吳岳峰,孫文哲,王崇賢,連石水,陳同慶

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072;2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 518034)

在港口海岸工程中,防波堤的尺寸及平面布置對港內各處波高分布有著至關重要的影響,是港口建設成功與否的關鍵影響因素。在港口設計中,數(shù)學模型試驗、斷面物理模型試驗、整體物理模型試驗應用廣泛。相比于前兩者,波浪整體物理模型試驗能夠更直觀地展現(xiàn)波浪的傳播和影響范圍以及越浪、爬高等現(xiàn)象,能夠為完善工程設計提供十分重要的科學依據(jù)[1]。近年來,周驚慧和王崇賢[2]利用波浪整體物理模型試驗研究了降低堤頂高程對汕頭港廣澳港區(qū)內波高分布的影響;劉針和欒英妮[3]利用波浪整體物理模型試驗研究了大連港太平灣港區(qū)的港內波高分布和碼頭上水情況;黃健鈞等[4]利用波浪整體物理模型試驗研究了排樁式透空堤對港內的掩護效果;喬貫宇和邳青嶺[5]利用分段的波浪整體物理模型試驗對廣東省茂名港進行了研究。

漁業(yè)是我國國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),而漁港是漁業(yè)生產(chǎn)至關重要的基礎設施[6-7]。為加強廣東省陽江市漁港建設工作,陽江市擬將閘坡漁港從現(xiàn)代漁港、美麗漁港進一步升級打造為粵西及南海區(qū)域設施最先進、功能最完善、產(chǎn)業(yè)鏈最完整、生態(tài)環(huán)境最優(yōu)美、規(guī)模領先的世界級現(xiàn)代化綜合性中心漁港[8-9]。項目計劃新建防波堤和大型漁船碼頭,新增錨泊水域,并對已有舊碼頭進行擴建。對于開敞海灣的漁港建設而言,一般需要建設防波堤來保護港內的掩護水域,提高漁船錨泊與作業(yè)的安全性。漁港的有效掩護水域面積需滿足相應要求,可利用整體波浪模型研究波浪傳播影響范圍,確定不同波浪作用下的有效掩護水域面積。

波浪整體物理模型試驗多用于對港內部分測點的波浪要素測定和分析[2-5],受到測點數(shù)量的限制,難以得到港內波高分布和有效掩護水域面積?，F(xiàn)有的研究大多利用數(shù)學模型模擬港內波高,從而得到港區(qū)內的有效掩護水域面積[10]。為研究陽江閘坡一級漁港設計方案的掩護水域面積是否滿足要求,本文采用波浪整體物理模型試驗方法,共布置82個波高傳感器測定波浪要素,利用反距離權重法[11]插值得到港區(qū)內波高分布,從而計算得到港區(qū)的有效掩護水域面積,為防波堤平面設計提供支撐,并為未來港區(qū)船舶避風提供一定的科學依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

閘坡漁港地處廣東省西南沿海海陵島,毗鄰港澳,陸路距陽江市48 km,距廣州市約300 km,水路距港澳約150 n mile。閘坡漁港自然條件優(yōu)越,三面環(huán)山,港池寬闊。

1.2 試驗水位與波浪條件

根據(jù)《廣東省現(xiàn)代漁港建設規(guī)劃(2016—2025年)》[12]中示范性漁港(一級漁港)建設標準要求,一級漁港有效掩護水域面積不小于60萬m2,具體指在設計高水位和50 a一遇波浪重現(xiàn)期條件下,在各向波浪作用下,H1%波高在1 m以內的水域面積不小于60萬m2。

(1) 試驗水位。

試驗水位取設計高水位3.39 m(以當?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?。

(2) 波浪條件[13]。

試驗選取S、SW、W、NW、NNW、NNE作為試驗浪向。需要說明的是,本文所指的浪向均為外海浪向(S—SW)或小風區(qū)浪的風向(W—NNE),而造波機位置處的浪向則從數(shù)模結果對應測點提取得到。試驗時采用單向不規(guī)則波進行試驗。設計高水位50 a一遇波浪下,率定點處的波浪要素見表1。

表1 設計高水位50 a一遇波浪下率定點波浪要素表Tab. 1 Wave parameters with 50-year recurrence period at calibration points with design high water level

