劉遠超,陳國平,吳月勇,王鐵凝

(河海大學 港口海岸與近海工程學院 海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098)

海港因為自然深度不夠，在建設過程中常常需要開挖港池和航道以達到使用要求，而地形的開挖導致水深的突然變化，對波浪的折射產(chǎn)生重要影響，并且這種影響隨入射波和開挖尺度的不同而發(fā)生變化。陳哲淮[1]、水燕[2]、林尚飛[3]等通過物理模型試驗研究開挖航道對波浪傳播的影響，分析了影響波浪傳播的各種因素及其影響規(guī)律；柳淑學、俞聿修[4]針對理想港域開挖航道和港池對波浪傳播的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)地形對波浪傳播影響巨大，且與入射波向、航道尺度和波浪沿航道傳播距離有關。龐紅犁[5]、徐俊峰[6]等人采用數(shù)值模型研究了航道對波浪傳播的影響以及各因素對波浪傳播變形的影響規(guī)律。根據(jù)各學者的研究，航道和港池開挖對波浪傳播有著顯著影響，在港口的規(guī)劃中，不能忽視港池航道引起的波浪的重新分布。然而，對于港口施工階段港池開挖后，波浪直接進入港池引起波浪場的重新分布以及對港口施工的影響，沒有進行系統(tǒng)和全面的評估。因此本文將對施工期港池開挖后波浪折射變形對港口施工的影響，以及各種影響因素及其影響規(guī)律開展數(shù)值模擬研究，可為港口的設計和施工提供依據(jù)。

1 模型驗證

1.1 BW模型簡介

MIKE21之BW波浪數(shù)值模擬模型由丹麥水利研究所開發(fā)，該模型基于Madsen和S?rensen[7-8]提出的改進頻散關系和變淺性能的Boussinesq方程，采用交替方向隱格式(ADI)進行時域內(nèi)的求解。經(jīng)過長期發(fā)展，BW模型不僅可以較好地描述近岸水域波浪傳播過程中發(fā)生的折射、繞射、反射和非線性波-波相互作用，而且還可以推廣至研究破碎區(qū)和上爬區(qū)的波浪現(xiàn)象。其控制方程和數(shù)值計算方法可參見文獻[7-8]。

在利用BW模型計算港內(nèi)波浪時，確定近岸結(jié)構(gòu)物的反射是極為關鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響到建筑物附近的波高分布情況。BW模型反射系數(shù)的設定是通過孔隙層來實現(xiàn)的，而孔隙層的孔隙率與建筑物材料、波浪反射、結(jié)構(gòu)物前波浪大小和水深有關。模型建立前對結(jié)構(gòu)物前波浪大小和水深進行初步估計，計算出對應區(qū)域孔隙介質(zhì)的孔隙率進行初步試算，然后將試算結(jié)果與實際情況進行對比，經(jīng)過反復調(diào)試，確定反映實際反射系數(shù)的孔隙率進行正式運算。

表1 試驗波要素Tab.1 Experimental wave parameters

1.2 模型驗證

在對港內(nèi)波浪的反射和繞射情況進行數(shù)值分析研究前，需要對計算模型進行驗證。如上所述，確定近岸結(jié)構(gòu)物的反射是模型建立過程中的重要環(huán)節(jié)，運算前對建筑物前的孔隙率進行反復調(diào)試。本文依據(jù)TEMA港整體物理模型項目的試驗結(jié)果，驗證數(shù)值模型的合理性(圖1)。

TEMA港物理模型試驗在浙江大學海洋學院的40 m×70 m×1.8 m波浪港池中進行，試驗比尺1:80。試驗中頻率譜均為標準JONSWAP譜，譜峰升高因子γ=3.3。試驗采用的波要素如表1所示，其中165°N、175°N指的是海圖方位角，兩波向與正北方向(0°N)的夾角分別為15°、5°。

圖1 TEAM港數(shù)值模型地形等值線分布與邊界示意圖Fig.1 Terrain contour and boundary distribution of port TEMA numerical model

