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        大型港區(qū)港內(nèi)波浪條件分析研究

        2010-07-16 08:10:40王朝輝劉海源
        水道港口 2010年5期
        關(guān)鍵詞:越浪風(fēng)區(qū)口門

        白 靜 ,王朝輝 ,劉海源,劉 針

        (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.中交一航局第一工程有限公司,天津300456)

        隨著我國(guó)港口建設(shè)的大型化,許多港口規(guī)劃設(shè)計(jì)的防波堤口門至港區(qū)末端泊位的距離在1 km以上。在對(duì)港區(qū)泊穩(wěn)條件進(jìn)行分析時(shí),除了考慮從口門處傳入港區(qū)的外海波浪以及防波堤產(chǎn)生的繞射浪以外,還應(yīng)考慮防波堤越浪產(chǎn)生的堤后次生波以及港內(nèi)小風(fēng)區(qū)成浪的影響[1]。將這些影響因素的波高進(jìn)行疊加,得到港內(nèi)碼頭各泊位的波浪條件,對(duì)碼頭的安全設(shè)計(jì)有重要意義。

        本文以某港口為例[2],通過波浪整體物理模型試驗(yàn),研究考慮防波堤越浪、從口門傳入的外海波浪及防波堤繞射產(chǎn)生的波浪,得到港內(nèi)碼頭各泊位處的波高,再通過局部風(fēng)成浪計(jì)算,得到各泊位前風(fēng)成浪波高,然后將物理模型試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)成浪計(jì)算結(jié)果合成,得到各泊位處的波浪條件,并依此對(duì)港內(nèi)波浪條件進(jìn)行分析。

        1 工程概況

        本工程防波堤屬于雙堤環(huán)抱的掩護(hù)形式,分為東防波堤和西防波堤,東防波堤總長(zhǎng)約5 200 m,西防波堤總長(zhǎng)約1 720 m,口門寬度580 m,堤頭為直立式結(jié)構(gòu),堤身為斜坡式結(jié)構(gòu)。港內(nèi)碼頭均為直立實(shí)體結(jié)構(gòu),包含散貨碼頭、通用雜貨碼頭及集裝箱碼頭??陂T距離港區(qū)北端的順岸碼頭-1約4 300 m,距離散貨碼頭二區(qū)約 1 400 m(圖 1)。

        圖1 工程平面布置圖Fig.1 Layout of project

        2 物理模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

        波浪整體物理模型試驗(yàn)遵循交通部《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ/T234-2001),模型采用定床、正態(tài),按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。模型長(zhǎng)度比尺為100。根據(jù)比尺關(guān)系公式確定水深和波高比尺均為100,周期比尺為10。模型實(shí)際占地長(zhǎng)81 m,寬42 m,包括東、西防波堤、港內(nèi)各散貨碼頭和集裝箱碼頭、整個(gè)港池和主航道等水域。模型中防波堤及各碼頭結(jié)構(gòu)采用混凝土塊模擬,防波堤護(hù)面塊體按照其坡度鋪設(shè)相應(yīng)重量石塊[3],同時(shí)使其反射率相似。地形采用樁點(diǎn)法復(fù)制,高程用水準(zhǔn)儀控制。試驗(yàn)設(shè)備主要包括不規(guī)則搖板式造波機(jī)和TK2008型動(dòng)態(tài)波高測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)水位包括極端高水位+5.91 m,設(shè)計(jì)高水位+4.71 m,設(shè)計(jì)低水位+0.67 m。試驗(yàn)波向根據(jù)工程實(shí)際情況選取SE、SSE和S 3個(gè)方向。試驗(yàn)入射波浪條件采用工程區(qū)-17 m等深線位置,重現(xiàn)期50 a和2 a的波浪要素(表 1)。

        表1 -17 m等深線SE、SSE及S向試驗(yàn)波要素Tab.1 Wave parameters of-17 m isobath of model test(SE,SSE and S direction)

