港域波浪聯合繞射、反射特性試驗研究

吳月勇，陳國平，嚴士常，周 雅，王 聰

港域波浪聯合繞射、反射特性試驗研究

吳月勇1，陳國平1，嚴士常1，周 雅2，王 聰1

(1.河海大學 港口海岸及近海工程學院 海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

針對港域波浪在繞射、反射聯合作用下波況復雜的特點，基于港口波浪整體物理模型試驗，對不規則波作用下港域內波高擾動系數的分布規律進行研究。研究表明：在波浪繞射作用或波浪反射作用占主導地位的掩護區域，多向不規則波的擾動系數與譜峰周期正相關，且周期相差越大，擾動系數相差越大。在波浪反射占主導地位的波浪繞射聯合作用下，單向不規則波的擾動系數隨譜峰周期的變化無明顯規律性關系，且波浪反射對波向十分敏感。在存在原有建筑物反射的物理模型試驗中，需要將模型邊界反射模擬準確，否則可能造成試驗失敗；數學模型亦然，對相關建筑物需選取合適的反射系數。研究結果對后續的港口工程建設有重要的借鑒意義。

物理模型；不規則波；反射；繞射；擾動系數；譜峰周期

天然海浪的多向性、不規則性對于海浪預報、海浪的折射、繞射、泥沙運動和污染控制等都有明顯的影響。實際的海浪是多向的不規則波浪，海浪的能量不僅分布在一定的頻率范圍內，而且分布在相當寬的方向范圍內，國內外早年提出的波浪繞射、折射的理論見解大都只限于規則波，模型試驗也多采用規則波或單向不規則波，與工程實際偏差較大，因此研究波浪的折射和繞射等必須考慮到波浪方向分布的影響。目前，國內外眾多學者都已對多向不規則波的傳播變形進行研究并取得了一定進展，其中張黎邦[1]、柳淑學[2]，李孟國[3]、劉思[4]等通過數學模型試驗，模擬了多向不規則波的傳播，并分析了其繞射、折射特性；劉針[5]、白靜[6]、陳哲準[7]通過數學模型與物理模型相結合的方式研究港口波況的影響因素，但是劉針主要研究的是港口自振周期和波浪要素周期的關系，白靜和陳哲準則主要考慮不同工程方案對港內波高分布的影響，并未考慮波浪要素本身特性如周期、波向、波的類型對波高分布的影響。此外俞聿修[8]等通過港口波浪整體物理模型試驗，研究了不規則波對港內比波高的影響規律，得出了在防波堤的掩護區域內多向波的繞射性能較單向波要好，在開敞水域則相反的結論，但是其所采用的模型為基本上沒有模型邊界反射的純繞射模型，且并未分析不規則波的繞射隨波向、周期的變化規律。

綜合上述前人研究的不足之處，本文基于某大型港區的波浪整體物理模型試驗，按照測點所在位置的不同，分析了在繞射作用主導下和波浪反射主導作用下，單向、多向不規則波的港內波高隨波向、譜峰周期的變化規律。此外，本文還對模型內建筑物的反射系數的改變對港域波高分布的影響做了深入研究。由于本次試驗的港內波高是由波浪繞射、折射聯合作用下的實測結果，與一般數學模型相比更具工程實用價值。

1 試驗概況

1.1物理模型簡介

本次試驗為某港港口平面布置與波浪擾動整體物理模型試驗，模型設計為正態、定床，模型并按重力相似準則進行布置。考慮場地、波浪條件、試驗要求等因素，本次試驗采用1：80的模型比尺。地形制作按照中交第四航務工程勘察設計院提供的工程平面布置圖進行地形制作，地形、防波堤等按照斷面板模擬法進行制作，碼頭采用灰塑板制作。港池邊界布置有上下三層消浪柵，能較好地減少波浪反射。試驗在浙江大學海洋學院的40 m×70 m×1.8 m波浪港池中進行，港池中裝有珠江水利科學研究院制造的L型造波機，造波機尺寸為34 m×56 m，波高數據采用LG1型電容式浪高水位傳感器采集，測量精度可達0.3 mm。

