作用力。方案10的北側擋浪板采用板樁結構，埋入泥面一定深度，既可以增加整體碼頭在波浪作用下的穩定性，也可以防止封閉后可能產生的沖刷問題。由于工程海域自然條件復雜，泊位區掩護條件差，船舶噸位小，泊穩要求高，在潮位較低時，透射波浪很大，泊穩條件較差。

4.2 繞射波對港內波況的影響

港內繞射系數Kd的分布與防波堤及碼頭平面布置、入射波方向、水深等因素有關，尤其以來浪方向影響最大。

由于方案11碼頭北側擋浪板高程下降到灘面，實際為直墻式結構，阻擋了波浪透射，港內波浪以繞射波為主。碼頭北側一倍船寬測點29～30#，16～18#受反射等其他作用影響很小，主要測得的是繞射波高，可用實測有效波高與入射有效波高之比作為實測繞射系數Kd。下面闡述碼頭北側一倍船寬繞射系數的沿程變化規律、波向與水深的影響及與規范推薦值的比較。

ESE向浪與碼頭前沿線夾角39°，SE向浪與碼頭前沿線夾角62°，分別繪制設計高、低水位的不同來浪方向碼頭北側一倍船寬有效比波高對比圖（圖4）。從圖4中可以看出，在ESE和SE向浪作用下，碼頭北側一倍船寬有效比波高都在0.6以下；當水位不變時，與碼頭前沿線夾角小的ESE向浪作用下的繞射系數大于夾角大的SE向浪作用的繞射系數；在水平方向，距離碼頭西邊沿越近，波向對繞射系數的影響越小，距離碼頭西邊沿最近的測點的繞射系數受波向影響很小，在5%以內，說明試驗條件下以東側口門繞射為主；距離碼頭東側邊緣最近的測點由于波浪入射方向的原因，繞射系數最大，隨著波向與碼頭前沿線夾角增大，距離碼頭西側邊緣最近的測點繞射系數開始大于碼頭北側中間測點的繞射系數，碼頭北側的繞射系數呈現出以碼頭中心線對稱分布的趨勢?！逗８鬯囊幏丁罚↗TS145-2-2013）給出的島式防波堤堤后不規則波繞射系數也繪制在圖4中，從整體來看，試驗得到的繞射系數與規范給出的規律一致，規范推薦值小于試驗值，在靠近碼頭東側開敞區域與來浪方向的的測點二者比較接近，離碼頭東側開敞區域較遠的測點規范推薦繞射系數小于試驗值，可能是受到現場復雜的地形條件及碼頭西側引橋影響，導致碼頭西側波高大于理論計算值。

將設計高水位（d/Hs=4.89），設計低水位（d/Hs=3.24）的繞射系數進行對比，在來浪方向一定時，設計高水位繞射系數大于設計低水位的繞射系數，與理論計算值基本一致。

4.3 透射對港內波況的影響

當擋浪板底高程提高以及透空時，繞射影響的范圍逐漸變小，僅在碼頭東西邊緣處繞射較為明顯，碼頭北側區域的透浪特性成為主導影響因素。為了去除波浪繞射的作用，僅研究透射波浪對港內波況的影響，進行各種工況下一期、二期碼頭斷面波浪物理模型試驗，算得雙擋板透空碼頭的透射系數，Kt=Ht/H，Ht為透射波高，H為入射波高。

Ursell［11］首先研究了無限水深的擋浪板透浪系數，給出了直立薄板的精確解；Wie?gel［12］假定透射能量等于薄板下的入射波能量，根據微幅波理論推導出有限水深情況下的近似解析解；Hayashi［13］推導出垂直圓樁防波堤波浪透射率計算公式；Kriebel和Boll?mann［14］按波能流守恒推導出了擋浪板的透浪系數；Neelamani S［15］就雙擋板結構的波浪透浪與相對入水深度（t/d）、相對波長（L/d）、波陡（H/L）等主要物理因素的相互影響關系進行了研究。目前，對于透空雙擋板樁基碼頭的透浪特性研究還較少。

