周 劍，解東升，李培良，付博新

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

長(zhǎng)周期波是指周期在幾十秒到幾個(gè)小時(shí)的海面波動(dòng)，通常在30 s以上，介于涌浪和潮波之間，一般包括次重力波(碎波拍、邊緣波)、副震蕩(假潮)、氣象海嘯、海嘯等。長(zhǎng)周期波波長(zhǎng)長(zhǎng)、能量大、難耗散，常規(guī)的傳統(tǒng)消浪措施很難起到效果，常導(dǎo)致港口裝卸中斷、系泊纜繩斷裂、碼頭岸壁損壞、護(hù)舷和船體損傷，甚至人員傷亡等問(wèn)題。如果進(jìn)一步和港口發(fā)生共振，會(huì)帶來(lái)更大災(zāi)害。

國(guó)外對(duì)長(zhǎng)周期波對(duì)策研究較多。日本沿海開發(fā)技術(shù)研究中心[1]發(fā)行了“港內(nèi)長(zhǎng)周期波影響手冊(cè)”，涉及平面布局、消波結(jié)構(gòu)物、長(zhǎng)周期波預(yù)警等對(duì)策；平石哲也等[2]研究了拋石斜坡堤、渦流結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)周期波吸收構(gòu)造物，評(píng)估了各種對(duì)策的適用性；Caro等[3]指出改進(jìn)系泊系統(tǒng)可緩解長(zhǎng)周期波問(wèn)題。國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)長(zhǎng)周期波應(yīng)對(duì)措施的研究，但我國(guó)承建的斯里蘭卡漢班托塔港[4-5]、尼日利亞萊基港[6-7]、秘魯錢凱港[8-9]均面臨長(zhǎng)周期波問(wèn)題挑戰(zhàn)，其中錢凱港預(yù)期使用4～6組ShoreTension?緩解長(zhǎng)周期波問(wèn)題。

本研究搜集了受長(zhǎng)周期波影響的港口分布，重點(diǎn)分析長(zhǎng)周期波潛在應(yīng)對(duì)措施，為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 全球長(zhǎng)周期波影響下港口分布

研究表明[10-11]，南非、澳大利亞南部、新西蘭、秘魯智利沿岸、日本沿岸、阿拉斯加灣沿岸等區(qū)域?yàn)榇沃亓Σㄓ绊憞?yán)重區(qū)域，法國(guó)、葡萄牙等區(qū)域多發(fā)生副震蕩、氣象海嘯現(xiàn)象。我國(guó)港口次重力波影響有限，以副震蕩為主[12]。表1列出受長(zhǎng)周期波影響的港口，圖1為相應(yīng)各港口位置分布。

表1 受長(zhǎng)周期波影響的港口

注：圖中黑點(diǎn)為港口。

2 長(zhǎng)周期波應(yīng)對(duì)措施

為了提高船舶系泊安全性和裝卸效率，并確保船舶靠離泊的定時(shí)性和穩(wěn)定性，有必要采取長(zhǎng)周期波對(duì)策。一般有2種措施：1)減少波浪對(duì)船舶的作用；2)改變船舶系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。前者為“硬解決方案”，涉及港口基礎(chǔ)設(shè)施的變化，如通過(guò)修改港口布局減少波浪傳入、增設(shè)消波構(gòu)筑物降低目標(biāo)泊位反射系數(shù)等；后者為“軟解決方案”，通過(guò)改善系泊系統(tǒng)緩解長(zhǎng)周期波問(wèn)題，或構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)指導(dǎo)船舶作業(yè)。

2.1 抑制長(zhǎng)周期波生成或傳入

長(zhǎng)周期波的生成與短波破碎密切相關(guān)。通過(guò)修改地形、構(gòu)建波聚焦或散焦結(jié)構(gòu)等方式，降低長(zhǎng)周期波能量，改變長(zhǎng)周期波傳播方向，是解決長(zhǎng)周期波港口問(wèn)題的手段之一。如消減地形(變緩、變平)、改變進(jìn)港航道走向、建設(shè)波散焦丘等形式，減少長(zhǎng)周期波產(chǎn)生，從而減少長(zhǎng)周期波傳入港內(nèi)。