試驗波浪采用單向和多向不規則波，多向波規則波方向譜函數S(f，β)可以表示為頻譜S(f)和方向分布函數G(f,β)的乘積

S(f，β)=S(f)G(f,β)

圖1 模型布置圖Fig.1 Model layout

式中：G(f,β)采用經驗分布：G(f,β)=Acos2n(θ-θ0),其中n為方向分布參數，n越小代表波浪能量的方向分布寬度就越寬，波浪多向性越強，本次試驗n取為4，θ0為入射波浪的主方向。試驗中頻率譜均為標準JONSWAP譜，譜峰升高因子γ=3.3 。

表1 試驗波浪要素表

本次試驗所用的波高指的是Hm0，其通過波譜分析得到。模型布置見圖1。模型中共布置測點47個，C1～C6測點為航道區域測點；S1測點為波浪率定的控制點，該點波要素作為計算港內比波高的計算點；S2～S6測點為東段防波堤后測點，W1～W3測點為西段防波堤后測點，T1～T5測點為港域中心測點，B1～B27測點為泊位前垂直于碼頭布置的9排測點。

為了更好的分析試驗，本次試驗中防波堤內均插有不透水板，故不考慮堤內透射，且由于試驗比尺較小，波高較小，開挖水域深度也較小，因此影響港域內波況的因素主要為波浪繞射和波浪反射，波浪折射相對影響較小。本文所指的波高均是在波浪繞射、反射聯合作用下的波高，將港域內測點波高與原始外海(S1點)波高的比值定義為擾動系數，下文不再贅述。

1.2波浪要素

本次試驗采用的波浪要素為丹麥DHI公司通過其自主開發的Mike 21 SW模塊計算得到。表1為本次試驗的控制點(S1)的波浪要素表。值得注意的是，在多向不規則波中，組次1所代表的波浪為風浪，組次2～5則為涌浪，這是由于工程地雖以涌浪為主，但是偶然情況下也會出現小周期的風浪。本次試驗中采用JONSWAP譜來進行模擬波浪，JONSWAP譜是一個典型的風浪譜。針對譜型的影響，DHI進行過相關研究，研究表明：用譜峰升高因子為γ為3.3的JONSWAP譜也可以用來描述涌浪，且γ值對波浪擾動影響較小。

2 港域波浪擾動系數分布特點

本節主要是研究在工況一下港域波高擾動系數隨波向(D)、周期(Tp)的變化規律。

2.1航道區域

圖2 單向不規則波，航道區域波浪擾動系數 圖3 多向不規則波，航道區域波浪擾動系數Fig.2 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of channel area Fig.3 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of channel area

圖2、圖3給出了不規則波作用下，航道區域的波浪擾動系數隨波向D、譜峰周期Tp的變化關系。由圖2、圖3可見，單向不規則波當波向相同時，Tp為15 s的擾動系數幾乎與Tp為18 s的相同；多向不規則波當主波向相同時，呈現出擾動系數隨著Tp的增大而增大的規律。這是由于多向波的方向分布較寬，該區域波浪繞射作用占主導地位，Tp越大，波浪繞射作用越強；而單向波在反射、繞射作用下波況復雜，繞射系數對Tp的敏感性較弱。

當Tp相同時，不同波向的單向波的擾動系數相差較大，這是由于航道區域測點靠近防波堤堤頭部位，在175°波向下，老防波堤的反射對航道區域波浪的影響較165°的要大，因此波高對方向較為敏感。相應的多向波對波向的敏感性較差，這也是其方向分布寬度較寬，受老堤反射影響較小的緣故。

2.2防波堤后側

圖4 單向不規則波，防波堤后側波浪擾動系數 圖5 多向不規則波，防波堤后側波浪擾動系數Fig.4 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of breakwater rear side Fig.5 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of breakwater rear side

圖4、圖5給出的是防波堤后側測點擾動系數隨波向D、周期Tp的變化趨勢圖。由圖可知，當主波向相同時，多向不規則波作用下的防波堤后側的擾動系數呈現出隨著Tp的增大而增大的規律，且周期相差越大，擾動系數相差越大；單向不規則波在主波向相同時，防波堤后側的擾動系數隨Tp的點據則較為散亂，基本上難以看出規律，這一規律與航道區域相類似。

