浅析已建港区波浪条件改善措施研究

杨会利 万骁 刘针 栾英妮 胡克

摘 要：港口的尺度、码头的结构型式、口门朝向与当地的波浪特性、防波堤掩护条件对港内波浪传播规律起着决定性的作用。本次研究针对秦皇岛海警码头现状布置条件下存在的泊稳问题以及梳式岛堤改善方案，通过断面物理模型试验得到了梳式岛堤的稳定断面，测量了堤顶越浪，通过波浪力的测量给出了沉箱所受的水平力、浮托力和竖向力;通过波浪整体物理模型试验，对梳式岛堤工程建设前后，港区的波高进行了对比，岛堤的建设可有效减小港内波高。为下一步方案实施提供了理论支持和科学依据。

关键词：波浪;波能集中;梳式岛堤

中图分类号：U652.3        文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0150-04

秦皇岛海监项目西防护工程初建时标准偏低，2016年受“720”风暴潮影响，局部护坡被冲毁，部分块石被波浪冲到港池内，对船舶进出安全造成较大影响。另外在使用过程中发现，受波浪影响，北侧码头泊稳条件差，不利于工作船舶的停靠。

为改善港池泊稳条件，消除安全隐患，本项目拟采用建设方案：在口门外侧东南方向新建300m长岛堤，岛堤推荐采用透水性结构;同时将现有475m长的航道转弯改线，改线后航道总长800m，具体见图1。河北海警支队岛堤建设项目位于秦皇岛市山海关区龙源大道立交桥南侧、山海关一级渔港东侧，河北省海监执法能力建设项目西侧。地理坐标为北纬39°56′40″，东经119°43′20″。工程地理位置见图2。

1主要问题和研究思路

1.1主要研究问题

港区原建设方案将由东、西防波堤环抱而成，工程范围较小，建成的码头均采用直立式结构型式，从口门进入的波能很难消散，且港池现有布局存在凹角波能集中等情况。基于上述原因，其泊位泊稳条件不佳，同时部分波能集中区护坡还有破坏现象。

1.2主要研究思路

项目前期通过波浪数学模型对工程深水区波要素进行了推算，对岛堤的多种布置方式和岛堤长度进行模拟，并推荐了最终平面布置方案，方案平面布置见图3，岛堤断面见图4。

本次研究的主要思路是对推荐的最终方案，根据断面物理模型试验，验证岛堤断面稳定性、测量岛堤后的波高分布情况和测定岛堤的波浪力，得到稳定断面为设计提供依据。根据波浪整体物理模型试验，分析现状情况和岛堤建设后港区的波高分布，为工程的后续建设提供研究依据。

2研究依据

2.1设计水位（当地理论最低潮面起算）

极端高水位（重现期：50年）：2.66m;

设计高水位：1.76m;

设计低水位：-0.15m;

极端低水位：-1.71m。

2.2风浪资料

秦皇岛[1，2]海洋站位置N：39°55′，E：119°37′， 浮标（传感器）处基准面水深-6～-7m。 对秦皇岛海洋站波浪实测资料進行处理，图3为其对应的波玫瑰。工程区是以风浪为主的混合浪，风浪频率占61.5%，以风浪为主的混合浪占7.86%，以涌浪为主的混合浪占29.82%。常浪为S向，频率为22.64%;次常浪向为E向，频率为11.32%;强浪为ENE向，波高大于2.5m出现的频率为0.04%。

2.3试验波要素

根据前期波浪数学模型成果中的试验波要素见表1。

3 梳式防波堤断面模型试验

梳式防波堤[3，4，5，6，7，8]结构是我国在“九五”期间自主研发、具有独立知识产权的一种新型水工结构。该结构与传统直立式防波堤相比，具有减小波浪反射、降低波浪总力、有效吸收波能和造价低廉等优点。

本次模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似，根据试验要求和试验场地、造波机能力等限制条件综合考虑，模型试验比尺定为=25。

模型沉箱采用木板对其形状进行模型，后通过箱体内配重至设计重量。防护采用的块石，按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。护面块体采用的四脚空心方块，使用原子灰加铁粉配制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求，质量偏差控制在±5%以内。胸墙和毛石混凝土压顶使用原子灰加铁粉配制，重量偏差与几何尺寸误差均满足试验规程的要求，质量偏差控制在±5%以内。

