長周期波作用下防波堤透浪對港內(nèi)系泊穩(wěn)定影響分析

張 志，孔友南，程培軍

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

拋石斜坡堤由于其結(jié)構(gòu)簡單可靠，施工方便，對地基條件的適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是港口工程中防波堤的最常見的結(jié)構(gòu)型式之一。拋石斜坡堤由孔隙率相對較大的堤心石及護(hù)面結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)波浪遇到斜坡堤后，波能通過孔隙傳遞，當(dāng)波周期較長，波能較大，大孔隙率堤心對波能的阻尼作用相對較小時(shí)，堤后會透射部分波能，進(jìn)而在堤后產(chǎn)生透射波浪。透射波浪將會影響堤后水域的泊穩(wěn)條件，影響泊位可作業(yè)天數(shù)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致在港系泊船舶斷纜事故，防波堤透射波浪對港內(nèi)系泊穩(wěn)定的影響是拋石堤環(huán)抱式港區(qū)設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵問題之一。

隨著境外水運(yùn)市場的拓展，西非地區(qū)港口工程建設(shè)項(xiàng)目中長周期波浪環(huán)境條件較常見，在設(shè)計(jì)中須特別重視長周期波浪對平面布置及結(jié)構(gòu)選型的影響。本文針對西非某境外工程，在充分分析工程區(qū)自然條件的基礎(chǔ)上，分析透射波浪對港內(nèi)系泊穩(wěn)定條件的影響，對平面布置的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

新建港區(qū)地處西非地區(qū)，毗鄰大西洋，近期擬建設(shè)2個(gè)5萬t級多用途泊位和1個(gè)5萬t級散貨泊位，近期均考慮為散貨出運(yùn)泊位，設(shè)計(jì)代表船型如下(表1)。防波堤采用半環(huán)抱式布置(圖1)，防波堤總長3 250 m，采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)。泊位總長970 m，多用途1#、2#泊位碼頭軸線130°～310°，散貨泊位與多用途泊位垂直布置，均采用沉箱岸壁式結(jié)構(gòu)，碼頭面高程5.30 m(當(dāng)?shù)睾D基面，下同)，港池底標(biāo)高-14.00 m。

圖1 港區(qū)平面布置圖Fig.1 Plan layout of port

船舶類型船舶噸級(DWT)設(shè)計(jì)船型尺度(m)總長型寬型深滿載吃水壓載吃水備注散貨船5000022332.317.912.86.9設(shè)計(jì)代表船型

2 系泊條件

影響船舶系泊穩(wěn)定性的條件主要包括風(fēng)、浪、流、水位、系泊船型尺度、系泊布置方式、纜繩材質(zhì)及規(guī)格等。

圖2 實(shí)測波要素散點(diǎn)分布Fig.2 Scatter data distribution of practical wave elements

根據(jù)工程區(qū)潮流觀測資料分析，港區(qū)潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，潮差較小，設(shè)計(jì)高水位1.89 m，設(shè)計(jì)低水位0.40 m。受防波堤建設(shè)的影響，泊位區(qū)流速整體較小，均小于0.1 m/s。根據(jù)工程區(qū)測風(fēng)資料分析，港區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾、SSW、SE、E向，風(fēng)速較小，年平均風(fēng)速2.0 m/s，年最大風(fēng)速12.3 m/s。

2013年8月～2014年7月對工程海域波浪進(jìn)行了連續(xù)觀測，工程區(qū)常浪向?yàn)镾SW、SW向，頻率為91.2%。實(shí)測波要素統(tǒng)計(jì)(3 h間隔)散點(diǎn)分布見圖2，實(shí)測波高與波周期聯(lián)合概率分布見表2，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，實(shí)測有效波高HS主要集中在0.6～1.6 m，平均波周期Tm主要集中在5～10 s，平均波周期Tm≥8 s頻率53.2%，HS=1.6 m,Tm=10 s的保證頻率約90%，即實(shí)測有效波高小于1.6 m，且平均波周期小于10 s的頻率占90%。

表2 實(shí)測波高波周期聯(lián)合概率分布Tab.2 Joint probability distribution of practical wave height & period