2.2 優(yōu)化平面布局

合理的港口平面布局可以改善港內(nèi)泊穩(wěn)度。對(duì)于新建港口，規(guī)劃時(shí)通過(guò)優(yōu)化調(diào)整平面方案，減少長(zhǎng)周期波能傳入。而老港可以通過(guò)延長(zhǎng)舊防波堤或新設(shè)防波堤和消波構(gòu)造物(如人工岸灘)來(lái)降低港內(nèi)長(zhǎng)周期波能量。

長(zhǎng)周期波進(jìn)入港池可能會(huì)激發(fā)港池的共振。港池自然周期與水深、港口幾何形狀和尺寸密切相關(guān)，合理的布局可以避免共振。例如羅馬游艇碼頭防波堤、消波岸灘、消波港池的應(yīng)用(圖2)，有效改善了港內(nèi)泊穩(wěn)問(wèn)題。

圖2 羅馬游艇碼頭長(zhǎng)周期波消波措施

2.3 構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)

通過(guò)在港口內(nèi)建設(shè)人工岸灘、消波結(jié)構(gòu)物等消波設(shè)施，可以降低港內(nèi)長(zhǎng)周期波反射造成的放大效應(yīng)，將波高降低到裝卸限制波高以下，進(jìn)而改善港內(nèi)泊穩(wěn)度。圖3a)為渦流消波結(jié)構(gòu)[13]，由導(dǎo)水板和消能室構(gòu)成，利用渦流耗散進(jìn)行消波；圖3b)為拋石堤消波，也可結(jié)合開縫沉箱等形式進(jìn)行組合，利用碎石層摩阻、紊流、壓力差(消能池)進(jìn)行消波。

圖3 典型消波結(jié)構(gòu)物形式

拋石斜坡堤比較常見[14]，反射系數(shù)分布在0.6～1.0(周期越大，反射系數(shù)越大)，其缺點(diǎn)是需要足夠長(zhǎng)度和寬度(寬度一般不小于30 m)，占用岸線多；但建設(shè)成本低，施工便利，如日本苫小牧港成功應(yīng)用拋石斜坡堤[15](圖4)緩解港內(nèi)長(zhǎng)周期波問(wèn)題。

2.4 改進(jìn)系泊配置

圖4 日本苫小牧港長(zhǎng)周期波消波措施(單位：m)

針對(duì)長(zhǎng)周期波帶來(lái)的系泊問(wèn)題，另一個(gè)有效措施是修改系泊系統(tǒng)，通過(guò)改變船舶系泊系統(tǒng)的響應(yīng)提高操作安全性和減少船舶在泊位的停機(jī)時(shí)間。常規(guī)操作包括增設(shè)岸基系泊纜、使用充氣式護(hù)舷、使用恒張力絞車、采用真空系泊系統(tǒng)(MoorMasterTM、Auto Moor等)和液壓系泊系統(tǒng)(ShoreTension?)等。真空系泊系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在阿曼薩拉拉、南非庫(kù)哈、澳大利亞杰拉爾頓等港口；液壓系統(tǒng)也在澳大利亞埃斯佩蘭斯和杰拉爾頓、新西蘭塔拉納基、葡萄牙錫尼什、智利阿里卡等港口得到應(yīng)用。另外，改良系泊系統(tǒng)亦可防止共振，通過(guò)改變系泊系統(tǒng)的自然周期，使其偏離波浪的主周期，從而避免與長(zhǎng)周期波發(fā)生共振。另外，拖船輔助系泊也是有效手段之一。

沒有通用規(guī)則可定義最合適的系泊系統(tǒng)，每個(gè)特定案例都需要對(duì)停泊船舶及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)評(píng)估結(jié)果優(yōu)化完善系泊布局，盡量抑制船舶過(guò)度運(yùn)動(dòng)。

2.5 開發(fā)長(zhǎng)周期波預(yù)報(bào)系統(tǒng)

