淺析已建港區波浪條件改善措施研究

楊會利 萬驍 劉針 欒英妮 胡克

摘 要：港口的尺度、碼頭的結構型式、口門朝向與當地的波浪特性、防波堤掩護條件對港內波浪傳播規律起著決定性的作用。本次研究針對秦皇島海警碼頭現狀布置條件下存在的泊穩問題以及梳式島堤改善方案，通過斷面物理模型試驗得到了梳式島堤的穩定斷面，測量了堤頂越浪，通過波浪力的測量給出了沉箱所受的水平力、浮托力和豎向力;通過波浪整體物理模型試驗，對梳式島堤工程建設前后，港區的波高進行了對比，島堤的建設可有效減小港內波高。為下一步方案實施提供了理論支持和科學依據。

關鍵詞：波浪;波能集中;梳式島堤

中圖分類號：U652.3? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0150-04

秦皇島海監項目西防護工程初建時標準偏低，2016年受“720”風暴潮影響，局部護坡被沖毀，部分塊石被波浪沖到港池內，對船舶進出安全造成較大影響。另外在使用過程中發現，受波浪影響，北側碼頭泊穩條件差，不利于工作船舶的停靠。

為改善港池泊穩條件，消除安全隱患，本項目擬采用建設方案：在口門外側東南方向新建300m長島堤，島堤推薦采用透水性結構;同時將現有475m長的航道轉彎改線，改線后航道總長800m，具體見圖1。河北海警支隊島堤建設項目位于秦皇島市山海關區龍源大道立交橋南側、山海關一級漁港東側，河北省海監執法能力建設項目西側。地理坐標為北緯39°56′40″，東經119°43′20″。工程地理位置見圖2。

1主要問題和研究思路

1.1主要研究問題

港區原建設方案將由東、西防波堤環抱而成，工程范圍較小，建成的碼頭均采用直立式結構型式，從口門進入的波能很難消散，且港池現有布局存在凹角波能集中等情況。基于上述原因，其泊位泊穩條件不佳，同時部分波能集中區護坡還有破壞現象。

1.2主要研究思路

項目前期通過波浪數學模型對工程深水區波要素進行了推算，對島堤的多種布置方式和島堤長度進行模擬，并推薦了最終平面布置方案，方案平面布置見圖3，島堤斷面見圖4。

本次研究的主要思路是對推薦的最終方案，根據斷面物理模型試驗，驗證島堤斷面穩定性、測量島堤后的波高分布情況和測定島堤的波浪力，得到穩定斷面為設計提供依據。根據波浪整體物理模型試驗，分析現狀情況和島堤建設后港區的波高分布，為工程的后續建設提供研究依據。

2研究依據

2.1設計水位（當地理論最低潮面起算）

極端高水位（重現期：50年）：2.66m;

設計高水位：1.76m;

設計低水位：-0.15m;

極端低水位：-1.71m。

2.2風浪資料

秦皇島[1，2]海洋站位置N：39°55′，E：119°37′， 浮標（傳感器）處基準面水深-6～-7m。 對秦皇島海洋站波浪實測資料進行處理，圖3為其對應的波玫瑰。工程區是以風浪為主的混合浪，風浪頻率占61.5%，以風浪為主的混合浪占7.86%，以涌浪為主的混合浪占29.82%。常浪為S向，頻率為22.64%;次常浪向為E向，頻率為11.32%;強浪為ENE向，波高大于2.5m出現的頻率為0.04%。

2.3試驗波要素

根據前期波浪數學模型成果中的試驗波要素見表1。

3 梳式防波堤斷面模型試驗

梳式防波堤[3，4，5，6，7，8]結構是我國在“九五”期間自主研發、具有獨立知識產權的一種新型水工結構。該結構與傳統直立式防波堤相比，具有減小波浪反射、降低波浪總力、有效吸收波能和造價低廉等優點。

本次模型按重力相似準則設計，結構斷面尺寸滿足幾何相似，根據試驗要求和試驗場地、造波機能力等限制條件綜合考慮，模型試驗比尺定為=25。

模型沉箱采用木板對其形狀進行模型，后通過箱體內配重至設計重量。防護采用的塊石，按重力比尺挑選，質量偏差控制在±5%以內。護面塊體采用的四腳空心方塊，使用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求，質量偏差控制在±5%以內。胸墻和毛石混凝土壓頂使用原子灰加鐵粉配制，重量偏差與幾何尺寸誤差均滿足試驗規程的要求，質量偏差控制在±5%以內。