在進行數(shù)學模型驗證時，針對各建筑物邊界反射情況對模型進行試算，將計算結(jié)果與試驗值進行對比，得到圖2所示各邊界孔隙率下模型值與實驗值對比圖。如圖2-a所示，碼頭采用反射較強的直立式沉箱結(jié)構(gòu)，其孔隙率取值從0.9增加至0.99時，碼頭前沿測點1～8號擾動系數(shù)逐漸增加，所以碼頭前沿孔隙率的變化主要對碼頭前沿水域擾動系數(shù)有顯著影響，且取0.99進行模型計算更符合實際情況。如圖2-b所示，斜坡式新港防波堤孔隙率的變化對港內(nèi)各測點的擾動系數(shù)均有明顯影響，孔隙率從0.95減小至0.7時，各測點擾動系數(shù)逐漸減小，且取值為0.7時與試驗值吻合較好。如圖2-c所示，斜坡式老港防波堤孔隙率的變化對港內(nèi)各測點的擾動系數(shù)均有明顯影響，孔隙率從0.4增加至0.8時，各測點擾動系數(shù)逐漸減小。其孔隙率取值0.6時，模型計算值與試驗值吻合較好。綜上，碼頭前沿、碼頭防波堤和老港防波堤孔隙率值分別為0.99，0.7，0.6與試驗值吻合較好，更符合實際情況，故以此進行后續(xù)數(shù)值模型計算。

2-a 碼頭孔隙率的影響 2-b 新港防波堤孔隙率的影響 2-c 老港防波堤孔隙率的影響圖2 邊界孔隙率變化下港內(nèi)擾動系數(shù)與試驗值對比Fig.2 Comparison of numerical wave disturbance coefficient in the harbor with experimental results under different porosity

2 港池開挖對港口施工的影響

基于上述模型驗證過程，對港口施工期波浪條件進行計算，研究施工期港池開挖對港口施工作業(yè)條件的影響，從而對港口施工進行合理規(guī)劃，選取合理的港池開挖時機和范圍。TEMA港港口施工主要分為6個階段，港池開挖擬在第3、4階段進行，此時防波堤堤頭分別推進至1 800 m和2 000 m，后方陸域同時進行回填，其中第3階段平面布置如圖1中虛線所示。本文基于第3階段研究港池開挖對港口施工作業(yè)條件的影響，碼頭前沿開挖深度至-16.9 m，回旋水域開挖至-17.4 m。模型計算中譜峰周期取值7 s、9 s、12 s、15 s、18 s和21 s，入射波平均波向取值155°N、165°N、175°N、185°N和195°N。

2.1 敏感性分析

2.1.1 計算結(jié)果對波高和周期的敏感性分析

為深入了解入射波高和周期對比波高計算結(jié)果的影響，針對主波向(175°N)、不同波高和不同譜峰周期組合下的入射波在平均海平面下(CD+0.9 m)進行了計算，其中入射波高Hm0取值0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m。圖3-a和3-b分別為B3點不同入射波高和不同譜峰周期下的比波高計算結(jié)果。隨著波高的增大，各點均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，并且長周期波浪對入射波高的敏感性略強于短周期波浪。對不同位置的測點進分析，越靠近防波堤內(nèi)側(cè)掩護越好的點，其隨波高增加的幅度越大，最大可達到24%。同時越靠近外側(cè)掩護越差的測點，其對波高的敏感性也越差，隨波高增加的幅度僅為5%左右。所以港內(nèi)不同位置對入射波高的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護程度越好敏感性越強的趨勢。

根據(jù)圖3-b的結(jié)果，隨著波周期的增大，各測點比波高明顯增大。且港內(nèi)不同位置對入射波周期的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護程度越好敏感性越強的趨勢。越靠近防波堤內(nèi)側(cè)掩護越好的點，其隨周期增加的幅度越大，最大可達到54%。同時越靠近外側(cè)掩護越差的測點，其對周期的敏感性也越差，隨周期增加的幅度為16%。綜上，入射波高和譜峰周期均對計算結(jié)果有影響，且計算結(jié)果對周期的敏感性更強。

