港内波能集中及治理措施试验研究

刘海成，王赟江，张 亮，刘欣明

（1.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.中交第一航务工程局第一工程有限公司，天津300456；3.河海大学，南京210024）

波浪是沿海港口重要的水动力因素和作用力［1］，港内的波高分布和港内平稳度是港口规划建设中首要考虑的问题［2］。然而有些港口的平面布置不合理，防波堤建成后，港内泊稳条件不但没有得到预期的改善，局部反而恶化，对港内泊稳和建筑物的稳定造成巨大威胁。这就是港内波能集中现象。台湾花莲港、南非开普敦港、挪威努克瓦渔港［3］及烟台西港［4］都出现了港内波能集中造成泊稳条件恶劣和建筑物损毁等事故。本文以烟台西港区储运设施波浪物理模型试验为依据，研究了港内波能集中现象、整治措施及其效果，为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

烟台港西侧的新港区一期工程主要包括1个5万t级泊位及相应配套码头设施，远期将建设3个5万t级通用泊位和防波堤，现已建成LPG泊位和1 500 m长防波堤以及配套的出运设施（工程平面布置图见图1）。在1 500 m外防波堤施工过程中，预制厂滑道施工困难，工作船泊稳条件恶劣。泥沙淘刷和波浪力的共同作用，使滑道井字梁多次被破坏。鉴于以上问题，西港区进行了出运设施工程波浪整体物理模型试验，对小港池内波浪情况进行试验研究，给出了改善小港池内波浪条件的优化措施。

图1 工程平面布置图Fig.1 Plane layout of the project

1.1 设计水位

以烟台港理论最低潮面为基准，极端高水位+3.56 m，设计高水位+2.46 m，设计低水位+0.25 m，极端低水位-0.95 m。

1.2 地形

港区地形图由设计单位提供，从布置图可以看出，工程区域水深条件良好，-11 m等深线距岸边约600 m。

1.3 波浪

根据烟台港提供的芝罘岛海洋站测波和测风资料、烟台西港区施工现场风浪资料并结合现场附近气象站的气象资料，推算出工程海域-15 m处不同水位的波浪要素（表1，以50 a一遇波要素为例）。结合工程现场情况，1 500 m长的北防波堤建成以后对N向浪掩护良好，在ENE向浪作用下，工作船泊位处的泊稳条件差，并伴随滑道基础的淘刷和滑道井字梁的破坏。所以本次研究的重点为ENE向浪作用时，小港池内的波浪情况及其治理措施。

表1 ENE向50 a一遇波要素Tab.1 Wave parameters of 50 years return period in ENE direction

2 模拟方法

采用波浪物理模型试验研究小港池内的波高分布和工作船码头前沿的泊稳条件模型。模型以重力相似准则设计，结合现场及试验设备情况，确定集合比尺为1∶100（水深、波高和波长比尺为1∶100，波浪周期和速度比尺为1∶10）。在试验过程中，波浪采用不规则波，对于有限深度水域（0.1＜H*≤0.5），风浪频谱可按下列公式计算［5］。

式中：HS为有效波高，m；TS为有效周期，s；P为谱尖度因子；H*为波高水深比的一个参数；d为水深，m。采集到的试验数据由上跨零点法确定各测波点波高值，通过测点波高的入射波高（-15 m水深处）的比值，给出各测点的比波高。

3 试验现象及分析

试验现象表明：目前状况下，当ENE向波浪入射时，外海波浪经过口门进入港池，在港内发生绕射、折射和反射，并在港内形成震荡，造成顺岸码头、LPG泊位处的波高增大。进入到大港池内的波浪分为3个部分，其一经过折射向岸边传播；其二直接传播至LPG泊位、南侧顺岸码头和小港池内；其三经过北防波堤堤头绕射传播至防波堤内侧。小港池内波浪也由3部分组成，其一为直接入射进来的波浪，这部分波浪很小，港内波浪在底摩阻作用下的耗散、在航道作用下的折射等造成波高减小；其二为小港池西侧码头前沿出现的一列顺着码头方向传播进来的波浪；其三为小港池内的波浪二次反射。防波堤顺浪、直接入射到小港池内的波浪及二次反射的波浪相互叠加，造成小港池内产生较大波高。大小港池内波浪传播的过程见图2。