防波堤后側測點受防波堤的掩護作用較好，波浪受外海波浪繞射影響較小，此時波高主要由老防波堤的反射作用產生。這說明了在反射作用占主導的波浪繞射聯合作用下，多向不規則波對周期的變化的規律性較單向不規則波明顯。

2.3港域中心

圖6 單向不規則波，港域中心波浪擾動系數 圖7 多向不規則波，港域中心波浪擾動系數Fig.6 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of harbor center Fig.7 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of harbor center

圖6、圖7給出的是港域中心測點的波浪擾動系數隨波向D與周期Tp的變化關系，港域內測點受防波堤掩護效果良好，波浪主要由老防波堤的反射和外海波浪繞射產生，由于防波堤的良好的掩護作用，波浪繞射所占的比例較小，此處波浪由反射作用占主導。與航道區域和防波堤后側區域規律類似，單向不規則波的擾動系數與波向與Tp的規律性較差。多向不規則波基本上呈現出當主波向相同時，擾動系數隨著譜峰周期Tp的增大而增大的規律。這說明在波浪反射主導作用下，多向不規則波對周期的變化的規律性較單向不規則波明顯。

此外，對于單向不規則波，在相同的Tp下，不同的波向的擾動系數相差較大，這也是由于不同的波向導致老防波堤的反射作用相差較大所致。

2.4泊位前

圖8 單向不規則波，泊位前波浪擾動系數 圖9 多向不規則波，泊位前波浪擾動系數Fig.8 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient before berth Fig.9 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient before berth

觀察圖8可知，單向不規則波在波向相同時，看不出擾動系數隨Tp的變化關系。這是由于泊位前測點受防波堤掩護效果較好，波浪主要由老堤反射作用占據主導所致，擾動系數與Tp的點據較為散亂。然而，由圖9可知，多向不規則波有當主波向相同時，波浪擾動系數隨著周期的增大而增大的規律，且周期相差越大，擾動系數相差越大，這一點與航道區域、防波堤后側，港域中心的規律相類似，這也佐證了前面的結論。

3 老防波堤反射影響分析

試驗中明顯的發現老防波堤的反射波紋基本上平行于碼頭軸線向港域內傳播，老堤的反射對港域波高分布的影響較大。因此有必要針對老堤的反射對港域波高的分布的影響作更加深入的研究。本節新增工況二、工況三，工況二為將老防波堤的肘部半邊部分改為直立式防波堤；工況三為將老防波堤的肘部半邊區域朝港域方向挪動60 m，到達-3 m等深線處。下文以“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”分別代替工況一、二、三。本節所用的試驗波要素僅為多向不規則波，對應于表1中的組次編號2～5。

3.1航道區域

圖10 Tp=15 s，航道區域波浪擾動系數 圖11 Tp=18 s，航道區域波浪擾動系數Fig.10 Tp = 15 s, wave disturbance coefficient of channel area Fig.11 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of channel area

由圖10、圖11可知，比較航道區域的擾動系數在“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”3種工況下基本上沒有什么變化，這是由于多向波的方向分布寬度較寬，老防波堤的反射對航道區域的影響較小的緣故，航道區域測點的波浪主要由波浪繞射產生。

3.2防波堤后側

圖12 Tp=15 s，防波堤后側波浪擾動系數 圖13 Tp=18 s，防波堤后側波浪擾動系數Fig.12 Tp =15 s, wave disturbance coefficient of breakwater rear side Fig.13 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of breakwater rear side

對比分析圖12、圖13可知，在主波向D、周期Tp均相同時，防波堤后側的擾動系數在“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”3種工況下基本上呈現出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的規律。這是由于防波堤后方測點受防波堤掩護效果較好，波浪繞射作用與老防波堤的反射作用相比并不占主導地位，此處波浪受主要老堤反射作用。顯而易見的是，“直立堤”的反射系數最大，基本上可達1.0；“挪堤后”由于防波堤更靠近港域且波浪破碎更少，故而反射系數其次；“挪堤前”由于波浪破碎且離港域較遠，反射系數最小。反射系數越大則意味著波浪反射作用越強，對于反射作用占主導的測點，反射作用越強，波高越大，擾動系數則越大。

