大型港区港内波浪条件分析研究

白 静 ，王朝辉 ，刘海源，刘 针

（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.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

随着我国港口建设的大型化，许多港口规划设计的防波堤口门至港区末端泊位的距离在1 km以上。在对港区泊稳条件进行分析时，除了考虑从口门处传入港区的外海波浪以及防波堤产生的绕射浪以外，还应考虑防波堤越浪产生的堤后次生波以及港内小风区成浪的影响［1］。将这些影响因素的波高进行叠加，得到港内码头各泊位的波浪条件，对码头的安全设计有重要意义。

本文以某港口为例［2］，通过波浪整体物理模型试验，研究考虑防波堤越浪、从口门传入的外海波浪及防波堤绕射产生的波浪，得到港内码头各泊位处的波高，再通过局部风成浪计算，得到各泊位前风成浪波高，然后将物理模型试验结果和风成浪计算结果合成，得到各泊位处的波浪条件，并依此对港内波浪条件进行分析。

1 工程概况

本工程防波堤属于双堤环抱的掩护形式，分为东防波堤和西防波堤，东防波堤总长约5 200 m，西防波堤总长约1 720 m，口门宽度580 m，堤头为直立式结构，堤身为斜坡式结构。港内码头均为直立实体结构，包含散货码头、通用杂货码头及集装箱码头。口门距离港区北端的顺岸码头-1约4 300 m，距离散货码头二区约 1 400 m（图 1）。

图1 工程平面布置图Fig.1 Layout of project

2 物理模型试验简介

波浪整体物理模型试验遵循交通部《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001），模型采用定床、正态，按重力相似准则设计。模型长度比尺为100。根据比尺关系公式确定水深和波高比尺均为100，周期比尺为10。模型实际占地长81 m，宽42 m，包括东、西防波堤、港内各散货码头和集装箱码头、整个港池和主航道等水域。模型中防波堤及各码头结构采用混凝土块模拟，防波堤护面块体按照其坡度铺设相应重量石块［3］，同时使其反射率相似。地形采用桩点法复制，高程用水准仪控制。试验设备主要包括不规则摇板式造波机和TK2008型动态波高测量系统。试验水位包括极端高水位+5.91 m，设计高水位+4.71 m，设计低水位+0.67 m。试验波向根据工程实际情况选取SE、SSE和S 3个方向。试验入射波浪条件采用工程区-17 m等深线位置，重现期50 a和2 a的波浪要素（表 1）。

表1 -17 m等深线SE、SSE及S向试验波要素Tab.1 Wave parameters of-17 m isobath of model test（SE，SSE and S direction）

3 局部风成浪

工程区不同方向、重现期风速见表2。

局部风成浪的计算中，风区长度考虑建筑物和陆域的影响，取合适的步长，使得每步的水深变化小于0.2 m，分步计算风浪的成长变化［4］。风浪波高计算采用下式

表2 工程区SE、SSE及S向设计风速Tab.2 Wind speed in the project area（SE，SSE and S direction）m/s

式中：g为重力加速度，m/s2；H为有效波波高，m；F为风区长度，m；T为有效波周期，s；d为水深，m。

等效风距计算采用下式

式中相关参数意义见文献［4］。

4 波高合成方法

通过整体物理模型试验，考虑外海直接传入波浪、防波堤绕射浪和越浪产生的次生波以及码头反射等因素得到的码头前沿波高为H1，小风区风成浪的波高为H2。分析波浪条件得到的码头前沿最终波高

目前国内对合成后波高的周期尚无统一规定，日本规范中按下式进行计算

式中：T1/3为合成波浪有效周期，s；（H1/3）Ⅰ为局部风成浪有效波高，m；（T1/3）Ⅰ为局部风成浪有效周期，s；（T1/3）Ⅱ为外海波浪有效波高，m；（T1/3）Ⅱ为外海波浪有效周期，s。

但在本次试验中，合成后的波周期小于外海波浪周期，从码头波浪条件安全角度出发，应该取外海波浪周期、局部风成浪周期和合成周期三者中的大值作为设计参数。

图2 设计高水位SE向重现期50 a风成浪H13%分布Fig.2 Distribution of wind-generated wave H13%by 50 a wind speed（SE direction）under design high water level

