劉 針，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

大連港太平灣港區(qū)波浪物理模型研究

劉 針，欒英妮

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

通過波浪整體物理模型試驗，對大連港太平灣港區(qū)起步工程港內(nèi)波況和碼頭上水情況進(jìn)行測定，并根據(jù)試驗結(jié)果對平面布置進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計方案在W向波浪作用下，迎浪側(cè)波浪直接穿過進(jìn)港航道邊坡進(jìn)入港內(nèi)，波浪在直立碼頭間發(fā)生來回反射，港內(nèi)波高較大。設(shè)計方案在WSW向波浪作用下，迎浪側(cè)航道邊坡對波浪的折射現(xiàn)象較W向明顯，港內(nèi)波浪的多次反射現(xiàn)象與W向時基本一致。優(yōu)化方案一將迎浪側(cè)進(jìn)港航道邊坡開挖，波浪折射到港外，港內(nèi)波高減小。優(yōu)化方案二北側(cè)防波堤延長至874 m，對港內(nèi)的掩護(hù)優(yōu)于優(yōu)化方案一。優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，將東側(cè)碼頭外端1 km碼頭型式改為高樁碼頭，在高水位時樁式結(jié)構(gòu)的反射效果未得到充分發(fā)揮，低水位時反射效果略明顯。

波浪物理模型；波浪反射；波浪折射

Biography：LIU Zhen（1979-）,female,engineer.

大連港太平灣港區(qū)位于長咀子和仙人島岬角之間的太平角附近，地理位置約為121.8°E，39.95°N（圖1）。規(guī)劃港區(qū)依陸地岸線布置，面臨的開敞海域為SW～W～N向，港區(qū)對外海來浪無島嶼等天然地形掩護(hù)，需對影響該港區(qū)建設(shè)的波浪動力條件進(jìn)行研究。起步工程建設(shè)內(nèi)容主要包括防波堤工程、航道工程和碼頭工程。通過開展波浪整體物理模型試驗，對港內(nèi)碼頭上水和泊穩(wěn)情況進(jìn)行研究，并為改善港池內(nèi)各泊位的泊穩(wěn)條件，進(jìn)行平面布置的優(yōu)化試驗。

平面布置由航道、防波堤和碼頭三大部分組成，其中碼頭岸線由斜邊碼頭岸線、西側(cè)碼頭岸線、灣底碼頭岸線和東側(cè)碼頭岸線組成，航道底高程自口門向港內(nèi)分為-21.7 m，-19.0 m和-15.8 m，外航道走向75°54′～255°54′，航道寬度290 m，航道邊坡1：5，口門處自然水深-6.5 m。設(shè)計方案碼頭均采用直立式結(jié)構(gòu)，碼頭面高程+5.0 m，平面布置和波高測點布置見圖2，工程東西走向長度約為5.68 km，南北走向長度約為3.36 km。黑色圓點為測波點位置，1～5為起波點位置。根據(jù)試驗結(jié)果對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案一將進(jìn)港航道北側(cè)的邊坡進(jìn)行開挖；優(yōu)化方案二將北側(cè)防波堤延長至874 m；優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上東側(cè)岸線從南端開始1 km的碼頭結(jié)構(gòu)型式由直立改成高樁。優(yōu)化方案平面布置見圖3。

圖1 工程位置圖Fig.1 Location of project

圖2 工程平面布置和測點布置圖Fig.2 Plan layout of project and location of measuring points

圖3 優(yōu)化方案平面布置圖Fig.3 Plan layout of optimization case

1 試驗的基本參數(shù)

試驗在交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所綜合試驗廳的試驗水池中進(jìn)行［1～3］，試驗水池長83 m，寬43 m，高0.45 m。根據(jù)試驗要求，結(jié)合試驗場地及設(shè)備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為90，即波高比尺為90，周期比尺為9.49，模型實際占地規(guī)模75 m（長）×43 m（寬）。模型防波堤距離造波機(jī)均在6倍波長以上，以消除造波板二次反射對試驗的影響，防波堤堤頭與水池邊界的距離亦超過5倍波長。模型邊界設(shè)置了消波和導(dǎo)波設(shè)施，以消除不利于試驗的波浪反射和擴(kuò)散現(xiàn)象。模型中波浪由港池內(nèi)可移動搖板式不規(guī)則波造波機(jī)產(chǎn)生［4］，分別對WSW向和W向波浪進(jìn)行模擬。由港池?fù)u板式造波機(jī)產(chǎn)生JONSWAP譜不規(guī)則波，模型波高采用TK2008型動態(tài)波高測試系統(tǒng)進(jìn)行測量，該系統(tǒng)采用電容式波高傳感器自動采集并統(tǒng)計波高與周期的結(jié)果。

