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        港內(nèi)波能集中及治理措施試驗(yàn)研究

        2010-07-16 08:10:38劉海成王赟江劉欣明
        水道港口 2010年5期
        關(guān)鍵詞:波能內(nèi)波港池

        劉海成,王赟江,張 亮,劉欣明

        (1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456;2.中交第一航務(wù)工程局第一工程有限公司,天津300456;3.河海大學(xué),南京210024)

        波浪是沿海港口重要的水動(dòng)力因素和作用力[1],港內(nèi)的波高分布和港內(nèi)平穩(wěn)度是港口規(guī)劃建設(shè)中首要考慮的問題[2]。然而有些港口的平面布置不合理,防波堤建成后,港內(nèi)泊穩(wěn)條件不但沒有得到預(yù)期的改善,局部反而惡化,對港內(nèi)泊穩(wěn)和建筑物的穩(wěn)定造成巨大威脅。這就是港內(nèi)波能集中現(xiàn)象。臺(tái)灣花蓮港、南非開普敦港、挪威努克瓦漁港[3]及煙臺(tái)西港[4]都出現(xiàn)了港內(nèi)波能集中造成泊穩(wěn)條件惡劣和建筑物損毀等事故。本文以煙臺(tái)西港區(qū)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施波浪物理模型試驗(yàn)為依據(jù),研究了港內(nèi)波能集中現(xiàn)象、整治措施及其效果,為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

        1 工程概況

        煙臺(tái)港西側(cè)的新港區(qū)一期工程主要包括1個(gè)5萬t級泊位及相應(yīng)配套碼頭設(shè)施,遠(yuǎn)期將建設(shè)3個(gè)5萬t級通用泊位和防波堤,現(xiàn)已建成LPG泊位和1 500 m長防波堤以及配套的出運(yùn)設(shè)施(工程平面布置圖見圖1)。在1 500 m外防波堤施工過程中,預(yù)制廠滑道施工困難,工作船泊穩(wěn)條件惡劣。泥沙淘刷和波浪力的共同作用,使滑道井字梁多次被破壞。鑒于以上問題,西港區(qū)進(jìn)行了出運(yùn)設(shè)施工程波浪整體物理模型試驗(yàn),對小港池內(nèi)波浪情況進(jìn)行試驗(yàn)研究,給出了改善小港池內(nèi)波浪條件的優(yōu)化措施。

        圖1 工程平面布置圖Fig.1 Plane layout of the project

        1.1 設(shè)計(jì)水位

        以煙臺(tái)港理論最低潮面為基準(zhǔn),極端高水位+3.56 m,設(shè)計(jì)高水位+2.46 m,設(shè)計(jì)低水位+0.25 m,極端低水位-0.95 m。

        1.2 地形

        港區(qū)地形圖由設(shè)計(jì)單位提供,從布置圖可以看出,工程區(qū)域水深條件良好,-11 m等深線距岸邊約600 m。

        1.3 波浪

        根據(jù)煙臺(tái)港提供的芝罘島海洋站測波和測風(fēng)資料、煙臺(tái)西港區(qū)施工現(xiàn)場風(fēng)浪資料并結(jié)合現(xiàn)場附近氣象站的氣象資料,推算出工程海域-15 m處不同水位的波浪要素(表1,以50 a一遇波要素為例)。結(jié)合工程現(xiàn)場情況,1 500 m長的北防波堤建成以后對N向浪掩護(hù)良好,在ENE向浪作用下,工作船泊位處的泊穩(wěn)條件差,并伴隨滑道基礎(chǔ)的淘刷和滑道井字梁的破壞。所以本次研究的重點(diǎn)為ENE向浪作用時(shí),小港池內(nèi)的波浪情況及其治理措施。