通常船舶配置纜繩有鋼纜或尼龍纜，一般來說相同環(huán)境條件下鋼纜由于剛度較大，船舶位移量小，纜繩受力較大，而尼龍纜由于具有一定的彈性，纜繩受力相對更均，纜繩受力相對要小，而位移量相對較大。本工程為散貨出運(yùn)泊位，對船舶運(yùn)動量的要求相對較低，船舶運(yùn)動量非本工程系泊穩(wěn)定的控制性因素，在纜繩破斷力相同的條件下，鋼質(zhì)纜繩受力更大，其系泊穩(wěn)定的控制性條件更嚴(yán)格，故選擇鋼纜對本工程系泊穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)合常見5萬t級散貨船實(shí)船資料，系泊纜繩共12根，纜繩直徑32 mm，纜繩破斷力MBL=720 kN，尾纜為尼龍纜，直徑72 mm，長度11 m，纜繩破斷力MBL=1 020 kN。結(jié)合均勻、對稱的系泊纜繩布置原則，系泊布置平面及纜繩編號見圖3。

圖3 系泊布置平面圖Fig.3 Mooring layout plan

3 敏感性分析

系泊穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)主要包括纜繩受力和船舶運(yùn)動量，舶舶運(yùn)動量包括縱移、橫移、升沉、回轉(zhuǎn)、縱搖、橫搖6個(gè)自由度。根據(jù)石油公司國際海事論壇(OCIMF)，最大纜繩受力F不應(yīng)超過纜繩破斷力的55%，即F/MBL≤55%。根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165-2013)，對于散貨裝船作業(yè)，船舶運(yùn)動量縱移應(yīng)小于5 m，橫移小于2.5 m，回轉(zhuǎn)小于3°。

系泊計(jì)算采用國內(nèi)外廣泛采用的OPTIMOOR船舶系泊數(shù)值分析軟件。為確定影響系泊穩(wěn)定的控制性外界因素，選取某一典型工況進(jìn)行系泊穩(wěn)定敏感性分析，分析時(shí)風(fēng)速、流速取最大值，波浪取規(guī)范允許最大作業(yè)波高，根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165-2013)，對于5萬t級散貨船，裝船作業(yè)允許最大作業(yè)波高H4%=1.2 m(對應(yīng)有效波高Hs≈1.0 m)，允許平均波周期Tm=8 s。

表3 風(fēng)、浪、流對系泊穩(wěn)定影響工況表Tab.3 Conditions of wind, wave and current′s influence on the mooring stability

表4 水位、壓載度對系泊穩(wěn)定影響工況表Tab.4 Conditions of water level and draft′s influence on the mooring stability

圖4 纜繩受力對比 圖5 纜繩受力對比Fig.4 Comparison of mooring line force Fig.5 Comparison of mooring line force

為確定風(fēng)、浪、流對系泊穩(wěn)定的影響程度，設(shè)置對比工況1、2(表3)，工況1僅考慮波浪作用，工況2考慮風(fēng)、浪、流同時(shí)作用。根據(jù)工況1、2計(jì)算結(jié)果(圖4，表5)，計(jì)算各纜繩受力及船舶運(yùn)動量相差甚微，表明工程區(qū)風(fēng)、流較小，其對系泊穩(wěn)定的影響不大，本工程系泊穩(wěn)定主要受波浪影響。

表5 船舶運(yùn)動量計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation result of vessel movement

計(jì)算水位及船舶裝載度也很大程度影響船舶系泊穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，為確定系泊穩(wěn)定最不利的水位及裝載度組合，設(shè)置對比工況3～6(表4)。根據(jù)工況3～6計(jì)算結(jié)果(圖5，表5)，在設(shè)計(jì)高水位及壓載工況下，各纜繩受力最大，而船舶運(yùn)動量結(jié)果均遠(yuǎn)小于允許值。

綜上分析，本工程系泊穩(wěn)定的控制性外界因素為波浪，設(shè)計(jì)高水位及壓載工況組合下船舶的系泊穩(wěn)定最為不利，纜繩受力為系泊穩(wěn)定的控制性標(biāo)準(zhǔn)。

4 系泊穩(wěn)定性分析

以上分析針對規(guī)范允許作業(yè)波要素，計(jì)算結(jié)果表明規(guī)范允許波要素作用下，5萬t級散貨船系泊穩(wěn)定滿足要求。但本工程區(qū)受長周期波影響，波周期大于8 s的頻率達(dá)53.2%，且防波堤透射波浪還將在一定程度上影響系泊穩(wěn)定，需重點(diǎn)研究長周期繞射波浪與防波堤透射波浪疊加作用下的系泊穩(wěn)定性。