通過(guò)開發(fā)長(zhǎng)周期波預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可合理安排船舶裝卸以及靠離泊情況，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。常用方法有長(zhǎng)周期波浪數(shù)值預(yù)報(bào)[16]和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)報(bào)[17]。前者根據(jù)波浪觀測(cè)、氣象信息等進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算；后者構(gòu)建長(zhǎng)周期波與短波經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。2種方法在日本高知港(圖5)[18]、八戶港、鹿島港、常陸那珂港、苫小牧港，澳大利亞杰拉爾頓港、新西蘭塔拉納基港等均得到應(yīng)用。

圖5 日本高知港長(zhǎng)周期波預(yù)測(cè)系統(tǒng)

以上對(duì)策可在一定程度上緩解長(zhǎng)周期波帶來(lái)的問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)，構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物和改進(jìn)系泊系統(tǒng)是行之有效且低成本的對(duì)策。但是對(duì)于長(zhǎng)周期波影響，沒有統(tǒng)一完美的解決方案，所有最優(yōu)措施均是根據(jù)實(shí)際情況平衡的結(jié)果。圖6為長(zhǎng)周期波對(duì)策概念圖。

圖6 長(zhǎng)周期波對(duì)策概念圖

3 案例

3.1 澳大利亞杰拉爾頓港

杰拉爾頓港位于澳大利亞西海岸，在珀斯北部375 km，長(zhǎng)周期波是其系泊問(wèn)題的根源。為了改善長(zhǎng)周期波問(wèn)題，提出如下改進(jìn)措施。

1)改造防波堤。最初設(shè)想的解決方案是延長(zhǎng)西防波堤，但投入資金非常大，能否獲得足夠效益值得商榷。研究發(fā)現(xiàn)[19]，現(xiàn)有西防波堤向北延伸350 m可有效降低港池第二模態(tài)長(zhǎng)周期波(周期45 s，長(zhǎng)周期波高度降低35%，系泊運(yùn)動(dòng)量改善20%)，但對(duì)第一模態(tài)90 s無(wú)影響。而滿載巴拿馬型船主要受90 s長(zhǎng)周期波響應(yīng)，所以效果有限。

2)疏浚。長(zhǎng)周期波沿著淺礁區(qū)和航道邊緣傳播。通過(guò)改變航道線形或尺寸(航道或礁坡加寬、變平)來(lái)緩解長(zhǎng)周期波問(wèn)題，但需要付出相當(dāng)大的財(cái)政和生態(tài)成本。

3)改進(jìn)系泊系統(tǒng)。通過(guò)增設(shè)岸基系泊纜、安裝軟護(hù)舷(充氣式護(hù)舷)、采用真空系泊系統(tǒng)MoorMasterTM和液壓系泊系統(tǒng)ShoreTension?(圖7)等措施，緩解長(zhǎng)周期波影響。

4)開發(fā)長(zhǎng)周期波預(yù)報(bào)系統(tǒng)。開發(fā)波浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)以管理泊位運(yùn)行(圖8)。在無(wú)其他措施的條件下，如果預(yù)測(cè)的長(zhǎng)周期波高度(在25～120 s的周期范圍內(nèi))超過(guò)臨界條件0.20 m，則將船舶撤離泊位。

3.2 日本秋田港

圖7 采用Shoretension?系統(tǒng)的散貨船“KS Flora”

圖8 杰拉爾頓港長(zhǎng)周期波預(yù)報(bào)系統(tǒng)

秋田港位于秋田市西北，港口深受長(zhǎng)周期波影響，尤其是外港區(qū)域，因港內(nèi)的反射和共振，長(zhǎng)周期波較港外放大，使得系泊船大幅度移動(dòng)，導(dǎo)致系泊纜斷裂等問(wèn)題，系泊障礙在冬季12月至次年2月尤為顯著。在無(wú)消波措施的情況下，實(shí)際裝卸效率均低于目標(biāo)裝卸效率97.5%。