3.1 试验设备

波浪断面试验拟在我院水工厅风浪流水槽中进行，水槽长68.0m，宽1.0m，高1.5m，见图6。造波机为电机伺服驱动推板吸收式造波机，可以产生规则波与不规则波，造波能力为：最大造波水深1.0 m，波高0～35 cm，周期0.5～5.0 s。该设备由生波机械、电伺服控制系统、计算机和无反射模块组成（见图8）。水槽两端均设有消波装置，同时水槽两端设有连通管，以使试验过程中模型两侧的水位保持不变。模型高程用水准仪控制，长度用钢尺测量，波高采用波高传感器，并通过TK-2008型动态水位测量系统对波高进行采集分析。试验过程中采用摄像机记录波面过程和上水、越浪等试验现象。波浪压力测量，采用2008型微型点压力系统采集。模型中块石重量采用天马TD1002型电子天平进行称重，精度为0.01g。试验过程中采用摄像机记录波面过程和上水、越浪等试验现象。

3.2波浪模拟

本次试验研究采用不规则波进行，对于不规则波采用JONSWAP谱模拟。其解析式为：

其中：r为谱峰因子，试验取3.3，fp是峰频，为谱峰频周期Tp的倒数，S（f）为谱密度，H1/3为有效波高，f为频率，为平均周期。

3.3断面稳定性试验结果

重现期50年波浪，不规则波列作用于试验断面，极端低水位时波浪作用至沉箱，在沉箱顶部形成溅浪，波浪通过翼板下开口透浪至堤后，引起堤后水体波动;设计低水位时大波冲击沉箱在堤顶形成越浪，底部翼板开口处的透射浪和堤顶越浪量引起堤后水体波动。设计高水位时大波冲击沉箱在堤顶产生大量越浪;极端高水位时大波冲击沉箱在堤顶产生大量越浪，一个波列中大部分波可越过堤顶。四种水位时模拟原体波浪连续作用3小时，沉箱及胸墙整体均保持稳定，3t四脚空心方块均保持稳定，300-500kg护底块石有个别发生滚动，但护底块石形状没有发生大的改变，没有丧失护底功能，均判断为稳定。不同水位时的试验场景见图9。

3.4堤顶越浪量结果

对设计断面的越浪量、越浪高度和越浪频率进行测量，结果见表2。极端高水位情况下，最大越浪厚度为2.75m，单宽平均越浪量为0.2692 m3/（m·s）。

3.5波浪力测量结果

依据《波浪模型试验规程》JTJ/T234-2001和试验技术要求，在沉箱和胸墙上布置点压力传感器来进行测定压力，数据通过2008型数据采集系统采集、分析。对于不规则波作用，连续采集100个以上波作用的波压力过程，模型采样的时间间隔为0.01s。波压力测点布置见图10。

受力分析：先将沉箱置于X、Z坐标轴所构成的二维直角坐标系内，坐标系定义见图10，其中定义来浪方向为X向。然后将各测点所代表面积、压强在该坐标系X、Z二个方向分别进行投影，再由各测点测得压强过程线，利用积分得到在X、Z二个方向所受到的波浪力，最后统计其所受的水平力和浮托力。

单位长度波浪力按下式计算：

其中：-X、Z方向所受到的波浪力（单位：kN）;-各测点实测压强（kPa）;-测点在X、Z方向投影所代表的面积（m2）。

4波浪整体物理模型试验结果

结合试验场地及設备能力综合考虑，选取模型几何比尺为100，亦即波高比尺为100，周期比尺为10，试验在交通运输部天津水运工程科学研究所波浪港池[9]中进行。造波机和采集系统见图11。分别对SSE、SE和S向波浪进行模拟。试验波要素见表4。岛堤建设前后在不同浪向下的波高对比见表4。设计高水位重现期50年，在SE向浪作用下西侧码头前最大有效波高由岛堤工程前的2.5m下降到1.57m;在SSE向浪作用下西侧码头前最大有效波高由岛堤工程前的2.06m下降到0.71m;在S向浪作用下西侧码头前最大有效波高由岛堤工程前的1.18m下降到0.67m。

5结论

码头泊稳条件和港内结构物的稳定是决定港口设计成功与否和正常运行的关键因素之一，港口的尺度、码头的结构型式、口门朝向与当地的波浪特性、防波堤掩护条件对港内波浪传播规律起着决定性的作用。本次研究针对秦皇岛海警码头现状布置条件下存在的泊稳问题以及岛堤改善方案，通过断面物理模型试验得到了岛堤的稳定断面，测量了堤顶越浪，通过波浪力的测量给出了沉箱所受的水平力、浮托力和竖向力;通过波浪整体物理模型试验，对岛堤工程建设前后，港区的波高进行了对比，岛堤的建设可有效减小港内波高。为下一步方案实施提供了理论支持和科学依据。

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