嵐山港區15#、16#泊位開孔式沉箱結構碼頭消浪效果試驗研究

尚金瑞

摘 要：為有效減小港內直立沉箱碼頭結構波浪反射，改善港內泊穩條件，常采用開孔沉箱消浪結構型式。開孔沉箱結構型式多樣，消浪效果也存在差異，本文對嵐山港區南作業區15#、16#泊位開孔沉箱進行斷面物理模型試驗，研究論證各種工況下的開孔沉箱消浪效果，優化開孔沉箱碼頭設計，較好地解決了波浪反射問題，工程應用表明消浪效果良好。

關鍵詞：碼頭結構 開孔沉箱 消浪

沉箱結構是港口工程中經常采用的形式，為有效減小港內直立沉箱碼頭結構波浪反射，改善港內泊穩條件，通常對沉箱開孔以消減波能。開孔沉箱結構在 20 世紀60 年代由Jarlan最早提出，多年來，國內外許多學者對開孔沉箱消浪效果進行研究， Tanimoto 等對開孔沉箱的反射率與主要影響因素作了范圍較廣的試驗研究，繪出反射率與消浪室相對寬度關系；習和忠從能量的角度在理論上建立反射波高的計算公式；李玉成對波浪與開孔沉箱結構的相互作用開展了系統的研究工作，考慮了開孔率、消浪室相對寬度、頂板高程及波要素等多種綜合因素對反射系數影響。

開孔沉箱結構型式多樣，消浪效果也存在差異。本文對嵐山港區南作業區15#、16#泊位開孔沉箱進行斷面物理模型試驗，研究論證各種工況下的開孔沉箱消浪效果，優化開孔沉箱碼頭設計，較好地解決了波浪反射問題，工程應用表明消浪效果良好。研究成果可為類似工程提供參考。

試驗條件和方法

1、工程概況

嵐山港區為半開敞式港區（見圖1），南作業區15#、16#泊位位于西岸線，受ESE～S向波浪影響較大，在直立式岸壁碼頭前形成較大反射波，在狹窄港池內震蕩疊加，影響船舶靠離泊和裝卸作業，為此提出采用消浪結構碼頭型式，減小波浪反射，改善港池泊穩條件。

試驗結果及分析

1、越浪量

本次試驗沉箱結構為方案一～方案四，其中方案一～方案三為開孔沉箱，方案四為不開孔沉箱。設計高水位下4個方案的越浪量試驗結果列于表2。

由表可見，對于本次試驗的4個方案，在設計高水位，波高較大時的越浪量較大，由于沉箱開孔率及開孔方式不同，方案二和方案三的值相對較小；波高較小時越浪量都較小。方案一、方案二、方案三和方案四的最大越浪量分別為0.289m3/s/m、0.184m3/s/m、0.167m3/s/m和0.307m3/s/m。

2、反射系數

本次試驗沉箱結構為方案一～方案四，其中方案一～方案三為開孔沉箱，方案四為不開孔沉箱。4個方案的波浪反射系數試驗結果列于表2。

由試驗結果可見，受到越浪及沉箱開孔高程的影響，水位對開孔沉箱結構的反射系數影響較大。在極端高水位和設計高水位時，水位較高，沉箱開孔位于水面以下，越浪對反射系數影響較大，由于極端高水位時越浪較大，反射系數通常小于設計高水位時的值；在平均水位和設計低水位，水位位于沉箱開孔附近，反射系數較小；對于不開孔沉箱方案四，反射系數主要受越浪影響，極端高水位時反射系數較小。

各方案在不同水位時的平均反射系數列于表3，平均反射系數比較見圖4。

由圖表可見：

方案一，極端高水位時，反射系數0.700～0.708，平均值0.704；設計高水位時，反射系數0.625～0.808，平均值0.750，在波高較大時，受越浪影響，反射系數較小；平均水位時，反射系數0.412～0.464，平均值0.438，反射系數較小，主要是該方案的開孔較高，水位上下都有開孔，并且波高較小（2年一遇）；設計低水位時，反射系數0.585～0.624，平均值0.605，比平均水位時略大，主要是該工況時的波高、波長較大（50年一遇）。

方案二，極端高水位時，反射系數0.733～0.735，平均值0.734；設計高水位時，反射系數0.711～0.846，平均值0.805，在波高較大時，受越浪影響，反射系數較小；平均水位時，反射系數0.544～0.648，平均值0.596，反射系數較小，主要是該方案的開孔較高，并且波高較小（2年一遇）；設計低水位時，反射系數0.724～0.729，平均值0.727，反射系數較大，主要是該方案上下開孔，而設計低水位位于上下開孔中間的實體部分。

方案三，下部開孔與方案一相同，但上部不開孔。極端高水位時，反射系數0.767～0.787，平均值0.777；設計高水位時，反射系數0.794～0.865，平均值0.838，在波高較大時，受越浪影響，反射系數較小；平均水位時，反射系數0.739～0.754，平均值0.747，反射系數較大，主要是該方案上部不開孔，水位位于開孔以上；設計低水位時，反射系數0.614～0.655，平均值0.657，比方案一略大，主要是該工況時的波高較大（50年一遇），波列中的大波可作用到開孔以上。

方案四，為不開孔沉箱。極端高水位時，受越浪影響，反射系數較小，在0.773～0.798，平均值0.786；在其他水位，反射系數相差不大，在0.857～0.926，平均值0.883，反射系數較大。

從反射系數試驗結果可見，對于本次試驗的4個方案，在極端高水位和設計高水位，反射系數相差不大，方案一消浪效果略好；在平均水位和設計低水位，方案一消浪效果較好。

結語

通過波浪斷面物理模型試驗對4個沉箱結構方案的消浪效果進行了比選，結果表明，受到越浪及沉箱開孔高程的影響，水位對開孔沉箱結構的反射系數影響較大，高水位時，受越浪影響，雖然反射系數有所減小，但開孔沉箱效果不明顯；當水位位于沉箱開孔位置附近時（平均水位和設計低水位），開孔沉箱具有明顯的消浪效果。對于本次試驗的4個方案，方案一由于開孔范圍較大，具有較好的消浪效果。

參考文獻：

[1] Jarlan G E. A perforated vertical wall breakwater. The Dock and Harbour Authority 1961.41 （486）：394-398.

[2] Tanimoto K，Yoshimoto Y.Theoretical and experiment study of reflection coefficient for wave dissipating caisson with a permeable front wall [J].Report of Port and Harbour Research institute，l 982，2 l（3）：43-77.

[3] 習和忠.開孔沉箱防波堤消浪作用的理論研究及應用[J].港口工程，1994（6）：11-16.

[4] 李玉成. 波浪與開孔沉箱結構相互作用的研究[G]，第十三屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集，北京：海洋出版社，2007：11-171.

[5]Urashima S，Ishizuka K.Kondo H.Energy Dissipation and Wave Force at Slotted wall[J].Proc.20th Coastal Eng Conf.，1986.III，ASCE：2344—2352.

[6]李玉成，劉洪杰，滕斌，等.開孔沉箱在斜向入射波作用下受力研究[J].海洋學報，2003（1）：100—108.

（作者單位：日照港集團嵐山港務有限公司）