2.1.2 計算結(jié)果對潮位的敏感性分析

潮位是影響近岸波浪傳播變形的因素之一，工程區(qū)屬弱潮海區(qū)，大潮平均高潮位(MHWS)和大潮平均低潮位(MLWS)分別為CD+1.5 m和CD+0.2 m，平均海平面(MWL)在CD基面上0.9 m。為考察潮位對比波高計算結(jié)果的影響，本節(jié)對主波向(175°N)波高Hm0=1.0 m時、不同譜峰周期的入射波、在不同潮位下進行了計算。圖3-c分別對部分計算點不同潮位和不同譜峰波周期下的比波高計算值進行了比較，結(jié)果顯示：各點比波高計算值隨潮位的降低略微增大，且長周期波浪對潮位的敏感性略強于短周期波浪。當潮位在大潮平均高潮位和大潮平均低潮位之間變化時，不同譜峰周期入射波下比波高計算值的差異最大不超過13%。

3-a 波高影響 3-b 周期影響 3-c 水位影響圖3 B3點計算結(jié)果的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of calculation results at point B3

圖4 港池和回旋水域開挖前后波高對比(開挖后/開挖前)Fig.4 Comparison of wave height after excavation with original terrain in basin and turning waters

2.2 港池開挖對港內(nèi)波浪場的影響

對波高為Hm0=1.0 m、不同周期和不同波向的入射波，分別在港池和回旋區(qū)開挖與不開挖的工況進行了計算，以研究港池開挖對港口施工期波浪條件的影響。

2.2.1 港池開挖前后港內(nèi)波高對比

將開挖后港域波高與開挖前港域波高作比值，得到港池和回旋水域開挖前后波高分布對比圖(見圖4)。波浪進入開挖區(qū)后波高持續(xù)衰減，折減幅度可達到20%，越靠近后方泊位和防波堤，波高折減幅度越大。受港池影響，港池后方泊位施工區(qū)域以及部分防波堤掩護區(qū)域波高也相應減小。同時，在港池迎浪側(cè)和防波堤后側(cè)波浪稍有增大，在回旋水域與港池連接段及其北部、回旋水域東北部產(chǎn)生了明顯波能集中，并且波浪集中區(qū)域與入射波向有關，入射波向從155°N增加至195°N，防波堤內(nèi)側(cè)波高增大區(qū)域由臨時碼頭向南偏移至轉(zhuǎn)彎段，回旋水域北側(cè)波能集中區(qū)域逐漸向東偏移。由于港池開挖使港池內(nèi)水深突然增大，波浪進入港池開挖區(qū)域后由于水深差異發(fā)生明顯折射，大部分波能折射到回旋水域東北側(cè)，或折射到回旋水域與港池連接段并向北推進，使得港池和回旋水域內(nèi)的來波響應減小，并且隨著波浪在開挖區(qū)域的行進，向開挖區(qū)外折射的波浪也越多，從而港池及其后方波高顯著減小。因此，在一定程度上，港池開挖可以改善防波堤內(nèi)側(cè)以及港池后方泊位的施工作業(yè)條件。

2.2.2 影響因素分析

在了解港池開挖前后港內(nèi)波高分布的差異之后，本節(jié)對影響波高分布的因素進行分析，取港池開挖段的沿程波高，將開挖后港內(nèi)波高與開挖前進行對比，得到開挖后與開挖前的比波高對比圖。其中，開挖前波高和開挖后波高分別用H1、H2表示。

(1)開挖深度對港內(nèi)波浪的影響。為研究港池開挖深度對港內(nèi)波浪的影響，分別將港池和回旋水域開挖至不同高程，將計算結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。不同開挖深度下，波浪從港池迎浪側(cè)到后方碼頭前沿均呈現(xiàn)持續(xù)衰減的規(guī)律，并且隨著開挖深度的逐漸增加，港池和回旋水域內(nèi)波高衰減程度也逐漸增大。由于開挖深度越大，港池內(nèi)部水深與外側(cè)差異越大，波浪傳播到港池時所受的折射越明顯，折減幅度也越大。因此，將港池一次開挖至指定深度，對改善港池后方泊位的施工條件更為有利。

