峭壁反射港区波高分布模型试验研究

朱颖涛，刘鸣洋*，陈汉宝，范 波

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程研究中心 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.山东电力建设第三工程有限公司，青岛 266061)

港口工程中，通常在港区外建设防波堤进行掩护，以减小波浪对港区的影响，优化和改善泊稳条件。研究港外波浪传入港内水域后的波要素变化规律对评估防波堤掩护效果具有重要意义，因此开展港内波要素演变规律的模型试验研究十分重要。波浪从外海或近海传入港内的过程中，会受到浅水变形、折射、底摩擦等影响，在堤头附近发生绕射，或沿堤发生消散，或在码头结构或自然岸线发生反射等现象。上述各种作用或现象使得波浪在港内的传播变得复杂。因此，针对港口工程中波浪由港外传入港内发生的波要素演变开展模型试验研究，提升港内波浪传播机理的认识水平，对优化防波堤和码头结构平面布置，改善港内泊稳条件具有重要的工程意义。

1 引言

围绕不同港区的波浪传播和演变特性，许多研究者开展了诸多数值模拟和模型试验研究。连卫东和刘针[1]分析了烟台港栾家口港区和蓬莱东港区的波浪特性，利用MIKE21的BW方程波浪数学模型对平面布置方案下港内的波况进行了模拟，分析了直立式码头和高桩码头不同结构型式对港内波能的影响，发现直立式结构型式使得波浪多次反射不利于泊稳，而高桩结构可以消散波能减小码头前波高。白静等[2]以某大型港区工程为实例，通过波浪整体物理模型试验，研究了通过防波堤口门传入港区的波浪条件，并采用数学模型模拟了港内局部小风区成浪的影响。该研究发现对于大型港区，当口门与码头之间水域距离在1 km以上时，港内码头处的波浪条件不但需要考虑外海传入港区的波浪、防波堤绕射浪以及越浪产生的次生波影响，还需要考虑港内风成浪的影响。刘针和栾英妮[3]通过波浪整体物理模型试验，对大连港太平湾港区起步工程港内波况和码头上水情况进行测定，并根据试验结果对平面布置进行优化。该研究发现了波浪在直立码头间的来回反射以及航道边坡对波浪的折射，研究了进港航道边坡开挖、防波堤延长以及桩式结构的采用等优化方案对港内波高的减小效果。丁兆宽和宋荔钦[4]根据波浪断面物理模型试验研究了不同结构码头反射系数，并采用MIKE21的BW模块建立了日照港石臼港区波浪传播数学模型，针对码头不同结构形式和不同平面布置，研究了不同方案组合下的港内泊稳条件。许忠厚等[5]分析了竖直双挡板桩基码头不同挡板结构(挡板底高程、挡板封闭情况)时的港内波高分布特征，分析了不同工况下港内泊稳条件，研究了波向对绕射的影响、有效波高比与相对入水深度对透射系数的影响，分析了绕射波、透射波、反射对港内波况的影响。黄涛等[6]围绕以色列阿什杜德码头工程，利用商业数值模拟软件分析了强浪条件不同施工阶段下半掩护港区波浪场，得到了港区内不同水域的最大作业波高标准。翟法和冯卫兵[7]针对葫芦岛港绥中港区开展了波浪整体模型试验并运用改进的Boussinesq方程模拟了不同平面布置方案港内波高情况，探讨了防波堤结构形式、口门方向、口门宽度、航道和港池边界结构对港内波高的影响。江森汇等[8]采用考虑波浪折射、绕射、反射以及波能损耗等多种物理过程的波浪数学模型研究日照港波浪要素，研究分析了日照港码头扩建前后的港池泊稳条件。李春良等[9]针对潍坊港新规划港区的波浪入射及泊稳问题，采用数值模拟方法，对潍坊港中、西港区内波浪折绕射进行了研究。乔吉平等[10]将泊位水域的波浪进行长短波分离，对不规则波作用下的泊位水域长周期波高的分布规律进行研究，发现单向不规则波在泊位处的长波波高明显大于多向不规则波，且波向的改变对港内的长波也有一定的影响。白志刚等[11]围绕波浪物理模型试验技术论述了基于板上波高信号反馈、板前波高信号反馈以及力信号的三种主动吸收式造波技术的发展与应用，总结对比各种技术在传感器性能、系统稳定性和适用范围等方面的优势与不足。