试验过程中发现，小港池内的波高较大，特别是在直角处，出现波能集中，在高水位时往往会有码头上水的现象。港内波高除了受波浪绕射、折射和反射共同作用外，还受港域尺度的影响。从现有的研究成果看，港内波高值与港域相对尺度a/L（a为港域纵深，L为深水波长）有关，当a/L为7～9时，港内波高较大［6-7］。由于本研究中的港域尺度已经确定，治理措施只能从其他方面入手。

图2 波浪传播示意图Fig.2 Sketch of wave propagation

图3 测点布置图Fig.3 Layout of measuring points

4 治理措施研究

从入射到小港池内的波浪分析，要改善小港池内的波浪条件，可以从2个方面入手：一方面减少入射到小港池内的波能，包括减小直接从外海入射来的波浪和从西侧码头前沿反射来的波浪（即西侧顺浪）；另一方面是要减小港内的波浪反射和波能集中，具体措施为在小港池西侧直角处铺放消浪块体，将顺岸码头西护岸预留沉箱位置处修改成斜坡结构（小港池内测点平面及测点布置见图3）。

为了减小波能集中，改善港内泊稳条件，对比了2种工程措施：（1）在小港池直角位置和预留沉箱位置铺放消波块体；（2）在小港池入口处即滑道顶端左侧，增加1段约20 m的防波堤（小港池口门宽度为220 m）。不同工程措施及现状条件时小港池内测点比波高结果见表2，从表2中可以看出：现状时，港内波能集中现象最为明显，在50 a一遇ENE向波浪作用下，小港池内的平均波高为2.44 m，最大波高出现在小港池直角处，极端高水位时波高为3.24 m，极端低水位波高为2.64 m。

表2 不同工况下港内波高Tab.2 Wave height under different conditions m

采用第一种工程措施时，在小港池的直角处和预留沉箱位置同时消波以后，港内8个测点平均波高为2.16 m，相对现状条件时平均波高减小约12%，直角处的消浪块体对减小直角处的波能集中起到了较好的作用，在极端高水位和极端低水位时，直角处波高分别为2.07 m和1.66 m。

采用第二种工程措施时，小港池内8个测点的平均波高减小为1.84 m，平均波高减小约25%。从治理效果看，减小入射波浪从根本上改善了小港池内的波浪条件；在直角位置和预留沉箱位置进行消波处理，消除了波能局部集中现象。但是考虑到口门处需要保证船舶进出港需要的有效宽度，口门处的防波堤长度不能过长，所以建议同时采取2种治理措施。

5 结论

通过不同工况下的波浪物理模型试验及结果分析，可以得到以下主要结论：

（1）小港池内出现波能集中的主要原因在于：波浪的直接入射、西防波堤的反射、小港池内直立式岸壁及易于出现波能集中直角区域。

（2）要改善小港池内的波浪条件，可以从2个方面入手：一方面减少入射到小港池内的波能；另一方面减小港池内的波浪反射。

（3）对比2种治理措施，在小港池口门处增加防波堤，减少进入港内的波能是治理的根本手段，但是考虑到船舶进出港所需的有效宽度，防波堤不能过长，建议2种治理措施同时使用。

（4）在平面布置中尽量避免出现周围为直立式岸壁且有波浪入射的小面积港域；对已建成的港域，在治理港内波能集中时，应采用减少入射波能和在波能集中处消波的措施。

［1］吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］俞聿修.随机波浪及工程应用［M］.大连：大连理工大学出版社，1992.

［3］顾家龙.港口水域的共振问题研究［J］.水运工程，1984（12）：1-10.GU J L.Study on resonance of port water［J］.Port&Waterway Engineering，1984（12）：1-10.

［4］刘海成，陈汉宝.烟台西港区出运设施波浪物理模型试验研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010.

［5］JTJ/T234-2001，波浪物理模型试验规程［S］.

［6］杨会利，郑宝友，陈汉宝，等.掩护型小面积港域不同尺度对港内波浪条件的影响［J］.水运工程，2009（8）：68-72.YANG H L，ZHENG B Y，CHEN H B，et al.Influence of different dimensions of sheltered small-area harbor on wave conditions［J］.Port&Waterway Engineering，2009（8）：68-72.

［7］刘针，陈汉宝，张慈珩.小面积掩护型水域波浪物理模型与数学模型对比研究［J］.水道港口，2009（4）：241-245.LIU Z，CHEN H B，ZHANG C H.Comparison study between numerical model and experiment test on wave in limited sheltered waters［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（4）：241-245.