試驗波要素依據(jù)（《大連港太平灣港區(qū)起步工程波浪數(shù)學(xué)模型研究》，天科院，2011）結(jié)果中提供的物理模型邊界波要素進(jìn)行試驗。按照模型比尺對試驗波要素進(jìn)行了換算，試驗波要素見表1和表2。

模型比尺為90時，WSW和W向部分波高不滿足規(guī)程中“不規(guī)則波有效波高應(yīng)不小于2.0 cm”的要求，凡不滿足《波浪模型試驗規(guī)程》要求的，一律按規(guī)程執(zhí)行，波高值按照比波高進(jìn)行換算。周期值不滿足規(guī)程中“譜峰值周期不小于0.8 s要求”的，對造波機(jī)的造波參數(shù)進(jìn)行了修改，使譜峰值滿足0.8 s的要求，截掉小于0.5 s周期的波浪，對應(yīng)的波能增加到0.5s以上周期的波浪中。

表1 W向試驗波要素（模型值）Tab.1 Test wave condition of W direction

表2 WSW向試驗波要素（模型值）Tab.2 Test wave condition of WSW direction

2 試驗的結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計方案

設(shè)計方案，WSW向浪作用下，波浪傳播方向基本與主航道軸線平行（夾角約為2°），波浪在航道邊坡發(fā)生折射。迎浪側(cè)（航道北側(cè)）入射波浪與航道折射波疊加，部分作用于防波堤，部分波浪沿西側(cè)斜邊岸線進(jìn)入港內(nèi)。東側(cè)碼頭的南端正對來浪方向，入射波在直立式碼頭前發(fā)生反射，反射波傳至西側(cè)碼頭的北側(cè)，與從航道進(jìn)入的入射波疊加，在港內(nèi)與碼頭發(fā)生多次反射在灣底發(fā)生振蕩。由于東側(cè)碼頭的反射，在東側(cè)碼頭和西側(cè)碼頭交口處產(chǎn)生菱形波。W向浪作用下，波浪傳播方向與主航道夾角約為14°，與迎浪側(cè)航道邊坡夾角約為59°，在迎浪側(cè)因折射產(chǎn)生大波區(qū)，防波堤與斜邊碼頭岸線夾角處波能集中，防波堤堤頭處波高較大。經(jīng)主航道折射后的迎浪側(cè)波浪可穿過喇叭口處航道邊坡傳入港內(nèi)。西側(cè)斜邊岸線碼頭前波高較大。港內(nèi)的波動主要由航道及沿西側(cè)斜邊岸線相疊加后的入射浪與東側(cè)碼頭反射后傳入港內(nèi)引起。

2.2 優(yōu)化方案一

針對設(shè)計方案，WSW和W向波浪作用時，西側(cè)斜邊岸線碼頭特別是堤頭處，由于航道邊坡的折射作用波高較大，進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案一，將迎浪側(cè)航道邊坡進(jìn)行開挖，角度由原方案的135°改至164°。WSW波浪作用與設(shè)計方案相比，迎浪側(cè)邊坡對波浪產(chǎn)生明顯折射作用，邊坡處波高增大，波浪折射出港外，進(jìn)入港內(nèi)的波能減小，西側(cè)斜線碼頭處及航道中波高較設(shè)計方案明顯減小，從港內(nèi)波高比較情況可知，總體上，各泊位前波高有所減小。W向波浪作用情況下。航道邊坡走向改變后波能在迎浪側(cè)折射明顯，在航道邊坡處的波能大部分從港內(nèi)折射到港外，小部分波浪沿斜邊岸線碼頭進(jìn)入港內(nèi)。港內(nèi)各測點波高較設(shè)計方案均有所減小。

2.3 優(yōu)化方案二

優(yōu)化目的與優(yōu)化方案一相同，利用增加防波堤長度來減少傳入港內(nèi)的波浪能量，以降低西側(cè)斜邊岸線碼頭處波高。優(yōu)化方案二，防波堤延長至874 m時，在W向浪作用下，擋浪效果明顯，繞過堤頭進(jìn)入的波浪減少，港內(nèi)各測點處波高均有所減小。

2.4 優(yōu)化方案三

設(shè)計方案中東側(cè)碼頭為直立式，入射波在碼頭前發(fā)生反射，該反射波與從航道進(jìn)入的入射波疊加后傳入港內(nèi)，多次反射引起灣底的波浪振蕩。優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上將東側(cè)碼頭岸線的碼頭結(jié)構(gòu)從南端開始1 km由直立結(jié)構(gòu)改成高樁碼頭［5-7］，利用高樁碼頭的反射作用減小碼頭前的反射波高。從試驗結(jié)果看港內(nèi)波高有所減小但是幅度不大。

