波浪整體物理模型試驗在港口工程建設中的應用

摘 要：數學模型試驗、斷面物理模型試驗在港口工程建設中應用廣泛但都有一定的局限性。波浪整體物理模型試驗能夠直接驗證港口工程相關構筑物的穩定性，直觀地展現越浪量、波浪爬高及波浪打擊范圍，對于完善和優化工程結構設計、保障結構安全起到十分重要的作用。文章以某工程為例，簡要分析波浪整體物理模型試驗在港口工程建設中的應用。

關鍵詞：數學模型 斷面物理模型 整體物理模型 港口工程試驗

港口工程開發建設及外海防護性工程是一項在技術上十分復雜的工程，尤其波浪動力作用方面仍有許多問題未能很好解決。以往港口開發建設及防護性工程大多位于淺水地區或建設的岸線規則，不可預見因素少，加上投資規模較小，因此較少采用整體物模試驗進行設計驗證。近年來相關工程有逐漸向外海深水發展的趨勢，投資規模逐漸擴大——尤其是景觀性填海護岸工程的興起，此類工程往往岸線曲折多變，潮流產生的沿岸流經折射、衍射等多重作用，使工程面對的環境更加惡劣和復雜。

近四、五年，隨著填海護岸項目的增多，水運行業積累了很多相關的設計和施工經驗，工程技術人員對于整體物模試驗在護岸工程結構設計方面重要性的認識水平也在不斷提高。相關規范規定：防波堤結構應進行波浪模型試驗驗證，但并未明確是進行數學模型（以下簡稱數模）、斷面物理模型還是整體物理模型試驗，因此在執行中往往還結合設計單位的意見去執行。

1.三種波浪模型試驗的對比分析

在項目的開發建設過程中，數學模型是運用數理邏輯方法和數學語言建構的科學或工程模型，隨著計算機科學的發展，相關軟件就可以完成該項工作，一般是用數模進行工程區域的波浪、潮流及泥沙推算。斷面物理模型是將各分段設計方案按模型比例在水槽中試驗，了解各分段護岸在波浪作用下的穩定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打擊范圍，以便合理確定護岸各控制點高程及尺度、護面塊體及護底規格，為設計提供科學依據。整體物理模型試驗除了具有斷面物理模型試驗的特點外，還能測試波浪轉角處（波浪凸凹轉角處形成波能集中區，影響護岸的穩定性）及斜向波浪及本項目與已建的附近其它工程相接段護面塊體的穩定性。

在技術方面：數模與整體物理模型均是對整個建設項目的模擬，但數模對細微的局部影響無法監測和測量；斷面物理模型與整體物理模型均是對工程的實際模擬，但斷面模型無法試驗出凸凹轉角處、工程銜接點、斜向浪沖擊等特殊段、特殊環境的波浪影響作用。因此，整體物理模型試驗能直觀、最面地展現波浪對整個項目區域的影響及項目建設后的安全性和穩定性。

在經濟方面：數模投入的人力、物力和資金一般較少，對場地沒有限制；斷面物理模型的投入居中，對場地的要求一般；整體物理模型的投入較大，對場地要求嚴格，據不完全統計，目前我國僅有少數幾家科研機構可以完成大型的整體物理模型試驗。

2.三種模型試驗在某項目中的應用

某項目位于大連市南部海岸的西段，凌水灣內，岸線自然彎曲，平均走向為東偏北約45°。其東部水深變化較緩，西部水深變化較大，由于敞海，風浪較大，直接受外海波浪影響。項目由兩個工程組成，均為填海造地項目。項目周邊在近5年內均各有一個填海造地項目、“豆腐坨”小島夾在已建項目與本項目之間、項目外側還有四個小島對本項目形成“拱衛”。

2.1 數模試驗在工可研階段的應用

由于大連對南部海域的開發加之項目周邊填海造地工程的建設，致使項目周邊波浪和環境發生了較大變化。實驗機構通過數模試驗，確定擬建護岸的設計波浪要素，為護岸水工結構可行性研究及施工圖設計提供科學、合理的設計依據；在極端高水位、設計高水位和設計低水位，采用不規則波，進行波浪推算，給出擬建水工建筑物前不同重現期（50年、25年、10年、5年、2年一遇）設計波浪要素。試驗時采用丹麥水力研究所（DHI Water & Environment）開發的MIKE21軟件中的SW（Spectral Wave FM）模型來推算工程區域的設計波浪要素。SW模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風成浪、海底摩擦和波浪破碎的影響。

