峭壁反射港區波高分布模型試驗研究

朱穎濤，劉鳴洋*，陳漢寶，范 波

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程研究中心 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.山東電力建設第三工程有限公司，青島 266061)

港口工程中，通常在港區外建設防波堤進行掩護，以減小波浪對港區的影響，優化和改善泊穩條件。研究港外波浪傳入港內水域后的波要素變化規律對評估防波堤掩護效果具有重要意義，因此開展港內波要素演變規律的模型試驗研究十分重要。波浪從外海或近海傳入港內的過程中，會受到淺水變形、折射、底摩擦等影響，在堤頭附近發生繞射，或沿堤發生消散，或在碼頭結構或自然岸線發生反射等現象。上述各種作用或現象使得波浪在港內的傳播變得復雜。因此，針對港口工程中波浪由港外傳入港內發生的波要素演變開展模型試驗研究，提升港內波浪傳播機理的認識水平，對優化防波堤和碼頭結構平面布置，改善港內泊穩條件具有重要的工程意義。

1 引言

圍繞不同港區的波浪傳播和演變特性，許多研究者開展了諸多數值模擬和模型試驗研究。連衛東和劉針[1]分析了煙臺港欒家口港區和蓬萊東港區的波浪特性，利用MIKE21的BW方程波浪數學模型對平面布置方案下港內的波況進行了模擬，分析了直立式碼頭和高樁碼頭不同結構型式對港內波能的影響，發現直立式結構型式使得波浪多次反射不利于泊穩，而高樁結構可以消散波能減小碼頭前波高。白靜等[2]以某大型港區工程為實例，通過波浪整體物理模型試驗，研究了通過防波堤口門傳入港區的波浪條件，并采用數學模型模擬了港內局部小風區成浪的影響。該研究發現對于大型港區，當口門與碼頭之間水域距離在1 km以上時，港內碼頭處的波浪條件不但需要考慮外海傳入港區的波浪、防波堤繞射浪以及越浪產生的次生波影響，還需要考慮港內風成浪的影響。劉針和欒英妮[3]通過波浪整體物理模型試驗，對大連港太平灣港區起步工程港內波況和碼頭上水情況進行測定，并根據試驗結果對平面布置進行優化。該研究發現了波浪在直立碼頭間的來回反射以及航道邊坡對波浪的折射，研究了進港航道邊坡開挖、防波堤延長以及樁式結構的采用等優化方案對港內波高的減小效果。丁兆寬和宋荔欽[4]根據波浪斷面物理模型試驗研究了不同結構碼頭反射系數，并采用MIKE21的BW模塊建立了日照港石臼港區波浪傳播數學模型，針對碼頭不同結構形式和不同平面布置，研究了不同方案組合下的港內泊穩條件。許忠厚等[5]分析了豎直雙擋板樁基碼頭不同擋板結構(擋板底高程、擋板封閉情況)時的港內波高分布特征，分析了不同工況下港內泊穩條件，研究了波向對繞射的影響、有效波高比與相對入水深度對透射系數的影響，分析了繞射波、透射波、反射對港內波況的影響。黃濤等[6]圍繞以色列阿什杜德碼頭工程，利用商業數值模擬軟件分析了強浪條件不同施工階段下半掩護港區波浪場，得到了港區內不同水域的最大作業波高標準。翟法和馮衛兵[7]針對葫蘆島港綏中港區開展了波浪整體模型試驗并運用改進的Boussinesq方程模擬了不同平面布置方案港內波高情況，探討了防波堤結構形式、口門方向、口門寬度、航道和港池邊界結構對港內波高的影響。江森匯等[8]采用考慮波浪折射、繞射、反射以及波能損耗等多種物理過程的波浪數學模型研究日照港波浪要素，研究分析了日照港碼頭擴建前后的港池泊穩條件。李春良等[9]針對濰坊港新規劃港區的波浪入射及泊穩問題，采用數值模擬方法，對濰坊港中、西港區內波浪折繞射進行了研究。喬吉平等[10]將泊位水域的波浪進行長短波分離，對不規則波作用下的泊位水域長周期波高的分布規律進行研究，發現單向不規則波在泊位處的長波波高明顯大于多向不規則波，且波向的改變對港內的長波也有一定的影響。白志剛等[11]圍繞波浪物理模型試驗技術論述了基于板上波高信號反饋、板前波高信號反饋以及力信號的三種主動吸收式造波技術的發展與應用，總結對比各種技術在傳感器性能、系統穩定性和適用范圍等方面的優勢與不足。