表3 碼頭前最大波高（重現(xiàn)期50 a為H13%，重現(xiàn)期2 a為H4%）Tab.3 The maximum wave height m

圖4 W極端高水位重現(xiàn)期50 aH13%Fig.4 Wave height of W direction（high water level,return period 50 a）

圖5 W極端高水位重現(xiàn)期25 a上水厚度Fig.5 Wave crest height of WSW direction（high water level,return period 25 a）

各方案碼頭前最大波高見表4，W向浪作用下極端高水位重現(xiàn)期50 a各側(cè)碼頭岸線前的最大波高見圖4，上水高度見圖5，上水高度見表5。

表4 碼頭上水厚度Tab.4 Wave crest height cm

2.5 方案比較

優(yōu)化方案一與優(yōu)化方案二：在西側(cè)斜線碼頭處，優(yōu)化方案二的作用效果明顯好于優(yōu)化方案一，港內(nèi)各碼頭波高，優(yōu)化方案二基本都小于優(yōu)化方案一，但效果不如西側(cè)斜線碼頭處明顯。優(yōu)化方案一與優(yōu)化方案三：碼頭型式修改后，設(shè)計低水位效果比設(shè)計高水位和極端高水位明顯，原因是高水位時，波浪主要作用于高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)，樁式結(jié)構(gòu)的反射效果未能得到充分發(fā)揮。綜合比較推薦優(yōu)化方案一。

3 結(jié)論

通過幾何比尺為90的波浪整體物理模型試驗，對大連港太平灣港區(qū)起步工程港內(nèi)波況和碼頭上水情況進(jìn)行測定，并進(jìn)行了平面布置的優(yōu)化，得到以下結(jié)論與建議：

（1）設(shè)計方案在W向浪作用下，由于迎浪側(cè)波浪穿過航道邊坡經(jīng)防波堤堤頭繞射后進(jìn)入港內(nèi)，導(dǎo)致港內(nèi)波高較大，設(shè)計高水位重現(xiàn)期25 a和10 a波浪作用時，WSW向和W向無上水。極端高水位重現(xiàn)期50 a、25 a和10 a時，兩個方向作用下上水比較嚴(yán)重，整個碼頭岸線幾乎都有上水。

（2）優(yōu)化方案一將迎浪側(cè)航道邊坡開挖后，增強(qiáng)了波浪的折射作用，港內(nèi)波高普遍降低，其中西側(cè)斜邊岸線現(xiàn)象最為明顯。優(yōu)化方案二對港內(nèi)的掩護(hù)優(yōu)于優(yōu)化方案一。優(yōu)化方案三在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，將東側(cè)碼頭外端1 km碼頭結(jié)構(gòu)型式改為高樁碼頭，在高水位時波浪主要作用于碼頭上部結(jié)構(gòu)，樁式結(jié)構(gòu)的反射效果未得到充分發(fā)揮，低水位時反射效果略明顯，其余水位不明顯。綜合比較推薦優(yōu)化方案一。

（3）本港區(qū)范圍較大，風(fēng)區(qū)長度超過1 km，試驗未能考慮局部風(fēng)成浪的影響，其結(jié)果可以作為方案比選的相對依據(jù)，但不能全面真實反映泊穩(wěn)和上水情況。

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Research on wave physical model for Taiping bay of Dalian Port

LIU Zhen,LUAN Ying?ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

The wave conditions in the harbor area and the overtopping of the wharf for preliminary project of Taiping bay were determined through 3D wave physical model test,and the optimal layout was suggested based on the test results.The results show that,in the design scheme under the action of W wave direction,wave gets through the approach channel slope into inner harbor,and it reflects back and forth on front of the wharf,so the wave height is bigger.In the design scheme under the action of WSW wave direction,the refraction is more obvious than W di?rection,but the multiple reflection of waves in the inner harbor is basically the same as W direction.And wave height decreases because of the excavation of channel slope enhance the refraction of waves in optimization scheme one.The optimization case two,in which the north side of the breakwater is extended to 874 m,is better than the op?timization case one.While in the optimization case three based on optimization case one,the wharf type is changed into high?pile wharf at the outer end of the east wharf for 1 km.The wave dissipation effect is slightly obvious under low water,but the wave transmission effect has not been fully developed in high water level.

wave physical model;wave reflection;wave refraction

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0130-05

2013-05-07；

2013-05-29

劉針（1979-），女，河北省衡水人，工程師，主要從事港口航道及海岸工程研究。