(1)透射波要素。

堤后透射波要素是工程界一直關(guān)注的問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對堤后透射波要素的大小進(jìn)行了大量的研究工作，提出了各家經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，其中王登婷等人結(jié)合物理模型試驗(yàn)，提出堤后透射波高公式[1]

式中：Kt為透射波高傳遞系數(shù)，Kt=Ht/H，Ht為透射波高，H為入射波高，g為重力加速度，T為入射波周期，B為靜水面堤身寬度，D為堤心石粒徑，可取D50。

針對本工程的具體情況，為驗(yàn)證透射波浪計(jì)算公式的適用性，采用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。采用1：60整體物理模型(圖6)，將防波堤口門用不透水結(jié)構(gòu)完全封堵住，在港內(nèi)布置波高儀(測點(diǎn)1～4)，用以測量外海波浪作用下港內(nèi)透射波高。

圖6 防波堤透浪性物理模型試驗(yàn)布置圖Fig.6Layoutofphysicalmodelfortransmittedwave圖7 防波堤斷面圖Fig.7Sectionofbreakwater

表6 防波堤透浪試驗(yàn)值與計(jì)算值比較Tab.6 The transmitted wave result comparison of physical model and calculation

注：波高均為有效波高。

由表6可見透射波高試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好，可采用上述公式進(jìn)行本工程堤后透射波高的計(jì)算。防波堤至泊位距離約為1 km，考慮到底摩阻等因素的影響，波浪在傳遞過程中波高應(yīng)有所衰減。為確定其衰減幅度，在物模試驗(yàn)中布置波高儀(測點(diǎn)17、30)，結(jié)果如下：當(dāng)入射波高4.76 m時(shí)，堤后透射波高平均值0.37 m，測點(diǎn)17波高值為0.36 m，測點(diǎn)30波高值為0.34 m；入射波高4.57 m時(shí)，堤后透射波高平均值0.39 m，測點(diǎn)17波高值為0.37 m，測點(diǎn)30波高值為0.35 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，堤后透射波浪在傳播過程中的衰減較小，對于本工程來說，可偏安全的近似認(rèn)為堤后透射波高即為泊位處透射波高。

周期為波浪自身特性，透浪波波周期應(yīng)與入射波浪一致。對于不規(guī)則波來說，波周期為波列統(tǒng)計(jì)值，入射波波列中僅波周期相對較大的波浪能傳遞至堤后形成透射波浪，故透射波浪波周期應(yīng)有所增大。葛曉丹、柳淑學(xué)等人利用物理模型試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了不規(guī)則波透射波浪波周期的變化，提出波周期變化系數(shù)Kt=Ti/T0在1.0～1.5的范圍內(nèi)[2-5]，在本工程系泊穩(wěn)定分析中，偏不利按Kt=1.5考慮。

(2)透射波浪對系泊穩(wěn)定影響。

選擇具有代表性的外海波要素，分別計(jì)算考慮透射波浪和不考慮透射波浪工況下的系泊纜繩受力及船舶運(yùn)動量的差異，以分析透射波浪對系泊穩(wěn)定的影響程度。選擇90%保證率的外海波要素Hs=1.6 m，Tm=10 s進(jìn)行分析，波向按SW向考慮。由于本工程多用途1#泊位的掩護(hù)效果最差，選擇1#泊位進(jìn)行系泊穩(wěn)定性分析。

影響泊穩(wěn)的波浪由兩部分組成，其一為繞射波浪H1=KdH，其中H為外海波高，Kd為繞射系數(shù)，經(jīng)計(jì)算繞射波浪波要素H1=0.65 m，Tm1=10 s；其二為透射波浪H2=KtH，Kt透射波高傳遞，計(jì)算方法如前述，經(jīng)計(jì)算透射波要素H2=0.15 m，Tm2=15 s。

考慮透射波浪時(shí)港內(nèi)實(shí)際波浪應(yīng)為繞射波浪與透射波浪的矢量疊加。在利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行系泊穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，考慮繞射波浪與透射波浪為獨(dú)立的不規(guī)則波波列，其波列特征值分別為(H1、Tm1)，(H2、Tm2)，分別計(jì)算其波浪作用效應(yīng)，最后進(jìn)行效應(yīng)疊加。