除上述設計參數外，從數模試驗結果來看，整體泥沙沖淤變化較小，最大年沖淤量不到1cm；河道內整體呈淤積狀態，但淤積量很小，年沖淤量不到1.0cm。能滿足國家相關規定及項目投入使用后的需要。

2.2斷面物理模型試驗在工可研與方案設計中的應用

設計單位根據數模提供的參數及計算的結果，設計出了不同的斷面形式。斷面形式在進行經濟比對的同時，還需要進行技術比對。通過多方案比選基本確定護岸結構、型式及布置；通過斷面物模試驗，了解各分段護岸在波浪作用下的穩定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打擊范圍，合理確定護岸各控制點高程及尺度、護面塊體及護底規格，從而為設計提供科學依據。在保證安全與穩定的前提下，確定經濟指標與技術指標的最優方案。

試驗單位根據設計院設計的簡單方案，布置斷面模型，在水槽中模擬波浪沖擊，對各種參數進行試驗；對試驗的結果調整設計方案，再由設計方案調整試驗參數與模型形式……如此往復，同時參考景觀設計單位的意見，確定最優方案。

2.3 整體物理模型試驗在施工圖設計中的應用

確定好各斷面及相應長度，并進行相關的專家技術評審、政府手續評審后，設計單位進行施工圖設計。依據設計好的施工圖進行整體物理模型試驗。試驗時，除按“重力相似準則”進行相似模擬外，還要按照整體物理模型試驗技術要求、平面距離、水下地形條件及波浪傳播特征、試驗設備條件等因素確定，最終本項目選擇的模型比例是1：40。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水密度差異的影響，試驗中考慮ρ海水=1.025ρ淡水來控制模型塊體重量。最終按照設計要求布置水工結構物。

同時要進行波浪要素率定，達到試驗波浪要素滿足目標值的要求。不規則波采用頻譜模擬，將給定的有效波高及周期送入計算機進行波譜模擬，經過修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗規程要求。每組波浪要素的波列都保持波個數在100以上。根據試驗要求，針對不同浪向，在各個水位依據給定的波浪要素進行率定。試驗時，依據率定好的造波信號進行造波。通過造波板前的水位傳感器，實時監測水面變化，保證入射波的準確性。

試驗過程中在極端高水位和設計高水位，測定護岸的波浪爬高、護岸頂高程和后方場地設計高程處越浪量以波浪打擊范圍；在不同水位50年一遇各向波浪作用下，驗證斜坡式護岸胸墻、護面塊體、墊層塊石、護底塊石的穩定性；驗證（半）直立式護岸整體抗傾抗滑、胸墻、護面塊體、墊層塊石以及護底塊石的穩定性；通過模型試驗，對胸墻和后方程場地高程進行優化；提出護面塊體、墊層塊石和護底塊石的穩定性需要優化的斷面位置。

試驗驗證后發現，項目內河道區域波浪雖然發生疊加、折射、衍射等多重作用，但比設計參數要求要降低很多。設計院根據試驗結果進行了設計優化，將優化后的設計成果再次進行試驗，試驗結果滿足規范及相關規定要求。經一系列試驗優化，整體節省投資兩千多萬元。在與試驗單位的交流當中，也有很多項目因試驗數據不滿足相關規范的要求，為了確保工程結構安全，設計單位在局部進行加強，提高了項目投資和工程造價。

3.綜述

波浪整體物理模型試驗，能在項目設計階段模擬出項目建成后受風浪、潮汐等多重作用的影響，進一步驗證了相關設計參數與技術指標，在滿足國家相關規范及要求的基礎上對設計成果進行優化，確保工程建成后能滿足安全及使用需要。因此，整體物模試驗對于港口工程建設項目完善和優化結構設計、保障結構安全是十分必要的。

參考文獻：

[1] JTS154-1-2011，《防波堤設計與施工規范》[S]中華人民共和國交通運輸部；

[2]陳世清.經濟學的形而上學.北京：中國時代經濟出版社，2011.2；

[3] 嚴金龍，《填海護岸工程施工期的環境效應問題研究》[J]資源節約與環保，2013.04：61-62頁。endprint