        3 局部風(fēng)成浪

        工程區(qū)不同方向、重現(xiàn)期風(fēng)速見表2。

        局部風(fēng)成浪的計(jì)算中,風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度考慮建筑物和陸域的影響,取合適的步長(zhǎng),使得每步的水深變化小于0.2 m,分步計(jì)算風(fēng)浪的成長(zhǎng)變化[4]。風(fēng)浪波高計(jì)算采用下式

        表2 工程區(qū)SE、SSE及S向設(shè)計(jì)風(fēng)速Tab.2 Wind speed in the project area(SE,SSE and S direction)m/s

        式中:g為重力加速度,m/s2;H為有效波波高,m;F為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m;T為有效波周期,s;d為水深,m。

        等效風(fēng)距計(jì)算采用下式

        式中相關(guān)參數(shù)意義見文獻(xiàn)[4]。

        4 波高合成方法

        通過整體物理模型試驗(yàn),考慮外海直接傳入波浪、防波堤繞射浪和越浪產(chǎn)生的次生波以及碼頭反射等因素得到的碼頭前沿波高為H1,小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的波高為H2。分析波浪條件得到的碼頭前沿最終波高

        目前國(guó)內(nèi)對(duì)合成后波高的周期尚無統(tǒng)一規(guī)定,日本規(guī)范中按下式進(jìn)行計(jì)算

        式中:T1/3為合成波浪有效周期,s;(H1/3)Ⅰ為局部風(fēng)成浪有效波高,m;(T1/3)Ⅰ為局部風(fēng)成浪有效周期,s;(T1/3)Ⅱ?yàn)橥夂2ɡ擞行Рǜ?,m;(T1/3)Ⅱ?yàn)橥夂2ɡ擞行е芷?,s。

        但在本次試驗(yàn)中,合成后的波周期小于外海波浪周期,從碼頭波浪條件安全角度出發(fā),應(yīng)該取外海波浪周期、局部風(fēng)成浪周期和合成周期三者中的大值作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

        圖2 設(shè)計(jì)高水位SE向重現(xiàn)期50 a風(fēng)成浪H13%分布Fig.2 Distribution of wind-generated wave H13%by 50 a wind speed(SE direction)under design high water level

        5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

        5.1 港內(nèi)碼頭設(shè)計(jì)波浪要素

        防波堤建成后,考慮港池的開挖而港內(nèi)碼頭未建的情況確定港內(nèi)碼頭設(shè)計(jì)波浪要素。此時(shí)通過波浪物理模型試驗(yàn)測(cè)定包含口門傳入的外海波浪、防波堤產(chǎn)生的繞射浪以及越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響的擬建碼頭處波高;通過小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪計(jì)算各擬建碼頭前沿風(fēng)成浪波高;將兩者的波高合成,得到擬建碼頭的設(shè)計(jì)波高。SE向設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪港內(nèi)波高分布見圖2,設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a、SE向波浪作用各碼頭區(qū)域碼頭前沿平均H13%波高結(jié)果見表3。

        對(duì)波浪整理物理模型試驗(yàn)得到的波高和小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪與物理模型合成的波高結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,當(dāng)考慮小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪后,碼頭區(qū)波高均大于物理模型試驗(yàn)結(jié)果,風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度越大,風(fēng)成浪的影響越大,波高增大越多,本工程中港內(nèi)碼頭區(qū)波高增大可達(dá)1倍以上。這對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)安全的影響是十分重要的,因此對(duì)于大型港區(qū),如果口門與碼頭之間水域距離在1 km以上,港內(nèi)碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮風(fēng)成浪的影響,考慮外海傳入港區(qū)的波浪以及防波堤繞射產(chǎn)生的波浪和越浪產(chǎn)生的次生波,并與風(fēng)成浪波高進(jìn)行合成,得到擬建碼頭區(qū)的波浪條件,依此考慮碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于碼頭的結(jié)構(gòu)安全有著十分重要的意義。

        表3 各擬建碼頭前沿設(shè)計(jì)高水位SE向重現(xiàn)期50 a不同條件下H13%Tab.3 H13%wave height of 50 years return period(SE direction)in the front of wharfs under design high water level m