對比考慮透射波浪和不考慮透射情況下，在港系泊船舶的運(yùn)動量及各纜繩受力計(jì)算結(jié)果(表7、圖8)，結(jié)果表明，透射波浪作用下，船舶運(yùn)動量增大，但總體來說運(yùn)動量較小，船舶運(yùn)動量仍非本工程系泊穩(wěn)定的控制性因素。考慮透射波浪時(shí)各纜繩受力明顯增加，部分纜繩受力超過允許值，透射波浪將在一定程度上影響在港船舶系泊穩(wěn)定性，勢必減少泊位可作業(yè)天數(shù)。

表7 透射波浪對船舶運(yùn)動量影響Tab.7 Influence of transmitted wave on vessel movement

圖8 透射波浪對纜繩受力影響Fig.8Influenceoftransmittedwaveonmooringline圖9 透射波浪對可作業(yè)天數(shù)影響Fig.9Influenceoftransmittedwaveonthenumberofworkabledays

表8 多用途1#泊位推算波高波周期聯(lián)合概率分布Tab.8 Joint probability distribution of calculation wave height and period at 1# multi-purpose berth

(3)透射波浪對作業(yè)天數(shù)影響。

上述分析僅針對某一特定外海波要素，不能反映透射波浪對泊位可作業(yè)天數(shù)的影響程度，而泊位可作業(yè)天數(shù)是工程設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的問題之一。針對于此，根據(jù)波浪繞射理論，按外海實(shí)測波要素推算1#泊位處對應(yīng)波要素分布(圖9)，并分級統(tǒng)計(jì)其波高波周期的聯(lián)合概率分布(表8)。試算每一波周期Tm系泊穩(wěn)定的最大允許波高H1，將各點(diǎn)連接以確定系泊穩(wěn)定界限波要素。當(dāng)考慮透射波浪情況下，對每一組試算波要素(H1、Tm)在計(jì)算中需另疊加考慮波浪(KtH1/Kd、1.5Tm)作用，試算結(jié)果見圖9。

計(jì)算結(jié)果表明，可見當(dāng)波周期Tm增大時(shí)，系泊穩(wěn)定的允許波高明顯減小，當(dāng)波周期Tm大于15 s時(shí)，系泊穩(wěn)定允許有效波高僅0.3 m。當(dāng)考慮透射波浪時(shí)，系泊允許波高值減小，結(jié)合界限波要素及波高波周期聯(lián)合概率分布，經(jīng)計(jì)算當(dāng)不考慮透射波浪時(shí)，本工程1#泊位系泊穩(wěn)定受波浪影響的頻率為7.5%，當(dāng)考慮透射波浪時(shí)其受波浪影響的頻率增加至11.5%，透射波浪將在一定程度上減少泊位可作業(yè)天數(shù)，但總體來說本工程系泊穩(wěn)定受波浪影響的天數(shù)較少，尚在可接受的范圍內(nèi)，本工程平面布置合理。

5 結(jié)論

(1)拋石斜坡堤孔隙率較大，在長周期波浪作用下有透浪特性，設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意透射波浪對系泊穩(wěn)定的影響，對平面布置的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)長周期波浪具有較大的能量，在特定的水位及壓載度組合下，即使極小的波高作用亦可能導(dǎo)致系泊不穩(wěn)定，在港口工程設(shè)計(jì)中，若工程所處海域受長周期波作用，須特別注意長周期波對系泊穩(wěn)定的影響，系泊穩(wěn)定允許波高須經(jīng)充分論證。本工程設(shè)計(jì)高水位及船舶壓載吃水工況組合下，當(dāng)波周期Tm大于15 s時(shí)，系泊穩(wěn)定允許有效波高僅0.3 m。

(3)當(dāng)考慮波浪透射時(shí)，港內(nèi)實(shí)際波浪應(yīng)為繞射波浪與防波堤透射波浪疊加，透射波浪將在一定程度上影響港內(nèi)系泊穩(wěn)定條件，在設(shè)計(jì)中須根據(jù)其影響程度分析判別平面布置的合理性。本工程泊位系泊穩(wěn)定性考慮透射波浪影響，其受波浪影響頻率由7.5%增加至11.5%，但總體來波浪影響系泊的天數(shù)較少，本工程平面布置基本合理，能適應(yīng)長周期波浪環(huán)境特點(diǎn)。

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