圖4 不同來浪方向碼頭北側一倍船寬有效比波高Fig.4 Relative significant wave heights under waves of different directions

圖5 透射系數與水深波高比d/H的關系曲線Fig.5 Relation of wave transmission coefficients and ratio of water depth and wave height（d/H）

圖6 透浪系數與相對入水深度t/d的關系曲線Fig.6 Relation of wave transmission coefficients and relative depth of immersion（t/d）

試驗時前擋板透空，前后擋板保持底高程一致，改變水位、擋浪板底高程及其透空情況，進行各波浪要素試驗。圖5為透射系數與水深波高比d/H的關系曲線，從圖中可以看出，透浪系數受相對入水深度（t/d）的影響較大，在t/d=0時，透浪系數在0.9～1.0之間，受水深波高比d/H的影響很??；在t/d= 0.5時，透浪系數受水深波高比的影響較大，在水深波高比在3.0～6.0時，透浪系數隨水深波高比的增大先稍微增大再逐漸減小，當d/H＞5.5時透浪系數隨水深波高比的增大減小明顯。圖中也表明，相同情況下，擋浪板封閉能有效減小透浪系數。圖6為透浪系數與相對入水深度t/d的關系曲線，可以看出，在擋浪板底高程一定時，調節水深使得相對入水深度變化，透浪系數隨著相對入水深度的增大而減小。斷面試驗的結果與整體試驗港內合成波的變化趨勢相符，由于斷面試驗時建筑物后方波浪擴散很小，波能量損失較小，使得透浪系數在碼頭北側基本不變，而整體試驗無法單獨模擬透射對港內波況的影響，且受到波浪擴散、地形變化影響。

4.4 反射對港內波況的影響

方案11碼頭北側前沿的21～22#、4～6#測點的波高主要受到繞射與碼頭前沿波浪反射的作用，圖7為方案11直立墻式擋板碼頭北側有效比波高等值線分布圖。從圖中可以看出，在ESE向浪作用下的碼頭北側前沿的有效比波高大于SE向浪的情況，且碼頭前沿波高大于半倍船寬及一倍船寬處波高，港域內波高最小的區域位于距離碼頭中心一倍船寬附近，這是由于波浪繞過碼頭在碼頭北側前沿產生墻前立波，使得碼頭北側前沿波高較大。

4.5 一種港內波高的簡化計算方法

圖7 直立墻式擋板碼頭北側有效比波高等值線分布圖Fig.7 Distribution of relative significant wave heights in the north of wharf

圖8 設計高水位整體試驗有效波高比與計算有效波高比對比Fig.8 Relative significant wave heights of the overallmodel test and calculated relative significant wave heights under designing high water level

通過對比方案4～9整體模型試驗碼頭前沿到一倍船寬的有效比波高與斷面模型試驗的透浪系數，結果表明，SE，ESE向波浪作用下透浪系數變化并不明顯，可近似認為港域內在SE，ESE向波浪作用下透浪系數相同；同時，方案4～9在設計低水位時整體模型試驗的有效比波高與斷面模型試驗的透浪系數相差并不大，因此可以忽略繞射的影響，在設計高水位時，擋板入水深度較大方案7、9的整體模型試驗的有效比波高與斷面模型試驗的透浪系數差別較大，不能忽略繞射的影響。

同時考慮透射與繞射的影響，根據《海港水文規范》，，兩邊除以有效波高H，得到，式中，K為計算點的有效波高比，Kt為計算點的透射系數，Kd為計算點的繞射系數。將斷面試驗透射系數結合規范直墻島式防波堤繞射系數算得計算有效波高比，將其與整體模型試驗的實測有效波高比進行對比，如圖8所示為設計高水位時SE向波浪作用下一倍船寬處方案7、9的計算結果對比。結果表明，對于擋板入水深度較大、波浪繞射不能忽略的情況，結合透射與繞射算得的計算有效波高比與整體試驗實測有效波高比更接近，誤差在10%以內。