        5.2 港內(nèi)碼頭波浪條件分析

        港內(nèi)碼頭波浪條件的分析是在防波堤、碼頭建成后進(jìn)行。對(duì)本工程而言,波浪整體物理模型試驗(yàn)中SE向波浪作用時(shí),外海波浪通過口門直接傳至散貨碼頭二區(qū)-1,碼頭對(duì)波浪的反射較明顯,西防波堤、散貨碼頭一區(qū)及散貨碼頭二區(qū)-1所圍水域比波高在0.60~0.70。SSE向波浪作用,散貨碼頭三區(qū)的反射較明顯,反射波傳播至集裝箱碼頭三區(qū)、五區(qū),同時(shí)受到再一次反射,使得該區(qū)域波高較大,比波高在0.60~0.75。同時(shí)由于SE、SSE向外海波浪較大,極端高水位、設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期50 a波浪作用,防波堤存在越浪,對(duì)港內(nèi)波浪條件產(chǎn)生影響。S向從口門傳入港區(qū)的波浪在北三突堤散貨碼頭三區(qū)、通用散貨碼頭四區(qū)及北四突堤集裝箱碼頭二區(qū)、三區(qū)直立碼頭對(duì)波浪的反射較明顯,波浪在該區(qū)域之間來回反射,與入射波疊加,形成菱形波,使得該區(qū)域波高增大,比波高在0.60~0.80。將考慮港內(nèi)建筑物相互影響的碼頭前沿波高與考慮碼頭反射影響小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的物模計(jì)算結(jié)果合成,對(duì)碼頭泊位處的波浪條件進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2 a、SSE向波浪作用的各碼頭區(qū)域波高見表4。

        從試驗(yàn)結(jié)果來看,在物理模型試驗(yàn)中,由于波浪的沿程衰減,距離口門較遠(yuǎn)的港區(qū)末端碼頭泊位(順岸碼頭)處的波高較小,但考慮風(fēng)成浪后,由于風(fēng)距長(zhǎng),風(fēng)成浪的波高就大,將外海傳入波浪與風(fēng)成浪疊加后,其波高增大較多。這對(duì)于考慮泊位處船舶的停泊以及泊穩(wěn)作業(yè)條件[5]都會(huì)產(chǎn)生一定的影響,從安全角度出發(fā),在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這種影響[6]。

        表4 各碼頭前沿設(shè)計(jì)高水位SSE向重現(xiàn)期2 a不同條件下H4%Tab.4 H4%wave height of 2 years return period(SSE direction)in the front of wharfs under design high water level m

        6 結(jié)語(yǔ)

        本文以某大型港區(qū)工程為例,對(duì)港內(nèi)波浪條件進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明,對(duì)于大型港區(qū),當(dāng)口門與碼頭之間水域距離在1 km以上時(shí),港內(nèi)碼頭處的波浪條件不但需要考慮外海傳入港區(qū)的波浪、防波堤繞射浪以及越浪產(chǎn)生的次生波影響,還需要考慮港內(nèi)風(fēng)成浪的影響,這對(duì)港內(nèi)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全以及船舶的停泊、泊穩(wěn)作業(yè)安全都有重要意義。需要指出的是,由于整體物理模型比尺較大,本研究中防波堤越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響存在一定誤差,越浪影響港內(nèi)波浪條件較大時(shí),越浪產(chǎn)生的堤后次生波影響可以通過小比尺整體模型或者斷面模型進(jìn)行分析研究。

        [1] JTJ223-98,海港水文規(guī)范[S].

        [2]劉海源,劉針,陳漢寶.青島港董家口港區(qū)防波堤工程波浪整體模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2009.

        [3]王秉哲.港口波浪模型的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)(三)[J].水道港口,1984(3):33-41.WANG B Z.Design and Test of Wave Physical Model for Harbor Engineering(No.3)[J].Journal of Waterway and Harbor,1984(3):33-41.

        [4]邱大洪.工程水文學(xué)[M].北京:人民交通出版社,1999.

        [5]JTJ211-99,海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [6]Burcharth H.On scale effects related to run-up and overtopping for rubble mound structures[M].Aalborg:Denmark,2004.

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