1.3 平面方案

陽江閘坡漁港初步設計方案總平面布置見圖1。擬在現(xiàn)狀防波堤西側新建南、西、北三段防波堤。其中北防波堤為拋石斜坡堤,呈直線布置,堤長240 m、堤頂高程8.0 m;西防波堤為拋石斜坡堤,呈折線布置,與北防波堤形成雙環(huán)抱,堤長940 m、堤頂高程8.0 m;南防波堤為沉箱直立堤,呈直線布置,南端堤頭布置在現(xiàn)狀海岸岬角外側,距海岸線約100 m,堤長150 m、堤頂高程7.8 m。新建防波堤與現(xiàn)狀防波堤之間的港池稱為外港池,包含休閑船舶錨地、600 HP及以下漁船錨地和600 HP以上漁船錨地。為滿足漁船的靠泊需求,在外港池北側新建大型漁船碼頭一座,長度240 m,碼頭面寬度25 m、碼頭頂高程6.5 m。碼頭通過引橋與后方陸域銜接,引橋長度233.2 m、寬度8 m、引橋頂高程6.5 m?，F(xiàn)狀防波堤內的港池稱為內港池,北側為600 HP及以下漁船錨地,南側為400 HP及以下漁船錨地。

圖1 漁港初步設計方案總平面布置圖Fig.1 The plane layout of preliminary design scheme of fishery port

2 試驗設計與方法

2.1 主要設備與儀器

陽江閘坡世界級漁港波浪整體物理模型試驗在天津大學港口與海岸工程實驗室波浪試驗水池中進行。試驗水池長60 m、寬40 m、最大水深1.4 m,試驗水池采用可移動式不規(guī)則波造波設備,可模擬正弦波、橢圓余弦波等規(guī)則波與P-M譜、MPM譜、B譜等不規(guī)則波。采樣點的波高測量采用交通運輸部天津水運工程科學研究院開發(fā)的浪高儀與TKS-7型試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集軟件為交通運輸部天津水運工程科學研究院開發(fā)的2018型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 模型設計和制作

試驗按JTS/T 231-4—2021《水運工程模擬試驗技術規(guī)范》[14]的要求進行,模型采用重力相似準則設計,根據(jù)試驗場地、規(guī)范標準及波浪條件等因素綜合確定模型幾何比尺為λ=100,進行正態(tài)比尺模型試驗,對應時間比尺λt= 10。

根據(jù)工程平面布置圖和海域地形圖進行工程海域地形制作和工程建筑物的布置。模型地形制作采用斷面法和等高線法,對于大面積的地形采用等高線法,對于工程海域南側的深槽等地形變化大的區(qū)域采用斷面法,根據(jù)現(xiàn)場1：1 000測量結果制作若干斷面板,保障地形制作精度。各個控制點的高程測量誤差不大于±0.5 mm,在控制點高程確定后進行鋪砂,再用水泥砂漿抹面,復核各位置高程,誤差控制在±1 mm,平面位置誤差控制在±10 mm,精度滿足《水運工程模擬試驗技術規(guī)范》的要求。防波堤與碼頭等結構物根據(jù)設計圖,按比尺進行制作,結構物的位置和高程經(jīng)復核均滿足規(guī)范要求。為消除水池邊壁對波浪的反射,在水池邊壁設置消浪設施。模型平面布置圖見圖2。

圖2 模型平面布置圖Fig.2 Plane layout of the physical model

2.3 波浪模擬

整體模型試驗采用不規(guī)則波進行試驗,采用JONSWAP型譜。波譜模擬時,總能量偏差控制在±10%之內。不規(guī)則波以有效波高Hs和譜峰周期Tp為控制條件進行波浪模擬,偏差均控制在±5%之內。

2.4 反距離權重法

試驗在港區(qū)內共82個測點布置波高傳感器,其中70個基礎測點測量各波向下的港內波高;針對S、SW和W向浪,增加12個補充測點以細化南堤和西堤后錨泊區(qū)內的波高分布。港區(qū)內任意位置的H1%波高值可利用周圍測點波高傳感器的測量值進行反距離權重插值得到,插值點H1%波高的計算公式如下[15]

(1)

式中：n為已知波高測點數(shù)量;P(si)為波高測點si處的H1%波高值;ωi為波高測點si的權重。權重ωi的計算公式如下

(2)