3.1 試驗設備

波浪斷面試驗擬在我院水工廳風浪流水槽中進行，水槽長68.0m，寬1.0m，高1.5m，見圖6。造波機為電機伺服驅動推板吸收式造波機，可以產生規則波與不規則波，造波能力為：最大造波水深1.0 m，波高0～35 cm，周期0.5～5.0 s。該設備由生波機械、電伺服控制系統、計算機和無反射模塊組成（見圖8）。水槽兩端均設有消波裝置，同時水槽兩端設有連通管，以使試驗過程中模型兩側的水位保持不變。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，波高采用波高傳感器，并通過TK-2008型動態水位測量系統對波高進行采集分析。試驗過程中采用攝像機記錄波面過程和上水、越浪等試驗現象。波浪壓力測量，采用2008型微型點壓力系統采集。模型中塊石重量采用天馬TD1002型電子天平進行稱重，精度為0.01g。試驗過程中采用攝像機記錄波面過程和上水、越浪等試驗現象。

3.2波浪模擬

本次試驗研究采用不規則波進行，對于不規則波采用JONSWAP譜模擬。其解析式為：

其中：r為譜峰因子，試驗取3.3，fp是峰頻，為譜峰頻周期Tp的倒數，S（f）為譜密度，H1/3為有效波高，f為頻率，為平均周期。

3.3斷面穩定性試驗結果

重現期50年波浪，不規則波列作用于試驗斷面，極端低水位時波浪作用至沉箱，在沉箱頂部形成濺浪，波浪通過翼板下開口透浪至堤后，引起堤后水體波動;設計低水位時大波沖擊沉箱在堤頂形成越浪，底部翼板開口處的透射浪和堤頂越浪量引起堤后水體波動。設計高水位時大波沖擊沉箱在堤頂產生大量越浪;極端高水位時大波沖擊沉箱在堤頂產生大量越浪，一個波列中大部分波可越過堤頂。四種水位時模擬原體波浪連續作用3小時，沉箱及胸墻整體均保持穩定，3t四腳空心方塊均保持穩定，300-500kg護底塊石有個別發生滾動，但護底塊石形狀沒有發生大的改變，沒有喪失護底功能，均判斷為穩定。不同水位時的試驗場景見圖9。

3.4堤頂越浪量結果

對設計斷面的越浪量、越浪高度和越浪頻率進行測量，結果見表2。極端高水位情況下，最大越浪厚度為2.75m，單寬平均越浪量為0.2692 m3/（m·s）。

3.5波浪力測量結果

依據《波浪模型試驗規程》JTJ/T234-2001和試驗技術要求，在沉箱和胸墻上布置點壓力傳感器來進行測定壓力，數據通過2008型數據采集系統采集、分析。對于不規則波作用，連續采集100個以上波作用的波壓力過程，模型采樣的時間間隔為0.01s。波壓力測點布置見圖10。

受力分析：先將沉箱置于X、Z坐標軸所構成的二維直角坐標系內，坐標系定義見圖10，其中定義來浪方向為X向。然后將各測點所代表面積、壓強在該坐標系X、Z二個方向分別進行投影，再由各測點測得壓強過程線，利用積分得到在X、Z二個方向所受到的波浪力，最后統計其所受的水平力和浮托力。

單位長度波浪力按下式計算：

其中：-X、Z方向所受到的波浪力（單位：kN）;-各測點實測壓強（kPa）;-測點在X、Z方向投影所代表的面積（m2）。

4波浪整體物理模型試驗結果

結合試驗場地及設備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為100，亦即波高比尺為100，周期比尺為10，試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所波浪港池[9]中進行。造波機和采集系統見圖11。分別對SSE、SE和S向波浪進行模擬。試驗波要素見表4。島堤建設前后在不同浪向下的波高對比見表4。設計高水位重現期50年，在SE向浪作用下西側碼頭前最大有效波高由島堤工程前的2.5m下降到1.57m;在SSE向浪作用下西側碼頭前最大有效波高由島堤工程前的2.06m下降到0.71m;在S向浪作用下西側碼頭前最大有效波高由島堤工程前的1.18m下降到0.67m。

5結論

碼頭泊穩條件和港內結構物的穩定是決定港口設計成功與否和正常運行的關鍵因素之一，港口的尺度、碼頭的結構型式、口門朝向與當地的波浪特性、防波堤掩護條件對港內波浪傳播規律起著決定性的作用。本次研究針對秦皇島海警碼頭現狀布置條件下存在的泊穩問題以及島堤改善方案，通過斷面物理模型試驗得到了島堤的穩定斷面，測量了堤頂越浪，通過波浪力的測量給出了沉箱所受的水平力、浮托力和豎向力;通過波浪整體物理模型試驗，對島堤工程建設前后，港區的波高進行了對比，島堤的建設可有效減小港內波高。為下一步方案實施提供了理論支持和科學依據。

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