(2)開挖寬度對港內(nèi)波浪的影響。將港池和回旋水域進行不同寬度的開挖，研究開挖寬度對港內(nèi)波高的影響規(guī)律，對比結(jié)果如圖6所示。開挖寬度越大，波浪進入港池傳播距離越長，折射到港池外部的波浪也越多，港池對波浪的折射越明顯。因此，隨著開挖寬度的增加，港池和回旋水域均呈現(xiàn)波高折減幅度增大的規(guī)律。

圖5 港池開挖深度對港內(nèi)比波高的影響Fig.5Influenceofexcavationdepthonwaveheightintheharbor圖6 港池開挖寬度對港內(nèi)比波高的影響Fig.6Influenceofexcavationwidthonwaveheightintheharbor圖7 波周期對港內(nèi)比波高的影響Fig.7Influenceofwaveperiodonwaveheightintheharbor

(3)入射波周期對港內(nèi)波浪的影響。如圖7所示，不同入射波周期下港內(nèi)開挖后與開挖前比波高對比圖。結(jié)果顯示，隨著入射波周期的增加，波浪進入港池和回旋水域后的折減幅度也逐漸增加，從而長周期波浪在港池內(nèi)發(fā)生明顯衰減，在碼頭前沿衰減幅度可達到20%。由于相同水深下波浪周期越長，其波速越快，在港池內(nèi)的傳播也越快，因此港池對長周期波的折射效應也越明顯，使得相同位置處波高折減幅度也越大。

8-a 港池 8-b 回旋水域圖8 入射波向角對港內(nèi)比波高的影響Fig.8 Influence of incident wave direction on wave height in the harbor

(4)入射波向角對港內(nèi)波浪的影響。將波浪入射角從155°N逐步旋轉(zhuǎn)至195°，以研究入射波向角對港內(nèi)波浪的影響規(guī)律。根據(jù)圖8對比結(jié)果，隨著入射波向角向港域外偏移，港池內(nèi)波高折減幅度逐漸增加，而回旋水域內(nèi)波高折減幅度先增加然后減小，并且在175°折減幅度最大。當波向角為155°N時，部分進入回旋水域的波浪經(jīng)地形的折射進入到港池，隨著波向角的向西偏移，經(jīng)回旋水域折射進入港池的波浪逐漸較少，因此港池的來波響應稍有降低，從而港池波高折減幅度逐漸增加。而回旋水域波高折減幅度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，這可能與回旋水域的外形不規(guī)則有關，使之對波向175°N的波浪折射作用更強，對195°N折射作用較弱。

3 結(jié)論

本文依據(jù)TEMA港整體物理模型項目的試驗結(jié)果，驗證BW數(shù)值模型的合理性，分析了模型對潮位、波高、周期的敏感性，并基于數(shù)值模型進行港池開挖對港口施工條件影響的數(shù)值分析，對比分析了港池開挖前后，不規(guī)則波作用下港池和回旋水域波高分布的大小關系，以及隨港池開挖深度、寬度、入射波周期和波向角的變化規(guī)律。具體結(jié)論如下：(1)各點比波高的計算值隨入射波高、周期的增大而增大，港內(nèi)不同位置對入射波高和周期的敏感性也不同，總體呈現(xiàn)受掩護程度越好對波高和周期的敏感性越強的趨勢；各點比波高的計算值隨潮位的降低稍有增大，且長周期波浪對潮位的敏感性略強于短周期波浪。(2)波浪進入開挖港池后波高持續(xù)衰減，越靠近泊位折減幅度越大。受港池影響，港池后方泊位施工區(qū)域以及部分防波堤掩護區(qū)域波高也相應較小。從而在一定程度上，港池開挖可以改善防波堤內(nèi)側(cè)以及港池后方泊位的施工作業(yè)條件。(3)港池開挖深度、寬度、入射波周期和波向角均對港池內(nèi)波高的折減幅度有影響，且波高折減幅度與開挖深度、寬度和波周期呈正相關。隨著波向角的向西偏移，港池內(nèi)波高折減幅度逐漸增大。

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