5 试验结果对比分析

5.1 港内码头设计波浪要素

防波堤建成后，考虑港池的开挖而港内码头未建的情况确定港内码头设计波浪要素。此时通过波浪物理模型试验测定包含口门传入的外海波浪、防波堤产生的绕射浪以及越浪产生的堤后次生波影响的拟建码头处波高；通过小风区风成浪计算各拟建码头前沿风成浪波高；将两者的波高合成，得到拟建码头的设计波高。SE向设计高水位重现期50 a小风区风成浪港内波高分布见图2，设计高水位重现期50 a、SE向波浪作用各码头区域码头前沿平均H13%波高结果见表3。

对波浪整理物理模型试验得到的波高和小风区风成浪与物理模型合成的波高结果进行对比，结果表明，当考虑小风区风成浪后，码头区波高均大于物理模型试验结果，风区长度越大，风成浪的影响越大，波高增大越多，本工程中港内码头区波高增大可达1倍以上。这对于码头结构安全的影响是十分重要的，因此对于大型港区，如果口门与码头之间水域距离在1 km以上，港内码头的结构设计必须考虑风成浪的影响，考虑外海传入港区的波浪以及防波堤绕射产生的波浪和越浪产生的次生波，并与风成浪波高进行合成，得到拟建码头区的波浪条件，依此考虑码头的结构设计，对于码头的结构安全有着十分重要的意义。

表3 各拟建码头前沿设计高水位SE向重现期50 a不同条件下H13%Tab.3 H13%wave height of 50 years return period（SE direction）in the front of wharfs under design high water level m

5.2 港内码头波浪条件分析

港内码头波浪条件的分析是在防波堤、码头建成后进行。对本工程而言，波浪整体物理模型试验中SE向波浪作用时，外海波浪通过口门直接传至散货码头二区-1，码头对波浪的反射较明显，西防波堤、散货码头一区及散货码头二区-1所围水域比波高在0.60～0.70。SSE向波浪作用，散货码头三区的反射较明显，反射波传播至集装箱码头三区、五区，同时受到再一次反射，使得该区域波高较大，比波高在0.60～0.75。同时由于SE、SSE向外海波浪较大，极端高水位、设计高水位重现期50 a波浪作用，防波堤存在越浪，对港内波浪条件产生影响。S向从口门传入港区的波浪在北三突堤散货码头三区、通用散货码头四区及北四突堤集装箱码头二区、三区直立码头对波浪的反射较明显，波浪在该区域之间来回反射，与入射波叠加，形成菱形波，使得该区域波高增大，比波高在0.60～0.80。将考虑港内建筑物相互影响的码头前沿波高与考虑码头反射影响小风区风成浪的物模计算结果合成，对码头泊位处的波浪条件进行分析。设计高水位重现期2 a、SSE向波浪作用的各码头区域波高见表4。

从试验结果来看，在物理模型试验中，由于波浪的沿程衰减，距离口门较远的港区末端码头泊位（顺岸码头）处的波高较小，但考虑风成浪后，由于风距长，风成浪的波高就大，将外海传入波浪与风成浪叠加后，其波高增大较多。这对于考虑泊位处船舶的停泊以及泊稳作业条件［5］都会产生一定的影响，从安全角度出发，在设计中应考虑这种影响［6］。

表4 各码头前沿设计高水位SSE向重现期2 a不同条件下H4%Tab.4 H4%wave height of 2 years return period（SSE direction）in the front of wharfs under design high water level m

6 结语

本文以某大型港区工程为例，对港内波浪条件进行了分析研究。结果表明，对于大型港区，当口门与码头之间水域距离在1 km以上时，港内码头处的波浪条件不但需要考虑外海传入港区的波浪、防波堤绕射浪以及越浪产生的次生波影响，还需要考虑港内风成浪的影响，这对港内码头结构设计安全以及船舶的停泊、泊稳作业安全都有重要意义。需要指出的是，由于整体物理模型比尺较大，本研究中防波堤越浪产生的堤后次生波影响存在一定误差，越浪影响港内波浪条件较大时，越浪产生的堤后次生波影响可以通过小比尺整体模型或者断面模型进行分析研究。

［1］ JTJ223-98，海港水文规范［S］.

［2］刘海源，刘针，陈汉宝.青岛港董家口港区防波堤工程波浪整体模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2009.

［3］王秉哲.港口波浪模型的设计与试验（三）［J］.水道港口，1984（3）：33-41.WANG B Z.Design and Test of Wave Physical Model for Harbor Engineering（No.3）［J］.Journal of Waterway and Harbor，1984（3）：33-41.

［4］邱大洪.工程水文学［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］JTJ211-99，海港总平面设计规范［S］.

［6］Burcharth H.On scale effects related to run-up and overtopping for rubble mound structures［M］.Aalborg：Denmark，2004.