        表1 ENE向50 a一遇波要素Tab.1 Wave parameters of 50 years return period in ENE direction

        2 模擬方法

        采用波浪物理模型試驗(yàn)研究小港池內(nèi)的波高分布和工作船碼頭前沿的泊穩(wěn)條件模型。模型以重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),結(jié)合現(xiàn)場及試驗(yàn)設(shè)備情況,確定集合比尺為1∶100(水深、波高和波長比尺為1∶100,波浪周期和速度比尺為1∶10)。在試驗(yàn)過程中,波浪采用不規(guī)則波,對于有限深度水域(0.1<H*≤0.5),風(fēng)浪頻譜可按下列公式計(jì)算[5]。

        式中:HS為有效波高,m;TS為有效周期,s;P為譜尖度因子;H*為波高水深比的一個(gè)參數(shù);d為水深,m。采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由上跨零點(diǎn)法確定各測波點(diǎn)波高值,通過測點(diǎn)波高的入射波高(-15 m水深處)的比值,給出各測點(diǎn)的比波高。

        3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

        試驗(yàn)現(xiàn)象表明:目前狀況下,當(dāng)ENE向波浪入射時(shí),外海波浪經(jīng)過口門進(jìn)入港池,在港內(nèi)發(fā)生繞射、折射和反射,并在港內(nèi)形成震蕩,造成順岸碼頭、LPG泊位處的波高增大。進(jìn)入到大港池內(nèi)的波浪分為3個(gè)部分,其一經(jīng)過折射向岸邊傳播;其二直接傳播至LPG泊位、南側(cè)順岸碼頭和小港池內(nèi);其三經(jīng)過北防波堤堤頭繞射傳播至防波堤內(nèi)側(cè)。小港池內(nèi)波浪也由3部分組成,其一為直接入射進(jìn)來的波浪,這部分波浪很小,港內(nèi)波浪在底摩阻作用下的耗散、在航道作用下的折射等造成波高減小;其二為小港池西側(cè)碼頭前沿出現(xiàn)的一列順著碼頭方向傳播進(jìn)來的波浪;其三為小港池內(nèi)的波浪二次反射。防波堤順浪、直接入射到小港池內(nèi)的波浪及二次反射的波浪相互疊加,造成小港池內(nèi)產(chǎn)生較大波高。大小港池內(nèi)波浪傳播的過程見圖2。

        試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),小港池內(nèi)的波高較大,特別是在直角處,出現(xiàn)波能集中,在高水位時(shí)往往會(huì)有碼頭上水的現(xiàn)象。港內(nèi)波高除了受波浪繞射、折射和反射共同作用外,還受港域尺度的影響。從現(xiàn)有的研究成果看,港內(nèi)波高值與港域相對尺度a/L(a為港域縱深,L為深水波長)有關(guān),當(dāng)a/L為7~9時(shí),港內(nèi)波高較大[6-7]。由于本研究中的港域尺度已經(jīng)確定,治理措施只能從其他方面入手。

        圖2 波浪傳播示意圖Fig.2 Sketch of wave propagation

        圖3 測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

        4 治理措施研究

        從入射到小港池內(nèi)的波浪分析,要改善小港池內(nèi)的波浪條件,可以從2個(gè)方面入手:一方面減少入射到小港池內(nèi)的波能,包括減小直接從外海入射來的波浪和從西側(cè)碼頭前沿反射來的波浪(即西側(cè)順浪);另一方面是要減小港內(nèi)的波浪反射和波能集中,具體措施為在小港池西側(cè)直角處鋪放消浪塊體,將順岸碼頭西護(hù)岸預(yù)留沉箱位置處修改成斜坡結(jié)構(gòu)(小港池內(nèi)測點(diǎn)平面及測點(diǎn)布置見圖3)。