關于以上各個港口工程中波浪分布和演變的研究成果中，無論是物理模型試驗還是數值模擬計算，均只涉及港內直立式或樁式水工建筑物以及防波堤等人工結構對波浪的影響，幾乎沒有關于自然岸線中峭壁形態邊界的反射現象研究。對于某些特殊地質條件的港區，尤其是自然岸線中存在陡峭岸壁的情況，在研究港內波要素分布時，須考慮其對波浪的反射作用，以及由此帶來的對港內波浪場的影響和對泊穩條件的影響。

2 模型試驗

2.1 模型實例

模型試驗以福建省福清海亮沃口一級漁港東防波堤工程[12]為研究對象。擬建防波堤總長1 770 m，其中東防波堤(寬肩臺式斜坡堤)長1 550 m，南防波堤兼碼頭(連片沉箱結構)長220 m，防波堤內側160 m兼做4個200 HP 漁船泊位，外側150 m兼做3個600 HP漁船泊位。東防波堤北側與近岸山體間形成朝向北，寬301 m的口門，東防波堤與南防波堤間形成朝向南側，寬120 m的口門，形成港內水域面積約為68.86萬m2(0.689 km2)。防波堤平面布置如圖1所示。漁港工程N—S向朝向開敞大海，工程區主要受到6個方向港外波浪的影響，特別是ESE—SE向臺風浪的影響。本研究主要關注港外SE、ESE、SSE、S、NNE和ENE等方向波浪傳入港內后的波要素分布結果。港外主要波浪方向如圖2所示。

圖1 防波堤平面布置

2.2 試驗水位和波浪要素

本工程水文信息以1985國家高程為基準，據此采用設計高水位重現期為50 a的港外波要素作為港內泊穩規律研究的試驗波要素。波浪要素率定點如圖2所示，率定點波浪要素如表1所示。

表1 設計高水位重現期50 a波浪率定點D和I波浪要素[13]

3 試驗方法

3.1 試驗設施和模型制作

模型試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究院綜合試驗廳中完成。模型按重力相似準則設計，采用正態、定床模型。試驗場地為42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(如圖2所示)，采用幾何比尺λ為40。模型中各種塊石按重力比尺挑選，粒徑級配符合《防波堤與護岸設計規范》[14]中對于寬肩臺斜坡堤的規定，同時滿足《波浪模型試驗規程》(JTJ/T234-2001)[15]的要求。造波采用總長40 m可移動推板式不規則波造波機及其控制系統。

為研究本工程西側山體岸壁反射作用對港內波浪要素和泊穩條件的影響，本模型試驗按照平面布置方案進行平面放樣，再按照相應斷面圖構建模型，擺放防波堤，并模擬后方山體峭壁形態，等效反映岸線坡度。另外，在制作模型的過程中模仿出海亮沃口港區水下地形條件，以及港區東北側的大王馬嶼、王馬仔島、南王馬嶼、王馬南嶼、對渡碼頭、南防波堤堤根與山體岸壁間的地形。工程實地的峭壁岸線及模型制作的地形全貌如圖3所示。

圖3 工程實地峭壁岸線和模型制作全貌

3.2 波浪模擬

根據《波浪模型試驗規程》[15]，寬肩臺式防波堤的斷面穩定性試驗應采用不規則波進行，因此本研究的整體穩定性物理模型試驗采用不規則波進行。不規則波采用頻譜模擬，頻譜采用《港口與航道水文規范》(JTS 145-2015)[16]中的JONSWAP譜。其解析式為

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3 港內泊穩條件分析

針對設計高水位50 a一遇波要素條件下港池內泊穩情況，在港池內布置波高傳感器陣列(見圖4)，根據采集到的波高情況測算滿足泊穩條件的水域面積，具體方法為根據波高分布等值線圖，得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積。

圖4 波高傳感器陣列

4 試驗結果與分析

4.1 港外SE、ESE、S、SSE向浪條件下港內泊穩條件

SE向浪，設計高水位50 a一遇波要素條件下，港內波高分布等值線見圖5-a，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.573 km2。港內波浪主要由南側口門傳入，南防波堤兼碼頭越浪次生波很小并快速衰減，堤身沒有越浪，北側口門傳入波浪很小；由于防波堤內側斜坡較緩，部分口門進入的波浪向東折射并在堤上消散；設計高水位SE向50 a一遇波浪作用下，僅口門附近區域H1%大于1 m。

