不同沉箱结构形式防波堤对港内泊稳影响的试验研究

巩世杰，郑宝友，白玉川，高 峰

（1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

韩国沿海某地区拟建一港口，该港区目前已建成东侧防波堤、南侧防波堤和北侧防波堤，其中北侧防波堤目前长度为1 200 m，其中一期550 m，二期650 m，即将建设1 000 m三期防波堤，工程竣工后，北堤的全长为2 200 m。现三期防波堤拟采用沉箱式防波堤结构，沉箱式防波堤的堤身整体性好，水上安装工作量小，不需要大型起重设备，施工进度快，箱中填以砂砾可降低造价。在平面布置不变的情况下，现已设计两种不同结构形式沉箱，即普通直立式沉箱和开孔式直立沉箱，其中，普通直立式沉箱迎浪面无任何特殊结构，为直立光面，由于其结构简单，预制方便，造价较低，作为首要考虑的第一方案；开孔式直立沉箱采用较为复杂的新型结构，沉箱设有开孔消能消浪室并加高顶高程，以期获得更好的消浪和挡浪效果，作为对比的第二方案。

试验中以不同入射波向分别对两种方案进行对比试验，来研究采用不同沉箱结构方案时，堤前波高、越浪及堤后次生波影响、港内波高传播分布规律及码头前泊位处的波高情况等，为最终设计方案的选用提供科学依据。

1 试验依据资料

1.1 工程平面布置和结构

（1）港区平面布置。整个港区呈掩护式布局，现有南、东防波堤和北防波堤1期550 m和2期650 m，油码头为规划方案，拟建的北堤三期旨在加强对该规划码头及周边港区的掩护，位置如图1所示，三期堤长1 000 m，走向近似呈NE—SW。波浪从SSE、SE向传播过来，通过北堤与东堤、南堤之间的口门衍射进入港区。两方案在平面布置上没有区别，仅结构形式不同，其中方案一采用直立式沉箱结构，方案二采用开孔式直立沉箱，迎浪、背浪面均设开孔层、并作凹凸型迎浪面处理。

图1 平面布置图Fig.1 Location of the project

（2）沉箱断面结构。北防波堤三期的建设有两种方案［2］，其中：方案一：普通直立式沉箱。普通直立式沉箱断面详见图2-a，堤顶高程+9.00 m，堤身宽度19.50 m，胸墙高5 m，采用明基床，基床外侧用护底块石包围，增加基床的稳定性，沉箱内部填放10～100 kg块石增加沉箱重量，提高稳定性。

方案二：开孔式沉箱。开孔式直立沉箱断面详见图2-b，堤顶高程+10.00 m，堤身宽度47.11 m，其中堤身前部19.817 m和后部8.17 m是开孔部分，海水与结构物的作用力分散开来，减小波高，起到消能的作用，同样沉箱内部填放10～100 kg块石增加沉箱重量，采取明基床的形式，保持沉箱稳定。该沉箱结构较为复杂，迎浪面设有两层开孔消能消浪室，其中第一层采用间隔布置呈梯形凸出的消能室，附着于相邻的第二层开孔消能室。同时，在沉箱背侧面也设有一层开孔消能室。

图2 北防波堤沉箱断面结构图Fig.2 Structural drawing of north breakwater

1.2 水文资料

（1）水位：设计高水位：+0.66 m。

（2）外海波要素：波向为SE、SSE向；波高为SE向Hs=10.44 m、SSE向Hs=10.76 m；周期为SE向Ts=12.91 s、SSE向Ts=13.30 s；重现期50 a一遇。

1.3 规范规程

（1）交通部《海港水文规范》（JTJ213-98）；（2）交通部《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）；（3）交通运输部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》（JTJ/T233-2010）。

2 主要试验内容

（1）采集使用两种防波堤方案港内各采集点的波高值，主要是观测防波堤越浪情况和监测港内波高分布，考察各泊位处的泊稳条件等；

（2）试验的波浪为不规则波，波谱为Bretschnejder—光易谱［3］（B-M谱）。

3 试验设备与方法

3.1 试验设备

试验水池长40.0 m、宽35.0 m。造波机为不规则摇板式造波机，造波机位置距离防波堤30.0 m（大于6～7倍波长），波浪传播方向的两侧边界在不影响模型布置的前提下设直立吸收式导波设施，防止波能横向扩散，而波浪传播末端和造波机北面的开边界水域均设吸收消波装置，以消除二次反射影响。