式中：di為插值點s與已知波高測點si之間的距離;p為指數(shù)值,用于控制插值點與已知波高測點之間的距離對差值結果的影響,本文中p=2。

3 試驗結果及分析

3.1 初步設計方案下的港內波高分布

在設計高水位50 a一遇波浪作用下,對新建防波堤掩護下初步設計方案的港內波高分布進行了試驗,繪制港區(qū)內H1%波高分布圖并統(tǒng)計H1%小于1 m錨泊區(qū)面積。圖3～圖8為各方向波高分布的試驗結果。

圖3 初步設計方案S向浪作用下設計高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the S direction under design high water level for preliminary design scheme

圖4 初步設計方案SW向浪作用下設計高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.4 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖5 初步設計方案W向浪作用下設計50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.5 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for preliminary design scheme

圖6 初步設計方案NW向浪作用下設計50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.6 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖7 初步設計方案NNW向浪作用下設計50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.7 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNW direction under design high water level for preliminary design scheme

圖8 初步設計方案NNE向浪作用下設計50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.8 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNE direction under design high water level for preliminary design scheme

S、SW向浪作用時,南堤有少量越浪發(fā)生(圖9),西堤基本無越浪。對于S、SW和W向浪除了從口門進入外港池內,部分波浪從南防波堤堤頭與岬角間的開口進入港池,該位置在設計高水位時水深約為5 m。對于NW、NNW向浪,西堤基本無越浪,這兩個方向的波浪可從新建北防波堤與新建碼頭的開口進入港池。對于NNE向浪,波浪主要從新建北防波堤與新建碼頭間的開口進入港池。

圖9 南防波堤越浪現(xiàn)象(S向浪)Fig.9 The overtopping at the south breakwater under the action of waves in S direction

從波高分布看,對于外港池內的波高,S、SW、W向浪入射時,波浪在北堤與西堤、南堤與西堤間的口門傳入港區(qū),并受直立式南堤處越浪的影響,新建外港池部分區(qū)域H1%波高超過或達到1 m。NW、NNW、NNE向浪入射時,部分波浪從北堤與大型漁船碼頭中間進入港區(qū),導致外港池部分區(qū)域波高較大。對于內港池內的波高,S、SW、W、NNE、NNW向浪入射時,內港池大部分區(qū)域H1%波高小于1 m。NW向浪入射時,部分區(qū)域H1%波高大于1 m。對于已有的內港池內波高影響最大的浪向為NW向,主要原因是部分波浪從新建北防波堤與大型漁船碼頭間的開口進入,繼而傳入內港池。傳入浪向與內港池口門外法線方向接近,波浪從口門進入內港池,同時,口門正對的碼頭為重力式的結構,存在一定的反射,造成一定區(qū)域H1%波高大于1 m。

表2為設計高水位50 a一遇各向浪作用下H1%小于1 m錨泊區(qū)面積統(tǒng)計結果。對于內港池,綜合S、SW、W、NW、NNW和NNE向浪的結果,NW向浪作用下H1%小于1 m的內港池錨泊區(qū)面積最小,其面積為61.4萬m2,滿足《廣東省現(xiàn)代漁港建設規(guī)劃(2016—2025年)》中示范性漁港(一級漁港)建設標準要求。對于外港池,由于北側沒有防波堤掩護,在偏北向的NW、NNW、NNE向浪作用下,外港池新增的H1%小于1 m的錨泊區(qū)面積較小。在S、SW、W向波浪作用下,在內港池有效掩護水域面積滿足要求的基礎上,外港池新增H1%小于1 m的錨泊區(qū)面積分別為60.2萬m2、42.3萬m2、43.0萬m2。

表2 初步設計方案H1%小于1 m錨泊區(qū)面積統(tǒng)計表Tab.2 The mooring area with H1% less than 1 m for preliminary design scheme

3.2 深槽地形對堤外波高分布的影響

南防波堤與西防波堤間存在一處天然深槽(圖10),SW向波浪入射方向與深槽的走向較接近。試驗發(fā)現(xiàn)SW波浪作用下,新建南防波堤和西防波堤堤前局部的波高較大,對應的H1%波高值見表3,具體測點位置見圖10。