关于以上各个港口工程中波浪分布和演变的研究成果中，无论是物理模型试验还是数值模拟计算，均只涉及港内直立式或桩式水工建筑物以及防波堤等人工结构对波浪的影响，几乎没有关于自然岸线中峭壁形态边界的反射现象研究。对于某些特殊地质条件的港区，尤其是自然岸线中存在陡峭岸壁的情况，在研究港内波要素分布时，须考虑其对波浪的反射作用，以及由此带来的对港内波浪场的影响和对泊稳条件的影响。

2 模型试验

2.1 模型实例

模型试验以福建省福清海亮沃口一级渔港东防波堤工程[12]为研究对象。拟建防波堤总长1 770 m，其中东防波堤(宽肩台式斜坡堤)长1 550 m，南防波堤兼码头(连片沉箱结构)长220 m，防波堤内侧160 m兼做4个200 HP 渔船泊位，外侧150 m兼做3个600 HP渔船泊位。东防波堤北侧与近岸山体间形成朝向北，宽301 m的口门，东防波堤与南防波堤间形成朝向南侧，宽120 m的口门，形成港内水域面积约为68.86万m2(0.689 km2)。防波堤平面布置如图1所示。渔港工程N—S向朝向开敞大海，工程区主要受到6个方向港外波浪的影响，特别是ESE—SE向台风浪的影响。本研究主要关注港外SE、ESE、SSE、S、NNE和ENE等方向波浪传入港内后的波要素分布结果。港外主要波浪方向如图2所示。

图1 防波堤平面布置

2.2 试验水位和波浪要素

本工程水文信息以1985国家高程为基准，据此采用设计高水位重现期为50 a的港外波要素作为港内泊稳规律研究的试验波要素。波浪要素率定点如图2所示，率定点波浪要素如表1所示。

表1 设计高水位重现期50 a波浪率定点D和I波浪要素[13]

3 试验方法

3.1 试验设施和模型制作

模型试验在交通运输部天津水运工程科学研究院综合试验厅中完成。模型按重力相似准则设计，采用正态、定床模型。试验场地为42.8 m×60 m×1 m的矩形水池(如图2所示)，采用几何比尺λ为40。模型中各种块石按重力比尺挑选，粒径级配符合《防波堤与护岸设计规范》[14]中对于宽肩台斜坡堤的规定，同时满足《波浪模型试验规程》(JTJ/T234-2001)[15]的要求。造波采用总长40 m可移动推板式不规则波造波机及其控制系统。

为研究本工程西侧山体岸壁反射作用对港内波浪要素和泊稳条件的影响，本模型试验按照平面布置方案进行平面放样，再按照相应断面图构建模型，摆放防波堤，并模拟后方山体峭壁形态，等效反映岸线坡度。另外，在制作模型的过程中模仿出海亮沃口港区水下地形条件，以及港区东北侧的大王马屿、王马仔岛、南王马屿、王马南屿、对渡码头、南防波堤堤根与山体岸壁间的地形。工程实地的峭壁岸线及模型制作的地形全貌如图3所示。

图3 工程实地峭壁岸线和模型制作全貌

3.2 波浪模拟

根据《波浪模型试验规程》[15]，宽肩台式防波堤的断面稳定性试验应采用不规则波进行，因此本研究的整体稳定性物理模型试验采用不规则波进行。不规则波采用频谱模拟，频谱采用《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)[16]中的JONSWAP谱。其解析式为

(1)

(2)

(3)

(4)

3.3 港内泊稳条件分析

针对设计高水位50 a一遇波要素条件下港池内泊稳情况，在港池内布置波高传感器阵列(见图4)，根据采集到的波高情况测算满足泊稳条件的水域面积，具体方法为根据波高分布等值线图，得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积。

图4 波高传感器阵列

4 试验结果与分析

4.1 港外SE、ESE、S、SSE向浪条件下港内泊稳条件

SE向浪，设计高水位50 a一遇波要素条件下，港内波高分布等值线见图5-a，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.573 km2。港内波浪主要由南侧口门传入，南防波堤兼码头越浪次生波很小并快速衰减，堤身没有越浪，北侧口门传入波浪很小；由于防波堤内侧斜坡较缓，部分口门进入的波浪向东折射并在堤上消散；设计高水位SE向50 a一遇波浪作用下，仅口门附近区域H1%大于1 m。