2004—2005年開展長(zhǎng)周期波對(duì)策設(shè)施的配置計(jì)劃討論，包括防波堤延伸和港內(nèi)消波構(gòu)造物，前者延長(zhǎng)防波堤、縮小港口，抑制長(zhǎng)周期波侵入；后者在港口內(nèi)配置消波構(gòu)造物(圖9)，防止反射引起波高增大，最終采用港內(nèi)消波措施[20]。外港前消波于2008年完成，水深-8.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.92；綠地護(hù)岸前消波于2009年完成，水深-6 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.76；南防波堤消波于2010年完成，位于防波堤內(nèi)測(cè)，水深-14.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，距防波堤30 m，反射率0.88；綠地護(hù)岸直角消波于2011年完成，水深-13 m，L形開縫護(hù)岸，寬20 m，反射率0.89。各消波斷面形式見圖10。采用消波構(gòu)筑物后，長(zhǎng)周期波高降低至原來(lái)的一半左右，裝卸工作率超過(guò)基準(zhǔn)97.5%。

3.3 阿曼薩拉拉港

圖9 秋田港消波構(gòu)筑物現(xiàn)狀分布

圖10 秋田港消波結(jié)構(gòu)斷面形式(單位：m)

薩拉拉港位于阿曼蘇丹國(guó)多法爾地區(qū)南部，在薩拉拉市以西約15 km。6—9月夏季季風(fēng)期間(當(dāng)?shù)胤Q為“Khareef”)，外海涌浪傳入近岸水域產(chǎn)生長(zhǎng)周期波，經(jīng)過(guò)岸灘反射和防波堤繞射傳入港內(nèi)，導(dǎo)致集裝箱船裝卸因船舶過(guò)度運(yùn)動(dòng)而中斷，降低貨物轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)效率。

為了降低長(zhǎng)周期波影響并擴(kuò)展港口，遠(yuǎn)期規(guī)劃建議建設(shè)3.7 km北防波堤為擴(kuò)建的集裝箱碼頭提供掩護(hù)。北防波堤建成后，同樣波浪條件下，系泊船舶運(yùn)動(dòng)量可減小50%以上，可明顯改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。

當(dāng)前階段，薩拉拉港主要采用自動(dòng)系泊系統(tǒng)抑制Khareef季節(jié)發(fā)生的船舶縱移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為仍然使用傳統(tǒng)系泊系統(tǒng)的泊位提供問(wèn)題預(yù)警。與傳統(tǒng)纜繩系泊相比，采用自動(dòng)真空系泊系統(tǒng)MoorMasterTM縱移可降到2 cm以內(nèi)，裝卸效率大幅提升。

3.4 新西蘭塔拉納基港

塔拉納基港位于新西蘭北島西海岸新普利茅斯，每年受長(zhǎng)周期波影響的系泊問(wèn)題可達(dá)6.5%～8.0%?？紤]到防波堤投資過(guò)大，塔拉納基港采用長(zhǎng)周期波預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)靠離泊工作(圖11)，后來(lái)進(jìn)一步增加液壓系泊動(dòng)力系統(tǒng)ShoreTension?消除長(zhǎng)周期波帶來(lái)的影響。

注：Moturoa泊位，長(zhǎng)周期波波高閾值0.1 m。

4 結(jié)論

長(zhǎng)周期波主要應(yīng)對(duì)措施如下：

1)控制長(zhǎng)周期波波源生成或傳入港內(nèi)；

2)優(yōu)化平面布局，減少長(zhǎng)周期波傳入，避免港內(nèi)共振；

3)構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物(寬度一般不低于30 m)，降低港內(nèi)反射系數(shù)；

4)改進(jìn)系泊配置，增設(shè)真空系泊系統(tǒng)、液壓系泊系統(tǒng)等系泊設(shè)施；

5)開發(fā)長(zhǎng)周期波預(yù)警系統(tǒng)，使港口有富余應(yīng)對(duì)；

6)構(gòu)建消波結(jié)構(gòu)物和改進(jìn)系泊系統(tǒng)是行之有效且低成本的對(duì)策，可作為優(yōu)選措施。