青岛港董家口港区防波堤工程防浪效果研究

栾英妮，刘海源，张华庆

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001;2.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）

青岛港董家口港区防波堤工程地处琅玡湾外海开敞水域，外海波浪可直接传至工程水域，作用于拟建工程建筑物，对港内水域泊稳条件造成影响，防波堤与口门布置成为影响港内波浪条件的关键。本文主要针对不同的防波堤堤头结构型式、轴线走向以及口门宽度布置情况，对港区波高分布情况进行试验研究。通过对试验结果的对比，分析了不同防波堤布置形式下的防浪效果，得到防浪效果较好的防波堤布置形式，为工程的平面布置设计提供科学依据。

本工程防波堤堤身结构型式为斜坡堤结构，堤头结构型式有直立式和斜坡式2种。码头结构型式采用实体直立结构。工程平面布置见图1。

1 试验波浪

工程区SE向为强浪向和常浪向［1］，是港内北二突堤散货码头区起控制作用的浪向，SSE向和S向正对口门，对港内的影响也较大，故试验考虑S、SE和SSE 3个方向。

（1）试验水位（当地理论基准面起）：极端高水位+5.91 m；设计高水位+4.71 m；设计低水位+0.67 m。

（2）波浪要素［1］：工程区-17 m等深线各水位下重现期50 a，2 a的波浪要素见表1。

2 试验方案

根据《海港总平面设计规范》（JTJ211-99），防波堤和口门的布置应满足港内有足够的水域、良好的掩护条件、适应远期船型发展等条件。因此防波堤的布置除应对影响港内泊稳条件最多、最强或起到控制作用的波浪达到掩护作用外，还应防止由于防波堤堤体轴线方向或结构型式引起的反射波和顺堤波对船用水域（航道、泊地等）产生有害影响［2］。

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 directions）

工程平面布置的设计方案见图1，防波堤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。在此基础上，按照3种类型防波堤布置形式进行了6个对比方案的试验研究［3］。其布置形式包括3种类型：类型一为在设计方案基础上改变堤头结构型式；类型二为在设计方案基础上改变防波堤的长度；类型三为改变防波堤的走向。各方案的具体布置情况见表2。

表2 优化方案Tab.2 Optimization schemes

3 模型设计

试验遵循交通部《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）进行，模型按重力相似准则设计，采用定床、正态。比尺按下式确定

式中：λl为模型长度比尺；lp为原型长度；lm为模型长度；λT为波周期比尺。

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。模型实际占地规模81 m×42 m（长×宽），包括东、西防波堤、北一至北五突堤及所在的各散货和集装箱码头、整个北港池和主航道等水域。模型中导流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模拟。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［4］。依据《海港水文规范》（JTJ213-98），在规范谱中用参数H*和P来决定其适用条件。其中H*决定采用深水谱公式还是有限水深公式；P值决定每个公式的适用范围。根据试验水位和波浪要素对规范谱参数进行计算，满足规范谱要求。

4 方案比选及防浪效果分析

4.1 防波堤布置类型一防浪效果分析

防波堤堤头结构型式对口门、航道及港内波浪条件的影响主要表现在结构型式的不同对波浪的反射和绕射产生的影响。对比设计高水位重现期50 a和2 a波浪作用下的试验结果可知，防波堤直立式堤头结构的掩护效果优于斜坡式，这是因为在底宽相同时，斜坡堤口门过水面积增大，进入港内能量增加，港内波高增大，掩护效果不如直立式堤头结构。在S向波浪作用时，由于来浪方向与防波堤轴线走向不垂直，波浪入向与直立式堤头迎浪面成一定角度，对波浪的反射作用较明显，反射波浪对口门和航道处波浪产生不利影响，波高要比斜坡式堤头大。但在SE向波浪作用时，来浪方向与防波堤轴线走向几乎垂直，朝向口门的直立式堤头一面为顺浪，波浪反射不明显，对口门处波高的影响不及斜坡结构产生的绕射浪。由于SE为工程区的影响浪向，考虑到对港内的掩护效果，认为直立式堤头结构要比斜坡式堤头结构合理。波高数据见表3和表4。

表3 S，SE向设计高水位2 a重现期波浪比波高情况Tab.3 Relative wave height in condition of 2 years return period,designing high water level and S,SE wave directions

表4 S，SE向设计高水位50 a重现期波高情况Tab.4 Wave height in condition of 50 years return period,designing high water level and S,SE wave directions m

4.2 防波堤布置类型二防浪效果分析

类型二中的对比方案二和对比方案四，堤头缩短后口门宽度增大，从口门进入港区的波能增加，港内波高与设计方案防波堤布置相比增大。相反，对比方案三中的东、西防波堤堤头加长，口门宽度减小，进入港区的波能减少，防波堤对港内掩护效果增强，港内波高与初步方案中防波堤布置情况相比减小。比波高情况见表5。

4.3 防波堤布置类型三防浪效果分析

类型三中对比方案五，东堤向南旋转后，港内掩护区域与对比方案四相比进一步减少，港内波高比方案四稍有增大，与设计方案相比，平均增大约7%。对比方案六，西堤向南旋转，虽港内受西堤掩护区域稍有减小，但北一突堤、北二突堤和西防波堤之间港内水域面积稍有增加，使得在该水域之间波浪的反射有所减小，港内波高与设计初步方案相比基本相当。比波高情况见表5。

综合以上3种防波堤布置形式对港内掩护效果的分析，认为设计方案中的直立式堤头型式是合理的。从波浪角度分析，对比方案三和设计方案的防浪效果要优于其他对比方案，但防波堤的布置不仅要考虑波浪要素还应考虑潮流及工程造价等因素。从潮流模型试验结果分析［5］，对比方案三减小口门宽度，导致口门处流速增大，且从工程量来看，设计方案优于对比方案三。综合分析波浪潮流及工程造价等因素后，推荐设计方案为最优方案。

表5 各方案SSE向设计高水位2 a重现期波浪比波高情况Tab.5 Relative wave height in condition of 2 years return period，designing high water level and SSE wave direction

5 结论

（1）本工程防波堤属于双堤环抱的掩护形式，在港内布置相同时，港内掩护效果主要取决于从口门进入港内波浪能量的大小，口门越宽，进去的波浪能量越多，掩护效果就越差，文中数据证实了这一点。

（2）比较3种类型防波堤布置形式可知，类型二中的对比方案三增加防波堤长度，减少了从口门进入港内波浪的能量，对港内掩护作用增强，防浪效果优于其他布置形式。但从潮流角度考虑，由于对比方案三口门宽度的减小，口门处流速大于设计方案，从工程量来看，设计方案优于对比方案三。因此综合考虑潮流、波浪试验结果及工程造价等因素后，推荐设计方案为最优方案。

［1］刘海源.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：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［2］洪承礼.港口规划与布置［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［3］杨会利，刘海源，郑宝友.青岛造船基地防波堤工程防浪效果研究［J］.水道港口，2008（1）：36-38.YANG H L，LIU H Y，ZHENG B Y.Research on prevention effects of breakwater in Qingdao shipbuilding base［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（1）：36-38.

［4］王秉哲，张吉.港口波浪模型的设计与试验（二）［J］.水道港口，1984（5）：38-47.

［5］丁广佳.青岛港董家口港区防波堤工程潮流物理模型试验报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.