5-a SE向浪 5-b ESE向浪 5-c S向浪 5-d SSE向浪

ESE向浪，设计高水位50 a一遇波要素条件下，港内波高分布等值线见图5-b，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.598 km2。S向浪，设计高水位50 a一遇波要素条件下，港内波高分布等值线见图5-c，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.643 km2。SSE向浪，设计高水位50 a一遇波要素条件下，港内波高分布等值线见图5-d，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.648 km2。与SE向和ESE向浪相比，S向和SSE向浪在港区南口门有更直接的入射角度，但波浪传入港内后，泊稳条件均是S向和SSE向好于SE向和ESE向。

4.2 港外NNE、ENE向浪条件下港内泊稳条件

对于NNE向浪，考虑原设计方案防波堤长度以及将北堤头部分分别缩短100 m和175 m后港内的波高分布变化。设计高水位50 a一遇波要素条件下，原设计方案港内波高分布等值线见图6-a，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.686 km2；将北堤头缩短100 m后，港内波高分布情况见图6-b，得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.573 km2；将北堤头再次缩短75 m(累计缩短175 m)后，港内波高分布情况见图6-c，港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.509 km2。相比原设计方案，北堤头缩短100 m和175 m后，港内满足泊稳条件的水域面积分别减小了16.5%和25.8%。在NNE向波浪作用下，港内波浪主要由北侧口门传入，在北堤头处发生绕射，并在港池西侧自然岸线形成反射和沿岸传播(见图6)；缩短北堤头的长度100 m、175 m，港内满足泊稳条件的水域面积由北向南减小。

6-a 原设计方案 6-b 北堤头缩短100 m 6-c 北堤头缩短175 m

对于ENE向浪，考虑原设计方案防波堤长度以及将北堤头分别缩短100 m和175 m后港内的波高分布变化。设计高水位50 a一遇波要素条件下，原设计方案港内波高分布等值线见图7-a，由此得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.503 km2；将北堤头缩短100 m后，港内波高分布情况见图7-b，得到港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.247 km2；将北堤头再次缩短75 m(累计缩短175 m)后，港内波高分布情况见图7-c，港内满足波高H1%≤1 m的水域面积为0.119 km2。相比原设计方案，北堤头缩短100 m和175 m后，港内满足泊稳条件的水域面积分别减小了50.9%和76.3%。在ENE向波浪作用下，港内波浪主要由北侧口门传入，在北堤头处发生绕射，并主要在港池西侧自然岸线形成反射(如图7所示)；缩短北堤头的长度100 m、175 m，港内满足泊稳条件的水域面积由北向南急剧减小。

7-a 原设计方案 7-b 北堤头缩短100 m 7-c 北堤头缩短175 m

港外NNE向浪相比ENE向浪，在港区北口门有更直接的入射角度，但波浪传入港内后，无论是对于原防波堤堤长还是北堤头缩短100 m和175 m情况，港内的泊稳条件均是NNE向好于ENE向。主要原因是NNE向浪的波高和周期本身就小于ENE向，且其波能在绕射和反射过程中衰减的程度更大。另外，NNE向浪进入港内水域后更多地沿峭壁岸线传播，而ENE向浪经峭壁反射后主要进入港内中心水域，使得泊稳条件衰减更明显。在ENE向浪入射工况，随着防波堤北段长度的减小，不仅港内水域面积急剧减小，被陡峭岸壁反射的波浪传播方向也因为主要反射区域的变化而发生明显改变(见图7)。由此说明本工程的岸线对波浪的反射现象呈现出类似于直立岸壁反射的规律，即波浪反射方向的指向性较集中。

5 结论

本文针对福建福清海亮沃口一级渔港工程，通过三维物理模型试验模拟了自然岸线中的峭壁形态，得到了港内泊稳波要素分布以及满足泊稳条件的水域面积随堤身长度变化的演变规律，得出如下结论：

(1)港外SE、ESE、S和SSE向浪经较小的南口门传入港内时沿堤消散现象明显，仅口门附近区域不满足泊稳条件。

(2)港外NNE和ENE向浪主要经北口门进入港内，波高和周期较小的NNE向浪主要在北堤头发生绕射以及沿港内西侧岸线传播，波高和周期较大的ENE向浪主要经峭壁反射进入港内中心水域。

(3)港外NNE向浪和ENE向浪情况下，减小东防波堤北段长度100 m和175 m，港内泊稳水域面积相比原设计方案均有减小，尤以ENE向浪情况下减小程度更加显著。除泊稳面积有明显变化外，本工程的岸线对波浪的反射现象还呈现出类似于直立岸壁反射的规律，即波浪反射方向的指向性较集中。因此，波高和周期较大的波浪经防波堤口门进入港内后，受峭壁形态的岸线反射导致的泊稳条件变化，是港口平面布置中应关注的问题。