        為了減小波能集中,改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件,對比了2種工程措施:(1)在小港池直角位置和預(yù)留沉箱位置鋪放消波塊體;(2)在小港池入口處即滑道頂端左側(cè),增加1段約20 m的防波堤(小港池口門寬度為220 m)。不同工程措施及現(xiàn)狀條件時(shí)小港池內(nèi)測點(diǎn)比波高結(jié)果見表2,從表2中可以看出:現(xiàn)狀時(shí),港內(nèi)波能集中現(xiàn)象最為明顯,在50 a一遇ENE向波浪作用下,小港池內(nèi)的平均波高為2.44 m,最大波高出現(xiàn)在小港池直角處,極端高水位時(shí)波高為3.24 m,極端低水位波高為2.64 m。

        表2 不同工況下港內(nèi)波高Tab.2 Wave height under different conditions m

        采用第一種工程措施時(shí),在小港池的直角處和預(yù)留沉箱位置同時(shí)消波以后,港內(nèi)8個(gè)測點(diǎn)平均波高為2.16 m,相對現(xiàn)狀條件時(shí)平均波高減小約12%,直角處的消浪塊體對減小直角處的波能集中起到了較好的作用,在極端高水位和極端低水位時(shí),直角處波高分別為2.07 m和1.66 m。

        采用第二種工程措施時(shí),小港池內(nèi)8個(gè)測點(diǎn)的平均波高減小為1.84 m,平均波高減小約25%。從治理效果看,減小入射波浪從根本上改善了小港池內(nèi)的波浪條件;在直角位置和預(yù)留沉箱位置進(jìn)行消波處理,消除了波能局部集中現(xiàn)象。但是考慮到口門處需要保證船舶進(jìn)出港需要的有效寬度,口門處的防波堤長度不能過長,所以建議同時(shí)采取2種治理措施。

        5 結(jié)論

        通過不同工況下的波浪物理模型試驗(yàn)及結(jié)果分析,可以得到以下主要結(jié)論:

        (1)小港池內(nèi)出現(xiàn)波能集中的主要原因在于:波浪的直接入射、西防波堤的反射、小港池內(nèi)直立式岸壁及易于出現(xiàn)波能集中直角區(qū)域。

        (2)要改善小港池內(nèi)的波浪條件,可以從2個(gè)方面入手:一方面減少入射到小港池內(nèi)的波能;另一方面減小港池內(nèi)的波浪反射。

        (3)對比2種治理措施,在小港池口門處增加防波堤,減少進(jìn)入港內(nèi)的波能是治理的根本手段,但是考慮到船舶進(jìn)出港所需的有效寬度,防波堤不能過長,建議2種治理措施同時(shí)使用。

        (4)在平面布置中盡量避免出現(xiàn)周圍為直立式岸壁且有波浪入射的小面積港域;對已建成的港域,在治理港內(nèi)波能集中時(shí),應(yīng)采用減少入射波能和在波能集中處消波的措施。

        [1]吳宋仁.海岸動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.

        [2]俞聿修.隨機(jī)波浪及工程應(yīng)用[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1992.

        [3]顧家龍.港口水域的共振問題研究[J].水運(yùn)工程,1984(12):1-10.GU J L.Study on resonance of port water[J].Port&Waterway Engineering,1984(12):1-10.

        [4]劉海成,陳漢寶.煙臺(tái)西港區(qū)出運(yùn)設(shè)施波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2010.

        [5]JTJ/T234-2001,波浪物理模型試驗(yàn)規(guī)程[S].

        [6]楊會(huì)利,鄭寶友,陳漢寶,等.掩護(hù)型小面積港域不同尺度對港內(nèi)波浪條件的影響[J].水運(yùn)工程,2009(8):68-72.YANG H L,ZHENG B Y,CHEN H B,et al.Influence of different dimensions of sheltered small-area harbor on wave conditions[J].Port&Waterway Engineering,2009(8):68-72.

        [7]劉針,陳漢寶,張慈珩.小面積掩護(hù)型水域波浪物理模型與數(shù)學(xué)模型對比研究[J].水道港口,2009(4):241-245.LIU Z,CHEN H B,ZHANG C H.Comparison study between numerical model and experiment test on wave in limited sheltered waters[J].Journal of Waterway and Harbor,2009(4):241-245.

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