长周期波作用下防波堤透浪对港内系泊稳定影响分析

张 志，孔友南，程培军

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

抛石斜坡堤由于其结构简单可靠，施工方便，对地基条件的适应性好等优点，是港口工程中防波堤的最常见的结构型式之一。抛石斜坡堤由孔隙率相对较大的堤心石及护面结构组成，当波浪遇到斜坡堤后，波能通过孔隙传递，当波周期较长，波能较大，大孔隙率堤心对波能的阻尼作用相对较小时，堤后会透射部分波能，进而在堤后产生透射波浪。透射波浪将会影响堤后水域的泊稳条件，影响泊位可作业天数，严重时甚至会导致在港系泊船舶断缆事故，防波堤透射波浪对港内系泊稳定的影响是抛石堤环抱式港区设计中必须考虑的关键问题之一。

随着境外水运市场的拓展，西非地区港口工程建设项目中长周期波浪环境条件较常见，在设计中须特别重视长周期波浪对平面布置及结构选型的影响。本文针对西非某境外工程，在充分分析工程区自然条件的基础上，分析透射波浪对港内系泊稳定条件的影响，对平面布置的合理性进行验证。

1 工程概况

新建港区地处西非地区，毗邻大西洋，近期拟建设2个5万t级多用途泊位和1个5万t级散货泊位，近期均考虑为散货出运泊位，设计代表船型如下(表1)。防波堤采用半环抱式布置(图1)，防波堤总长3 250 m，采用抛石斜坡堤结构。泊位总长970 m，多用途1#、2#泊位码头轴线130°～310°，散货泊位与多用途泊位垂直布置，均采用沉箱岸壁式结构，码头面高程5.30 m(当地海图基面，下同)，港池底标高-14.00 m。

图1 港区平面布置图Fig.1 Plan layout of port

船舶类型船舶吨级(DWT)设计船型尺度(m)总长型宽型深满载吃水压载吃水备注散货船5000022332.317.912.86.9设计代表船型

2 系泊条件

影响船舶系泊稳定性的条件主要包括风、浪、流、水位、系泊船型尺度、系泊布置方式、缆绳材质及规格等。

图2 实测波要素散点分布Fig.2 Scatter data distribution of practical wave elements

根据工程区潮流观测资料分析，港区潮汐类型属于正规半日潮，潮差较小，设计高水位1.89 m，设计低水位0.40 m。受防波堤建设的影响，泊位区流速整体较小，均小于0.1 m/s。根据工程区测风资料分析，港区常风向为S、SSW、SE、E向，风速较小，年平均风速2.0 m/s，年最大风速12.3 m/s。

2013年8月～2014年7月对工程海域波浪进行了连续观测，工程区常浪向为SSW、SW向，频率为91.2%。实测波要素统计(3 h间隔)散点分布见图2，实测波高与波周期联合概率分布见表2，根据统计结果，实测有效波高HS主要集中在0.6～1.6 m，平均波周期Tm主要集中在5～10 s，平均波周期Tm≥8 s频率53.2%，HS=1.6 m,Tm=10 s的保证频率约90%，即实测有效波高小于1.6 m，且平均波周期小于10 s的频率占90%。

表2 实测波高波周期联合概率分布Tab.2 Joint probability distribution of practical wave height & period

通常船舶配置缆绳有钢缆或尼龙缆，一般来说相同环境条件下钢缆由于刚度较大，船舶位移量小，缆绳受力较大，而尼龙缆由于具有一定的弹性，缆绳受力相对更均，缆绳受力相对要小，而位移量相对较大。本工程为散货出运泊位，对船舶运动量的要求相对较低，船舶运动量非本工程系泊稳定的控制性因素，在缆绳破断力相同的条件下，钢质缆绳受力更大，其系泊稳定的控制性条件更严格，故选择钢缆对本工程系泊稳定性进行分析。结合常见5万t级散货船实船资料，系泊缆绳共12根，缆绳直径32 mm，缆绳破断力MBL=720 kN，尾缆为尼龙缆，直径72 mm，长度11 m，缆绳破断力MBL=1 020 kN。结合均匀、对称的系泊缆绳布置原则，系泊布置平面及缆绳编号见图3。

图3 系泊布置平面图Fig.3 Mooring layout plan

3 敏感性分析

系泊稳定标准主要包括缆绳受力和船舶运动量，舶舶运动量包括纵移、横移、升沉、回转、纵摇、横摇6个自由度。根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)，最大缆绳受力F不应超过缆绳破断力的55%，即F/MBL≤55%。根据《海港总体设计规范》(JTS165-2013)，对于散货装船作业，船舶运动量纵移应小于5 m，横移小于2.5 m，回转小于3°。