5-a SE向浪 5-b ESE向浪 5-c S向浪 5-d SSE向浪

ESE向浪，設計高水位50 a一遇波要素條件下，港內波高分布等值線見圖5-b，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.598 km2。S向浪，設計高水位50 a一遇波要素條件下，港內波高分布等值線見圖5-c，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.643 km2。SSE向浪，設計高水位50 a一遇波要素條件下，港內波高分布等值線見圖5-d，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.648 km2。與SE向和ESE向浪相比，S向和SSE向浪在港區南口門有更直接的入射角度，但波浪傳入港內后，泊穩條件均是S向和SSE向好于SE向和ESE向。

4.2 港外NNE、ENE向浪條件下港內泊穩條件

對于NNE向浪，考慮原設計方案防波堤長度以及將北堤頭部分分別縮短100 m和175 m后港內的波高分布變化。設計高水位50 a一遇波要素條件下，原設計方案港內波高分布等值線見圖6-a，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.686 km2；將北堤頭縮短100 m后，港內波高分布情況見圖6-b，得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.573 km2；將北堤頭再次縮短75 m(累計縮短175 m)后，港內波高分布情況見圖6-c，港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.509 km2。相比原設計方案，北堤頭縮短100 m和175 m后，港內滿足泊穩條件的水域面積分別減小了16.5%和25.8%。在NNE向波浪作用下，港內波浪主要由北側口門傳入，在北堤頭處發生繞射，并在港池西側自然岸線形成反射和沿岸傳播(見圖6)；縮短北堤頭的長度100 m、175 m，港內滿足泊穩條件的水域面積由北向南減小。

6-a 原設計方案 6-b 北堤頭縮短100 m 6-c 北堤頭縮短175 m

對于ENE向浪，考慮原設計方案防波堤長度以及將北堤頭分別縮短100 m和175 m后港內的波高分布變化。設計高水位50 a一遇波要素條件下，原設計方案港內波高分布等值線見圖7-a，由此得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.503 km2；將北堤頭縮短100 m后，港內波高分布情況見圖7-b，得到港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.247 km2；將北堤頭再次縮短75 m(累計縮短175 m)后，港內波高分布情況見圖7-c，港內滿足波高H1%≤1 m的水域面積為0.119 km2。相比原設計方案，北堤頭縮短100 m和175 m后，港內滿足泊穩條件的水域面積分別減小了50.9%和76.3%。在ENE向波浪作用下，港內波浪主要由北側口門傳入，在北堤頭處發生繞射，并主要在港池西側自然岸線形成反射(如圖7所示)；縮短北堤頭的長度100 m、175 m，港內滿足泊穩條件的水域面積由北向南急劇減小。

7-a 原設計方案 7-b 北堤頭縮短100 m 7-c 北堤頭縮短175 m

港外NNE向浪相比ENE向浪，在港區北口門有更直接的入射角度，但波浪傳入港內后，無論是對于原防波堤堤長還是北堤頭縮短100 m和175 m情況，港內的泊穩條件均是NNE向好于ENE向。主要原因是NNE向浪的波高和周期本身就小于ENE向，且其波能在繞射和反射過程中衰減的程度更大。另外，NNE向浪進入港內水域后更多地沿峭壁岸線傳播，而ENE向浪經峭壁反射后主要進入港內中心水域，使得泊穩條件衰減更明顯。在ENE向浪入射工況，隨著防波堤北段長度的減小，不僅港內水域面積急劇減小，被陡峭岸壁反射的波浪傳播方向也因為主要反射區域的變化而發生明顯改變(見圖7)。由此說明本工程的岸線對波浪的反射現象呈現出類似于直立岸壁反射的規律，即波浪反射方向的指向性較集中。

5 結論

本文針對福建福清海亮沃口一級漁港工程，通過三維物理模型試驗模擬了自然岸線中的峭壁形態，得到了港內泊穩波要素分布以及滿足泊穩條件的水域面積隨堤身長度變化的演變規律，得出如下結論：

(1)港外SE、ESE、S和SSE向浪經較小的南口門傳入港內時沿堤消散現象明顯，僅口門附近區域不滿足泊穩條件。

(2)港外NNE和ENE向浪主要經北口門進入港內，波高和周期較小的NNE向浪主要在北堤頭發生繞射以及沿港內西側岸線傳播，波高和周期較大的ENE向浪主要經峭壁反射進入港內中心水域。

(3)港外NNE向浪和ENE向浪情況下，減小東防波堤北段長度100 m和175 m，港內泊穩水域面積相比原設計方案均有減小，尤以ENE向浪情況下減小程度更加顯著。除泊穩面積有明顯變化外，本工程的岸線對波浪的反射現象還呈現出類似于直立岸壁反射的規律，即波浪反射方向的指向性較集中。因此，波高和周期較大的波浪經防波堤口門進入港內后，受峭壁形態的岸線反射導致的泊穩條件變化，是港口平面布置中應關注的問題。