劉海成，王赟江，張 亮，劉欣明

（1.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.中交第一航務工程局第一工程有限公司，天津300456；3.河海大學，南京210024）

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

1 工程概況

煙臺港西側的新港區(qū)一期工程主要包括1個5萬t級泊位及相應配套碼頭設施，遠期將建設3個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設施（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)進行了出運設施工程波浪整體物理模型試驗，對小港池內波浪情況進行試驗研究，給出了改善小港池內波浪條件的優(yōu)化措施。

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

1.1 設計水位

以煙臺港理論最低潮面為基準，極端高水位+3.56 m，設計高水位+2.46 m，設計低水位+0.25 m，極端低水位-0.95 m。

1.2 地形

港區(qū)地形圖由設計單位提供，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)煙臺港提供的芝罘島海洋站測波和測風資料、煙臺西港區(qū)施工現(xiàn)場風浪資料并結合現(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，并伴隨滑道基礎的淘刷和滑道井字梁的破壞。所以本次研究的重點為ENE向浪作用時，小港池內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研究小港池內的波高分布和工作船碼頭前沿的泊穩(wěn)條件模型。模型以重力相似準則設計，結合現(xiàn)場及試驗設備情況，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），風浪頻譜可按下列公式計算［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參數(shù)；d為水深，m。采集到的試驗數(shù)據(jù)由上跨零點法確定各測波點波高值，通過測點波高的入射波高（-15 m水深處）的比值，給出各測點的比波高。

3 試驗現(xiàn)象及分析

試驗現(xiàn)象表明：目前狀況下，當ENE向波浪入射時，外海波浪經過口門進入港池，在港內發(fā)生繞射、折射和反射，并在港內形成震蕩，造成順岸碼頭、LPG泊位處的波高增大。進入到大港池內的波浪分為3個部分，其一經過折射向岸邊傳播；其二直接傳播至LPG泊位、南側順岸碼頭和小港池內；其三經過北防波堤堤頭繞射傳播至防波堤內側。小港池內波浪也由3部分組成，其一為直接入射進來的波浪，這部分波浪很小，港內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??；其二為小港池西側碼頭前沿出現(xiàn)的一列順著碼頭方向傳播進來的波浪；其三為小港池內的波浪二次反射。防波堤順浪、直接入射到小港池內的波浪及二次反射的波浪相互疊加，造成小港池內產生較大波高。大小港池內波浪傳播的過程見圖2。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，小港池內的波高較大，特別是在直角處，出現(xiàn)波能集中，在高水位時往往會有碼頭上水的現(xiàn)象。港內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，當a/L為7～9時，港內波高較大［6-7］。由于本研究中的港域尺度已經確定，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 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

4 治理措施研究

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

為了減小波能集中，改善港內泊穩(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，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)狀條件時小港池內測點比波高結果見表2，從表2中可以看出：現(xiàn)狀時，港內波能集中現(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 不同工況下港內波高Tab.2 Wave height under different conditions m

采用第一種工程措施時，在小港池的直角處和預留沉箱位置同時消波以后，港內8個測點平均波高為2.16 m，相對現(xiàn)狀條件時平均波高減小約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，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，小港池內8個測點的平均波高減小為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的波浪條件；在直角位置和預留沉箱位置進行消波處理，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，所以建議同時采取2種治理措施。

5 結論

通過不同工況下的波浪物理模型試驗及結果分析，可以得到以下主要結論：

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

（3）對比2種治理措施，在小港池口門處增加防波堤，減少進入港內的波能是治理的根本手段，但是考慮到船舶進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，在治理港內波能集中時，應采用減少入射波能和在波能集中處消波的措施。

［1］吳宋仁.海岸動力學［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］俞聿修.隨機波浪及工程應用［M］.大連：大連理工大學出版社，1992.

［3］顧家龍.港口水域的共振問題研究［J］.水運工程，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.煙臺西港區(qū)出運設施波浪物理模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2010.

［5］JTJ/T234-2001，波浪物理模型試驗規(guī)程［S］.

［6］楊會利，鄭寶友，陳漢寶，等.掩護型小面積港域不同尺度對港內波浪條件的影響［J］.水運工程，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.小面積掩護型水域波浪物理模型與數(shù)學模型對比研究［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.