5 結論

本文采用波浪整體物理模型試驗，結合斷面物理模型試驗，研究了豎直雙擋板樁基碼頭不同擋板結構（擋板底高程、擋板封閉情況）時的港內波高分布特征，分析了不同工況下港內泊穩條件，并給出了最優化方案。研究了波向對繞射的影響、有效波高比與相對入水深度對透射系數的影響，分析了繞射波、透射波、波浪反射對港內波況的影響，并提出了一種港內波高的簡化計算方法，結論如下：

（1）設計高水位情況下，二期碼頭的建設，對碼頭北側區域起到較好的掩護作用，可有效改善泊穩條件，碼頭北側消浪板封堵有一定效果。設計低水位情況下，二期碼頭建設，北側擋浪板需降至灘面，才能對碼頭北側區域起到一定的掩護作用。綜合而言，方案10最優，港內泊穩條件較好，且北側擋浪板采用板樁結構，埋入泥面一定深度，既可以增加整體碼頭在波浪作用下的穩定性，也可以防止封閉后可能產生的沖刷問題。

（2）《海港水文規范》給出的島式防波堤堤后不規則波繞射系數整體上小于本次試驗值，在靠近碼頭東側開敞區域的測點二者比較接近，離碼頭東側開敞區域較遠的測點規范推薦繞射系數比試驗值小0.1～0.2之間，采用《海港水文規范》計算類似結構的繞射系數時需研究規范適應性問題，可以采用數值方法計算類似情況的繞射系數進行驗證。

（3）斷面試驗研究表明，透浪系數受擋板相對入水深度的影響較大，透浪系數隨著相對入水深度的增大而減小。相同情況下，擋浪板封閉能有效減小透浪系數，透射系數在港域內變化很小。

（4）波浪作用于直墻時，在碼頭背浪面產生的波浪反射作用下，碼頭前沿波高大于半倍船寬及一倍船寬處波高，港域內波高最小的區域位于距離碼頭中心一倍船寬附近。

（5）在透浪作用起主導作用時，可以采用透射系數近似有效波高比，由此根據斷面試驗的結果推算出整個港域的波高分布；當擋板相對入水深度較大、繞射系數不能忽略時，本文提出了將透射系數與繞射系數疊加計算有效比波高的方法，計算有效波高比與整體試驗實測有效波高比更接近，誤差在10%以內。

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Experimental research of wave properties in double vertical barriers pile wharf harbors

XU Zhong?hou,CHEN Guo?ping,YIN Ya?jun,HUANG Lu,DONG Xiao?hong
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defenceministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

A three?dimensional physicalmodel test and a sectionalmodel test were set up combined with the second phase construction of a ferry terminal,which was designed to adopt double vertical barriers structure.The design wave parameters for the wharf structure and the breakwaters were obtained in a wave basin.Different schemes of the barrier of the wharf and the scheme of extending the breakwater were applied.Based on the results of the test,the wave heights distribution in different schemes was studied and analyzed to determine the optimal scheme.The influence of wave direction on wave diffraction was studied,along with the influence of the significant wave height ratio and the relative water depth on the wave transmission coefficient.It was also analyzed the influ?ence of wave reflection on the tranquility of the harbor.It is shown that wave heights are smallest near themiddle and one boat beam north of the wharf.A simplifiedmethod to calculate the wave height distribution is presented at last,which provides a scientific basic for the design and construction of the harbor.

double vertical barriers;wave height distribution;wave transmission;wave diffraction

TV 143；TV 139.2

A

1005-8443（2015）03-0197-07

2014-10-28；

2014-11-17

許忠厚（1990-），男，江蘇省連云港人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用研究。

Biography：XU Zhong?hou（1990-），male，master student.