劉千盛, 吳 楠

(1.山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺 264000；2.中交一航局第三工程有限公司,遼寧 大連 116083)

0 引 言

201909號臺風“利奇馬”是2019年西北太平洋生成的最強臺風,是2019年登陸我國的最強臺風,列新中國成立以來登陸華東地區(qū)的第3強臺風，先后影響福建、浙江、上海、江蘇、安徽、山東、河北、天津、北京、遼寧、吉林、黑龍江等十幾個省份。臺風“利奇馬”于8月10日在浙江省登陸,又于8月11日20時50分許在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸,此后移入渤海海面。

某游艇碼頭位于煙臺芝罘灣港區(qū)港池內(nèi),為浮箱式碼頭,受北防波堤掩護。受臺風“利奇馬”影響,游艇碼頭浮橋主橋、支橋、連接鐵鏈斷裂。

圖1 碼頭平面布置圖

1 利奇馬臺風過程復演

利奇馬臺風過程復演采用SWAN模型。該模型采用動譜平衡方程描述風浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程,模型以動譜密度為未知變量,并考慮由地形及水流引起的淺水和折射效應,風成浪,白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰減,波-波相互作用,適用于深水、過渡水深和淺水情形,目前已被廣泛應用于河口、港口工程等的海浪模擬。

在直角坐標系下,SWAN 模型的控制方程為采用波作用密度譜N(σ,θ)來表示的波作用守恒方程。波作用密度譜N(σ,θ)與波能譜密度E(σ,θ)的關系為:

N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ

(1)

波作用密直角方程為:

(2)

Cx、Cy、Cσ采用線性波理論計算:

(3)

(4)

(5)

(6)

計算網(wǎng)格囊括整個渤海灣范圍,總共由23 374個節(jié)點、12 477個三角網(wǎng)格組成,最大單元尺寸為20 km,最小單元尺寸為10 m,采用局部網(wǎng)格加密。

建立臺風全過程風浪模型,計算范圍網(wǎng)格包括整個渤海灣,如圖2所示,并在煙臺芝罘灣位置加密。

圖2 計算網(wǎng)格

依據(jù)歐洲中長期(ECMWF)發(fā)布的風速后報數(shù)據(jù)資料,建立臺風過境期間大范圍的空間風場。風場由u、v兩個方向的風速矢量疊加,高度為海平面以上10 m。由建立的臺風場驅(qū)動波浪模型,對工程海域臺風及風浪過程進行復演。時間選取2019年8月9日12時至2019年8月14日0時。

利用臺風過境時波浪要素實測值對模型數(shù)值模擬的結果進行驗證分析。結果表明數(shù)值模擬得到的波要素與實測值擬合較為良好,趨勢一致,模型參數(shù)可以用于該研究中外海波浪數(shù)值模擬計算。

利用上述計算結果,提取工程位置口門外側-8 m等深線的波要素。最大波高發(fā)生的時間為2019年8月11日17時。

此時海域風速及波高分布圖如圖3所示。

表1 工程區(qū)口門外側(-8m)波浪要素

圖3 2019年8月11日17時風場及有效波高分布圖

2 港內(nèi)波浪要素計算

使用上述模型推算得-8 m等深線波要素作為港池波浪數(shù)學模型的計算邊界。港池波浪計算采用丹麥DHI開發(fā)的MIKE21軟件中的BW模塊。

Boussinesq波浪數(shù)學模型的基本方程為沿水深積分的平面二維方程,其方程為:

St+Px+Qy=0

(7)

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

按實際的結構物形式，考慮防波堤、碼頭等已有建筑物的反射作用,自然岸線采用部分反射,防波堤及碼頭均為直立式,采用完全反射。計算水位為臺風過境實時水位。泊位計算點H13%波高見表2,E向波高分布圖如圖4所示。波浪從防波堤南側口門入射,經(jīng)港池北側反射到游艇碼頭處,在E向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為1.11 m。在ENE向波浪作用下,碼頭泊位前最大波高為0.97 m。

表2 碼頭破壞處測點波浪要素

圖4 E向浪入射時H13%分布圖

3 浮箱結構受力計算

受臺風“利奇馬”引起的風浪作用下,太平灣浮箱碼頭部分結構受到損壞。為計算破壞力大小,采用FLOW 3D軟件對浮箱受力過程進行模擬,對單個浮箱所受的波浪力及在體坐標系下的繞X軸、Y軸和Z軸的扭矩進行分析。模擬所用波浪條件為上述數(shù)值模擬計算結果。

利用上述推算出的波浪數(shù)據(jù),輸入到FLOW 3D軟件進行數(shù)值模擬計算,得浮箱在1.11 m有效波高下,主要在垂直方向運動,沿平面方向運動幅度較小,所受水平方向合力最大值為102.79 kN,豎向合力最大值為250.55 kN;浮箱所受最大扭矩74.17 kN·m,繞Z軸方向。

由于本次模擬取單個浮箱作為研究對象,模擬其在波浪作用下的運動狀態(tài),但根據(jù)浮箱碼頭的受損情況來看,還是應該進行整體的模擬分析,從而得到比較準確的結果。因此,在后續(xù)研究中,還需對浮箱碼頭在波浪作用下的整體運動情況進行研究,為設計人員后期設計修復加固方案提供較可靠的依據(jù)。

4 結 論

(1) 考慮波浪折射、底部損耗、波浪破碎,通過SWAN風浪模型計算2019年“利奇馬”臺風過境時工程區(qū)口門外-8 m等深線的波浪要素,結果表明臺風過程中最大H13%E向為2.27 m,ENE向為2.39 m。

(2) 依據(jù)口門外設計波要素,采用MIKE21-BW模型,進行了港內(nèi)水域波浪折射、繞射、及反射聯(lián)合計算,得出港內(nèi)計算點波浪要素結果,工程點H13%E向為1.11 m,ENE向為0.97 m。

(3) 根據(jù)上述波浪數(shù)值模擬結果,采用FLOW 3D軟件進行浮箱受力模擬,浮箱最大水平受力為102.79 kN;最大扭矩為74.17 kN·m,方向為繞Z軸方向。