台风作用下浮箱码头波浪数值模拟与受力研究

刘千盛, 吴 楠

(1.山东港通工程管理咨询有限公司,山东 烟台 264000；2.中交一航局第三工程有限公司,辽宁 大连 116083)

0 引 言

201909号台风“利奇马”是2019年西北太平洋生成的最强台风,是2019年登陆我国的最强台风,列新中国成立以来登陆华东地区的第3强台风，先后影响福建、浙江、上海、江苏、安徽、山东、河北、天津、北京、辽宁、吉林、黑龙江等十几个省份。台风“利奇马”于8月10日在浙江省登陆,又于8月11日20时50分许在山东省青岛市黄岛区沿海再次登陆,此后移入渤海海面。

某游艇码头位于烟台芝罘湾港区港池内,为浮箱式码头,受北防波堤掩护。受台风“利奇马”影响,游艇码头浮桥主桥、支桥、连接铁链断裂。

图1 码头平面布置图

1 利奇马台风过程复演

利奇马台风过程复演采用SWAN模型。该模型采用动谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程,模型以动谱密度为未知变量,并考虑由地形及水流引起的浅水和折射效应,风成浪,白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰减,波-波相互作用,适用于深水、过渡水深和浅水情形,目前已被广泛应用于河口、港口工程等的海浪模拟。

在直角坐标系下,SWAN 模型的控制方程为采用波作用密度谱N(σ,θ)来表示的波作用守恒方程。波作用密度谱N(σ,θ)与波能谱密度E(σ,θ)的关系为:

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

波作用密直角方程为:

(2)

Cx、Cy、Cσ采用线性波理论计算:

(3)

(4)

(5)

(6)

计算网格囊括整个渤海湾范围,总共由23 374个节点、12 477个三角网格组成,最大单元尺寸为20 km,最小单元尺寸为10 m,采用局部网格加密。

建立台风全过程风浪模型,计算范围网格包括整个渤海湾,如图2所示,并在烟台芝罘湾位置加密。

图2 计算网格

依据欧洲中长期(ECMWF)发布的风速后报数据资料,建立台风过境期间大范围的空间风场。风场由u、v两个方向的风速矢量叠加,高度为海平面以上10 m。由建立的台风场驱动波浪模型,对工程海域台风及风浪过程进行复演。时间选取2019年8月9日12时至2019年8月14日0时。

利用台风过境时波浪要素实测值对模型数值模拟的结果进行验证分析。结果表明数值模拟得到的波要素与实测值拟合较为良好,趋势一致,模型参数可以用于该研究中外海波浪数值模拟计算。

利用上述计算结果,提取工程位置口门外侧-8 m等深线的波要素。最大波高发生的时间为2019年8月11日17时。

此时海域风速及波高分布图如图3所示。

表1 工程区口门外侧(-8m)波浪要素

图3 2019年8月11日17时风场及有效波高分布图

2 港内波浪要素计算

使用上述模型推算得-8 m等深线波要素作为港池波浪数学模型的计算边界。港池波浪计算采用丹麦DHI开发的MIKE21软件中的BW模块。

Boussinesq波浪数学模型的基本方程为沿水深积分的平面二维方程,其方程为:

St+Px+Qy=0

(7)

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

按实际的结构物形式，考虑防波堤、码头等已有建筑物的反射作用,自然岸线采用部分反射,防波堤及码头均为直立式,采用完全反射。计算水位为台风过境实时水位。泊位计算点H13%波高见表2,E向波高分布图如图4所示。波浪从防波堤南侧口门入射,经港池北侧反射到游艇码头处,在E向波浪作用下,码头泊位前最大波高为1.11 m。在ENE向波浪作用下,码头泊位前最大波高为0.97 m。

表2 码头破坏处测点波浪要素

图4 E向浪入射时H13%分布图

3 浮箱结构受力计算

受台风“利奇马”引起的风浪作用下,太平湾浮箱码头部分结构受到损坏。为计算破坏力大小,采用FLOW 3D软件对浮箱受力过程进行模拟,对单个浮箱所受的波浪力及在体坐标系下的绕X轴、Y轴和Z轴的扭矩进行分析。模拟所用波浪条件为上述数值模拟计算结果。

利用上述推算出的波浪数据,输入到FLOW 3D软件进行数值模拟计算,得浮箱在1.11 m有效波高下,主要在垂直方向运动,沿平面方向运动幅度较小,所受水平方向合力最大值为102.79 kN,竖向合力最大值为250.55 kN;浮箱所受最大扭矩74.17 kN·m,绕Z轴方向。

由于本次模拟取单个浮箱作为研究对象,模拟其在波浪作用下的运动状态,但根据浮箱码头的受损情况来看,还是应该进行整体的模拟分析,从而得到比较准确的结果。因此,在后续研究中,还需对浮箱码头在波浪作用下的整体运动情况进行研究,为设计人员后期设计修复加固方案提供较可靠的依据。

4 结 论

(1) 考虑波浪折射、底部损耗、波浪破碎,通过SWAN风浪模型计算2019年“利奇马”台风过境时工程区口门外-8 m等深线的波浪要素,结果表明台风过程中最大H13%E向为2.27 m,ENE向为2.39 m。

(2) 依据口门外设计波要素,采用MIKE21-BW模型,进行了港内水域波浪折射、绕射、及反射联合计算,得出港内计算点波浪要素结果,工程点H13%E向为1.11 m,ENE向为0.97 m。

(3) 根据上述波浪数值模拟结果,采用FLOW 3D软件进行浮箱受力模拟,浮箱最大水平受力为102.79 kN;最大扭矩为74.17 kN·m,方向为绕Z轴方向。