系泊计算采用国内外广泛采用的OPTIMOOR船舶系泊数值分析软件。为确定影响系泊稳定的控制性外界因素，选取某一典型工况进行系泊稳定敏感性分析，分析时风速、流速取最大值，波浪取规范允许最大作业波高，根据《海港总体设计规范》(JTS165-2013)，对于5万t级散货船，装船作业允许最大作业波高H4%=1.2 m(对应有效波高Hs≈1.0 m)，允许平均波周期Tm=8 s。

表3 风、浪、流对系泊稳定影响工况表Tab.3 Conditions of wind, wave and current′s influence on the mooring stability

表4 水位、压载度对系泊稳定影响工况表Tab.4 Conditions of water level and draft′s influence on the mooring stability

图4 缆绳受力对比 图5 缆绳受力对比Fig.4 Comparison of mooring line force Fig.5 Comparison of mooring line force

为确定风、浪、流对系泊稳定的影响程度，设置对比工况1、2(表3)，工况1仅考虑波浪作用，工况2考虑风、浪、流同时作用。根据工况1、2计算结果(图4，表5)，计算各缆绳受力及船舶运动量相差甚微，表明工程区风、流较小，其对系泊稳定的影响不大，本工程系泊稳定主要受波浪影响。

表5 船舶运动量计算结果Tab.5 Calculation result of vessel movement

计算水位及船舶装载度也很大程度影响船舶系泊稳定计算结果，为确定系泊稳定最不利的水位及装载度组合，设置对比工况3～6(表4)。根据工况3～6计算结果(图5，表5)，在设计高水位及压载工况下，各缆绳受力最大，而船舶运动量结果均远小于允许值。

综上分析，本工程系泊稳定的控制性外界因素为波浪，设计高水位及压载工况组合下船舶的系泊稳定最为不利，缆绳受力为系泊稳定的控制性标准。

4 系泊稳定性分析

以上分析针对规范允许作业波要素，计算结果表明规范允许波要素作用下，5万t级散货船系泊稳定满足要求。但本工程区受长周期波影响，波周期大于8 s的频率达53.2%，且防波堤透射波浪还将在一定程度上影响系泊稳定，需重点研究长周期绕射波浪与防波堤透射波浪叠加作用下的系泊稳定性。

(1)透射波要素。

堤后透射波要素是工程界一直关注的问题，国内外众多学者对堤后透射波要素的大小进行了大量的研究工作，提出了各家经验计算公式，其中王登婷等人结合物理模型试验，提出堤后透射波高公式[1]

式中：Kt为透射波高传递系数，Kt=Ht/H，Ht为透射波高，H为入射波高，g为重力加速度，T为入射波周期，B为静水面堤身宽度，D为堤心石粒径，可取D50。

针对本工程的具体情况，为验证透射波浪计算公式的适用性，采用物理模型试验进行验证。采用1：60整体物理模型(图6)，将防波堤口门用不透水结构完全封堵住，在港内布置波高仪(测点1～4)，用以测量外海波浪作用下港内透射波高。

图6 防波堤透浪性物理模型试验布置图Fig.6Layoutofphysicalmodelfortransmittedwave图7 防波堤断面图Fig.7Sectionofbreakwater

表6 防波堤透浪试验值与计算值比较Tab.6 The transmitted wave result comparison of physical model and calculation

注：波高均为有效波高。

由表6可见透射波高试验值与计算值吻合较好，可采用上述公式进行本工程堤后透射波高的计算。防波堤至泊位距离约为1 km，考虑到底摩阻等因素的影响，波浪在传递过程中波高应有所衰减。为确定其衰减幅度，在物模试验中布置波高仪(测点17、30)，结果如下：当入射波高4.76 m时，堤后透射波高平均值0.37 m，测点17波高值为0.36 m，测点30波高值为0.34 m；入射波高4.57 m时，堤后透射波高平均值0.39 m，测点17波高值为0.37 m，测点30波高值为0.35 m。试验结果表明，堤后透射波浪在传播过程中的衰减较小，对于本工程来说，可偏安全的近似认为堤后透射波高即为泊位处透射波高。

周期为波浪自身特性，透浪波波周期应与入射波浪一致。对于不规则波来说，波周期为波列统计值，入射波波列中仅波周期相对较大的波浪能传递至堤后形成透射波浪，故透射波浪波周期应有所增大。葛晓丹、柳淑学等人利用物理模型试验，统计分析了不规则波透射波浪波周期的变化，提出波周期变化系数Kt=Ti/T0在1.0～1.5的范围内[2-5]，在本工程系泊稳定分析中，偏不利按Kt=1.5考虑。