圖10 南防波堤和西防波堤外水深分布和測點位置Fig.10 Water depth distributions and station locations outside the south and west breakwaters

表3 南防波堤和西防波堤外SW向浪作用下設計高水位50 a一遇H1%波高分布Tab.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level outside the south and west breakwaters m

根據(jù)表3中的結果,在SW向浪作用下,堤外最大H1%波高出現(xiàn)在西堤的拐點處(測點5),H1%波高值達到6.09 m,比附近測點波高高出約1 m。上述波高分布是由深槽地形對波浪的折射作用造成的,由于SW向浪與深槽地形夾角較小,折射作用較為顯著[16-17]。由于深槽的折射作用,測點2～5的波高增加,深槽地形對堤外波高分布影響較大,在進行防波堤設計時應重視天然深槽的折射作用。同時,波浪折射后,堤前的波高增大(如測點2),高水位時這些波高較大的波浪可通過堤頂越浪進入港內,影響堤后的波高分布。

3.3 規(guī)劃方案初步評估

由于初步設計方案對偏北向的浪掩護效果相對較差,在此基礎上提出了規(guī)劃方案。圖11為規(guī)劃方案平面布置圖。北防波堤沿港池邊界延長,堤頭與陸地僅留有200 m左右的開口,對西防波堤北堤頭附近也適當延長,增加150 m的沿航道的拐彎段,同時,增加大型漁船碼頭的泊位數(shù)量,各結構物的結構形式不變,航道與錨地的設計底標高不變。

圖11 規(guī)劃方案總平面布置圖Fig.11 The plane layout of planning scheme of Zhapo fishery port

規(guī)范方案中北防波堤與大型漁船碼頭間的開口寬度顯著減小,延長的北防波堤、西防波堤對偏北向的NW、NNW、NNE向浪形成良好的掩護。根據(jù)表2的結果,對偏南向的S、SW、W三個浪向,W向浪對西堤后的錨泊區(qū)域影響最大。因此,規(guī)劃方案僅進行W向浪的設計高水位50 a一遇情況下的試驗,通過試驗結果對規(guī)劃方案后的港內波高進行初步評估。

圖12為規(guī)劃方案設計高水位50 a一遇W向浪作用下港內H1%波高分布圖。與初步設計方案相比,南堤口門附近的波高基本沒有變化,由于北側港池基本被延長的北防波堤擋住,初步設計方案北防波堤北堤頭繞射進來的浪在規(guī)劃方案基本不存在,鄰接北堤的港池區(qū)域波高較初步設計方案有所減小。西堤北堤頭增加了一個沿航道方向的拐彎段,西堤北堤頭處繞射后的波浪波高有所減小。外港池600 HP及以下漁船錨地H1%小于1 m的范圍約為34.6萬m2,比初步設計方案增加約4.6萬m2。外港池南側休閑船舶錨地H1%小于1 m的范圍約為13.0萬m2,與初步設計方案相同。外港池內H1%波高小于1 m的總錨泊區(qū)面積約為47.6萬m2,比初步設計方案增加約4.6萬m2。

圖12 規(guī)劃方案W向浪作用下設計高水位50 a一遇H1%波高分布圖(單位：m)Fig.12 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for planning scheme

4 結論

本文通過波浪整體物理模型試驗對陽江閘坡一級漁港的港內波高分布進行了研究,試驗結果表明：

(1)在初步設計方案下,漁港內設計高水位50 a一遇波浪作用下H1%波高小于1 m的錨泊區(qū)面積滿足《廣東省現(xiàn)代漁港建設規(guī)劃(2016—2025年)》中示范性漁港(一級漁港)建設標準中對有效掩護面積的要求,但對于偏北的浪向,波浪可對外港池產(chǎn)生一定影響。

(2)南堤和西堤外的深槽地形引起波浪折射,對堤外波高分布產(chǎn)生較大影響,在進行防波堤設計時應重視天然深槽的折射作用。

(3)規(guī)劃方案擬延長的北防波堤和西防波堤有效地提高了對港區(qū)的掩護作用。在設計高水位50 a一遇W向浪作用下,外港池內H1%波高小于1 m的600 HP及以下漁船錨泊區(qū)面積約為47.6萬m2,比初步設計方案增加約4.6萬m2。