试验造波机由造波板、伺服驱动器、伺服电机、编码器、服务器、计算机及其外设组成，为可移动式，便于转换波向。按所需波浪对应一定参数，由计算机完成造波控制信号的计算，经接口电路将造波控制信号传输到伺服驱动器中，由伺服驱动器控制伺服电机的转动，电动缸将伺服电机输出轴的转动转换为电动缸推杆的直线运动，并经过杠杆机构将运动传递到推波板，带动推波板产生期望的水波。同时，配套SG2008型波浪试验采集系统和相机、摄像机等。

3.2 模型设计与试验方法

（1）相似准则。模型根据重力相似准则设计，模型的几何比尺为λ=120，重力比尺为λF=λ3，时间比尺λt=λ0.5。

（2）模型制作。工程区域海底地形相对平缓，根据实测地形数据，采用桩点法（网格间距1.5 m）制作海床，各高程点精度控制在±2 mm以内［4］。码头和各段防波堤的外形尺寸和高程按设计图纸模拟。在保证波浪传播相似的前提下，对各相关建筑物的结构进行合理的概化，其中码头区采用混凝土和木板（主要模拟开孔）模拟，而各段防波堤均为PVC材料加工，其中开孔为三维雕刻机加工，以保证孔距和尺寸的精确，同时按照质量和规格模拟TTP等相关堤身护面块体。

（3）试验步骤。在完成地形之后，安装造波机，使波浪入射方向与实际相同。为保证模拟波浪的波要素经过比尺转换满足水文资料要求，需进行率波。利用传感器采集波浪，通过分析系统得到统计数据，如若与水文资料不符，则改变造波机输入参数Hs和Ts，直至得到满足试验的数据为止，此次试验的率波传感器摆放在拟建北防波堤三期的位置，自南向北共11个，率波点的波高数据是外海波要素经过数模推算的计算值，由于折射和沿程衰减，其波高值略小于深水波要素。率波完成后，将方案模型按照平面图放置港池中进行方案试验，传感器布置在港内及防波堤周围，采集港内及防波堤周围波高的信息。

4 试验结果与分析

4.1 SSE向入射波

（1）方案一：普通直立式沉箱。波浪传到北防波堤的时候发生反射，反射波与入射波相叠加，致使北防波堤沿线波高急剧增加，有越浪产生，随着波浪的传播，波峰线不断越过北堤，在港内形成次生波，一期、二期、三期都有越浪，其中二期、三期区段越浪十分明显。与此同时，波浪传播到南堤和东堤入口，发生衍射后，继续传播到港区。进入港区的波浪，都是经过折射和衍射的，波高比港区外部的波高小，有利于保证港内水面的平稳。从图3-a可知，北堤海侧的有效波高基本为10.0～11.0 m，在三期与二期的连接处有效波高达到最高11.0 m［5］，此处的越浪最大，港内的有效波高为1.6～2.5 m，所以北堤的掩护作用十分明显。靠近油码头处和油码头南侧夹角区域的港前水深为2.0 m，北防波堤堤后有效波高为2.0～2.5 m，造成港内波高仍然较大的原因主要有以下几点：首先入射波波周期较长，均在10 s以上，从而波长较大，因此易于传入港内，且有2个口门允许波浪传入；其次波高较大，在堤前发生较剧烈的越浪，堤后次生波仍然较大，从而影响港内波高分布；最后，港内各泊位以及堤身后侧均为直立结构，因此港内各反射波、绕射波的叠加，造成港池各种波能的谐振，进而加剧局部码头前沿的波高增大，特别是夹角区域波高。所以在靠近建筑物处波高高于港池内其他地方。

（2）方案二：开孔式直立沉箱。波浪传到防波堤后进入消能室，明显的改善了堤前的波高，且由于堤顶高程的增加，越浪产生的数量和高度都有所减少。开孔沉箱最大的优势表现在对越浪的改善，虽然受入射波较大的影响，越浪和次生波未能完全消除，但一定程度上还是削弱了堤前波高，这主要是归功于两方面：其一就是开孔处理上，降低了反射系数，减少越浪量［6］；其二就是凹凸结构，特别是斜向入射波，沿堤传播的能量一定程度上得到消散；其三堤顶高程的增加。从图3-b所示，三期堤前波高比上一方案有所减小，只有部分区域有效波高达到10.0 m，三期与二期的连接处有效波高由11.0 m降为10.0 m，堤后有效波高由2.0 m降为1.8 m。由于越浪的减少，其后产生的次生波影响也减弱，三期堤后有效波高基本小于方案一。与方案一相比，北防波堤三期所掩护的油码头处有效波高由2.1～2.3 m降为2.0～2.1 m，其他位置波高基本不变，泊位处波高略有改善。