(2)透射波浪对系泊稳定影响。

选择具有代表性的外海波要素，分别计算考虑透射波浪和不考虑透射波浪工况下的系泊缆绳受力及船舶运动量的差异，以分析透射波浪对系泊稳定的影响程度。选择90%保证率的外海波要素Hs=1.6 m，Tm=10 s进行分析，波向按SW向考虑。由于本工程多用途1#泊位的掩护效果最差，选择1#泊位进行系泊稳定性分析。

影响泊稳的波浪由两部分组成，其一为绕射波浪H1=KdH，其中H为外海波高，Kd为绕射系数，经计算绕射波浪波要素H1=0.65 m，Tm1=10 s；其二为透射波浪H2=KtH，Kt透射波高传递，计算方法如前述，经计算透射波要素H2=0.15 m，Tm2=15 s。

考虑透射波浪时港内实际波浪应为绕射波浪与透射波浪的矢量叠加。在利用数值分析软件进行系泊稳定计算时，考虑绕射波浪与透射波浪为独立的不规则波波列，其波列特征值分别为(H1、Tm1)，(H2、Tm2)，分别计算其波浪作用效应，最后进行效应叠加。

对比考虑透射波浪和不考虑透射情况下，在港系泊船舶的运动量及各缆绳受力计算结果(表7、图8)，结果表明，透射波浪作用下，船舶运动量增大，但总体来说运动量较小，船舶运动量仍非本工程系泊稳定的控制性因素。考虑透射波浪时各缆绳受力明显增加，部分缆绳受力超过允许值，透射波浪将在一定程度上影响在港船舶系泊稳定性，势必减少泊位可作业天数。

表7 透射波浪对船舶运动量影响Tab.7 Influence of transmitted wave on vessel movement

图8 透射波浪对缆绳受力影响Fig.8Influenceoftransmittedwaveonmooringline图9 透射波浪对可作业天数影响Fig.9Influenceoftransmittedwaveonthenumberofworkabledays

表8 多用途1#泊位推算波高波周期联合概率分布Tab.8 Joint probability distribution of calculation wave height and period at 1# multi-purpose berth

(3)透射波浪对作业天数影响。

上述分析仅针对某一特定外海波要素，不能反映透射波浪对泊位可作业天数的影响程度，而泊位可作业天数是工程设计中最为关注的问题之一。针对于此，根据波浪绕射理论，按外海实测波要素推算1#泊位处对应波要素分布(图9)，并分级统计其波高波周期的联合概率分布(表8)。试算每一波周期Tm系泊稳定的最大允许波高H1，将各点连接以确定系泊稳定界限波要素。当考虑透射波浪情况下，对每一组试算波要素(H1、Tm)在计算中需另叠加考虑波浪(KtH1/Kd、1.5Tm)作用，试算结果见图9。

计算结果表明，可见当波周期Tm增大时，系泊稳定的允许波高明显减小，当波周期Tm大于15 s时，系泊稳定允许有效波高仅0.3 m。当考虑透射波浪时，系泊允许波高值减小，结合界限波要素及波高波周期联合概率分布，经计算当不考虑透射波浪时，本工程1#泊位系泊稳定受波浪影响的频率为7.5%，当考虑透射波浪时其受波浪影响的频率增加至11.5%，透射波浪将在一定程度上减少泊位可作业天数，但总体来说本工程系泊稳定受波浪影响的天数较少，尚在可接受的范围内，本工程平面布置合理。

5 结论

(1)抛石斜坡堤孔隙率较大，在长周期波浪作用下有透浪特性，设计中应特别注意透射波浪对系泊稳定的影响，对平面布置的合理性进行验证。

(2)长周期波浪具有较大的能量，在特定的水位及压载度组合下，即使极小的波高作用亦可能导致系泊不稳定，在港口工程设计中，若工程所处海域受长周期波作用，须特别注意长周期波对系泊稳定的影响，系泊稳定允许波高须经充分论证。本工程设计高水位及船舶压载吃水工况组合下，当波周期Tm大于15 s时，系泊稳定允许有效波高仅0.3 m。

(3)当考虑波浪透射时，港内实际波浪应为绕射波浪与防波堤透射波浪叠加，透射波浪将在一定程度上影响港内系泊稳定条件，在设计中须根据其影响程度分析判别平面布置的合理性。本工程泊位系泊稳定性考虑透射波浪影响，其受波浪影响频率由7.5%增加至11.5%，但总体来波浪影响系泊的天数较少，本工程平面布置基本合理，能适应长周期波浪环境特点。

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