不同口门形式在防波堤工程中的应用研究

赵军

（天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456)

防波堤作为沿海港口的重要组成部分，兼具防浪、防沙和防止冰凌入侵的功能。港区防波堤布置的合理与否决定了港内水域的平稳程度，直接影响着港内船舶的停泊、作业和航行状态。针对防波堤的平面布置方案及相应的港内水域状态，国内外许多学者如张俊健[1]、曲红玲[2]、阮程针[3]等都进行了大量的研究，并得出了相关结论为港区防波堤设计提供参考。为研究防波堤口门布置形式对港内水域的掩护状态，本文通过改变防波堤轴线走向提出三种不同的口门布置方案，通过数值模拟对比不同方案港内波高分布状态，从而研究分析三种方案防浪效果，为防波堤口门布置提供科学依据。

1 口门布置方案

口门是防波堤堤头之间船舶出入口。口门既要方便船舶航行，又要尽量减少进港的波能。本文提出了环抱形（图1a）、八字形（图1b）、一字形（图1c）三种口门形式进行研究。

1.1 环抱形口门布置形式

环抱形口门布置如（图1a），A 段长2000m，B 段长685m，C 段长684m，D 段长2361m，口门宽1000m。防波堤结构形式为斜坡式结构。

1.2 八字形口门布置形式

八字形口门布置如（图1b），A 段长2531m，B 段长2886m，口门宽1000m。防波堤结构形式为斜坡式结构。

图1 口门布置形式（单位：m）

1.3 一字形口门布置形式

一字形口门布置如（图1c），A 段长500m，B 段长500m，口门宽1000m。防波堤结构形式为斜坡式结构。

2 数值模型试验研究

2.1 基础资料

数学模型试验考虑波浪从口门正向入射，波浪要素见表1。

表1 防波堤口门处重现期波要素

2.2 波浪数学模型计算方法及方程

港内波浪计算采用Boussinesq 方程模拟外海传入到港内的波浪。

2.2.1 数学模型计算方程

x 方向的动量守恒方程：

y 方向的动量守恒方程：

上述计算式中的相关参数：

上述方程中：P 和Q 分别为x、y 方向的水流速沿水深方向的积分结果；Fx 和Fy 分为x、y 方向主应力；d 为静止水面深度；为行进波的波面计算高度；h 为总计算水深h=d+；B 为修正系数；α、β 分别为层流、紊流相对应得阻力系数；脚标（*t、*x、*y）表示相应物理量（*）所对应的时间、x 方向和y 方向的偏导数。

上述计算式中vt为涡流在水平方向的行进速度，Rxx、Rxy和Ryy表示水体由于速度不均所引起的剩余动量。

2.2.2 数学模型计算方法

本次研究所采用的数值方法是由Abbott 等（1978）人研究并推广到短波计算模拟领域的基于SYSTEM 21结构一种计算方法，Madsen 等（1991）及Madsen &Srensen（1992）随后对这一结构进行了进一步的研究及发展。

本研究采用矩形交替网格进行空间离散的差分方程。此方法中网格结点用于定义水面高程等标量，网格线中点用于定义相应方向的流量分量。中心格式用作除对流项以外的空间导数的有限差分近似值，时间的中心隐式格式用作时间积分，即Boussinesq 方程采用的算法是非迭代交替方向的隐式（ADI）算法分步计算。

2.3 数学模型计算结果

利用BW 波浪数学模型，对各种口门布置形式下港内绕射波浪场进行模拟。环抱形口门布置形式模拟结果显示口门比波高在0.4～0.6；港池比波高在0.05～0.3；八字形口门布置形式模拟结果显示口门比波高在0.6～0.8；港池比波高在0.05～0.4；一字形口门布置形式模拟结果显示口门比波高在0.4～0.8；港池比波高在0.05～0.6。各种口门形式下港内比波高分布见图2。

图2 为各种口门形式下港内比波高分布图

通过BW 数学模型实验，环抱形口门布置形式港池内最大H13%波高为0.55m；八字形口门布置形式港池内最大H13%波高为0.56m；一字形口门布置形式港池内最大H13%波高为1.04m。

3 结论

防波堤的平面布置是决定港区运营安全和成本的重要因素之一。本文通过对比环抱形、八字形、一字形三种口门形式，综合分析不同波高分布，可知环抱形口门布置形式防浪效果最好，八字形次之，一字形最差。