图3 SSE向有效波高分布图Fig.3 Significant wave height distribution of SSE

4.2 SE向入射波

（1）方案一：普通直立式沉箱。SE向入射波是垂直北防波堤入射，入射波与防波堤相互作用十分明显，波浪遇防波堤反射，堤前波高急剧增加，有效波高为10.0～11.0 m，如图4-a所示。由于本实验采用不规则波，波高大于10.0 m的波浪整体可以越过防波堤直接传播到港区内部，产生次生波，三期的北侧堤后有效波高达到3.0 m，是由东堤衍射入港内的波浪和大量越浪相叠加形成的。三期与二期相连接处堤前有效波高为11.0 m，堤后有效波高接近3 m，是因为波浪整体越过北堤的影响。这个波向与SSE向相比，Hs、Ts相近，港区内部波高分布有所不同，入射波为SE向时港内北侧的有效波高要大于入射波为SSE向的时候，而港区南侧的有效波高则相反，原因是SSE向入射波垂直入射，东堤口门较宽，便于入射波进入港区，而南堤口门较小，入射波不易进入港区，加上越浪在港内生成次生波的影响，导致港区北侧有效波高大于SSE入射波时；当入射波为SSE时，入射波与北防波堤一期的夹角小于90°，容易在南堤口门入射，入射波进入港区后继续往港区南侧夹角区域传播，加上码头前沿都是直立式结构，波浪反射相互叠加，致使港区南侧的有效波高大于入射波SE时。

图4 SE向有效波高等高线Fig.4 Significant wave height distribution of SE

（2）方案二：开孔式直立沉箱。由于入射波垂直北堤入射，开孔结构的功能主要体现在减小反射系数，在一定程度上削弱了堤前波高，但由于试验波高大、周期长，越浪和次生波未能完全消除，但还是一定程度有所缓解。不规则波中的大波不断越过堤身进入港区，由于顶高程变高和消浪的影响，越浪量比方案一有所减少，越浪在堤后形成次生波，继续往港内传播，与东堤和南堤衍射入港内的波浪叠加，共同影响港内的有效波高。从图4-b中可知，堤后的有效波高小于方案一，一是由于越浪量有所减少；二是由于堤后有开孔设计，对堤后次生波和衍射入波有消能作用。在三期与二期的连接处，堤前有效波高仍然是11.0 m，与方案一相比，改善不是很明显。三期堤后南侧港区的有效波高由方案一中的2.0～2.3降为1.8～2.0，原因是三期堤后开孔，减小了波的反射系数。从图4中可知，两个方案做对比，除口门位置处受入射波影响较大，变化不是很明显，但开孔式直立沉箱对港内的掩护情况略好于直立式沉箱。

4.3 方案对比

由图1所示，其中在港内标出A、B、C、D、E、F、G共7个测点，其测得的有效波高见表1，从表1中可知，方案二测得的结果整体上略好于方案一的结果。由平面布置图可知，北防波堤三期主要掩护后面的油码头，测点位置为D、E、F3个测点，这3个点所采集的数据，方案二均不大于方案一。

表1 两方案港内不同水域波高对比Tab.1 Difference of two projects′A～G H13%

5 结语

入射波遇到防波堤的阻碍，通过衍射进入港区，使港内波能重分布，因此防波堤事实上起到了一定的掩护作用，但各码头泊位前的波高还会受到不同程度的越浪后次生波和港池谐振的影响，这取决于不同结构防波堤的消浪效果。由试验可知，三期防波堤有效增强了对港池的掩护、降低了港内波高，采用开孔式直立堤对港内的整体泊稳情况略好于普通直立堤。若从经济及工程量等方面来讲普通直立堤可满足此次工程要求，从对港内泊稳条件的影响，再考虑开孔式直立堤兼顾亲水以及韩国十分重视堤身的景观价值，推荐方案二。

［1］习和忠.开孔沉箱防波堤消浪作用的理论研究及应用［J］.港口工程，1994（4）:11-16.XI H Z.Theoretical Research and Application of Perforatred Caisson Breakwater′s Decrease Wave Faction［J］.Port Engineering，1994（4）：11-16.

［2］郑子龙，戈龙仔.蔚山港物理模型报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2011.

［3］邱大洪.工程水文学［M］.北京：人民出版社，1999.

［4］JTJ/T234-2001，波浪模型试验规程［S］.

［5］JTJ213-98，海港水文规范［S］.

［6］陈雪峰，李玉成，孙大鹏，等.波浪与开孔沉箱作用的实验研究［J］.中国海洋平台，2001（16）：5-6.CHEN X F,LI Y C，SUN D P，et al.An Experimental Study of Wave Acting on Perforated Caisson［J］.China Offshore Platform，2001（16）：5-6.