3.3港域中心

圖14 Tp=15 s，港域中心波浪擾動系數 圖15 Tp=18 s，港域中心波浪擾動系數Fig.14 Tp=15 s, wave disturbance coefficient of harbor center Fig.15 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of harbor center

由圖14、圖15可知，同防波堤后側的規律相類似，在主波向D、周期Tp均相同時，防波堤后側的擾動系數也呈現出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的規律，與防波堤后側測點所不同的是，港域中心測點在“直立堤”工況下的擾動系數遠大于其他兩種工況，這是由于港域中心測點離老防波堤更近，受老防波堤的反射作用更加強烈。“直立堤”下的波浪反射劇烈，導致該區域測點波高急劇增大。

3.4泊位前

圖16 Tp=15 s，泊位前波浪擾動系數 圖17 Tp=18 s，泊位前波浪擾動系數Fig.16 Tp=15 s, wave disturbance coefficient before berth Fig.17 Tp=18 s, wave disturbance coefficient before berth

同港域中心測點類似，圖16、圖17顯示在相同的主波向D、周期Tp下，防波堤后側的擾動系數明顯的呈現出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的規律，且在“直立堤”工況下的擾動系數遠大于其他兩種工況，最大甚至達到了0.59。對于港域泊穩來說，如此高的擾動系數是明顯不能滿足要求的，這說明了在物理模型試驗中，尤其是存在原有建筑物反射的模型，需要對相關建筑物的反射特別注意，盡可能的將其模擬準確，因為這些建筑物的反射系數的改變可能引起港域波高劇變，數學模型亦然，對相關建筑物需根據實際情況選取合適的反射系數。

此外，泊位前的測點基本上呈現著離泊位外側越遠，擾動系數越小的規律，這也是因為距離泊位外側越遠，受老防波堤的反射作用越弱。

4 結論

本文采用港口整體波浪整體物理模型試驗，研究了在波浪繞射、反射、折射聯合作用下，不規則波對港域波高擾動的影響，對比分析了不同周期，不同主波向下，多向波與單向波的擾動系數，得出如下結論：

(1)在波浪繞射作用占主導地位抑或波浪反射作用占主導地位的掩護區域，多向不規則波的擾動系數均隨著譜峰周期的增大而增大，且周期相差越大，擾動系數相差越大。

(2)在波浪反射占主導地位的波浪繞射聯合作用下，單向不規則波的擾動系數隨譜峰周期的變化無明顯規律性關系，且波浪反射對波向十分敏感。

(3)在物理模型試驗中，尤其是存在原有建筑物反射的模型，需要對相關建筑物的反射特別注意，盡可能的將其模擬準確否則可能引起港域波高劇變，造成試驗失敗，數學模型亦然，對相關建筑物需根據實際情況選取合適的反射系數。

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Experimental study on combined diffraction-reflection characteristics of harbor wave

WUYue-yong1,CHENGuo-ping1,YANShi-chang1,ZHOUYa2,WANGCong1

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,CollegeofCoastal,HarborandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

Aiming at the complex characteristics of harbor waves in the combination of diffraction and reflection, based on the overall physical model test of the port, the distribution law of the wave height disturbance coefficient in the harbor area under the action of the irregular wave was studied. The results show that the disturbance coefficients of the multi-directional irregular waves are positively correlated with the peak period in the coverage area where the wave diffraction or wave reflection are dominant, and the larger the difference of the period, the larger the difference of the disturbance coefficient. Under the combined effect of wave-induced wave diffraction, the disturbance coefficient of unidirectional irregular wave has no obvious relationship with the change of spectrum peak period, and wave reflection is very sensitive to wave direction. In the physical model test of the reflection of the existing building, it is necessary to simulate the model boundary reflection accurately, otherwise it may result in test failure. Numerical model is the same, the relevant buildings need to be selected the appropriate reflection coefficient. The results of the study have important reference significance for the following port project construction.

physical model; irregular wave; wave reflection; wave diffraction; disturbance coefficient; spectrum-peak period

TV 139.2

：A

：1005-8443(2017)04-0330-07

2017-03-10；

：2017-05-05

吳月勇(1992-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事波浪與建筑物相互作用研究。

Biography：WU Yue-yong(1992-),male,master student.