大连港太平湾港区波浪物理模型研究

刘 针，栾英妮

（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）

大连港太平湾港区波浪物理模型研究

刘 针，栾英妮

（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）

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。设计方案在W向波浪作用下，迎浪侧波浪直接穿过进港航道边坡进入港内，波浪在直立码头间发生来回反射，港内波高较大。设计方案在WSW向波浪作用下，迎浪侧航道边坡对波浪的折射现象较W向明显，港内波浪的多次反射现象与W向时基本一致。优化方案一将迎浪侧进港航道边坡开挖，波浪折射到港外，港内波高减小。优化方案二北侧防波堤延长至874 m，对港内的掩护优于优化方案一。优化方案三在优化方案一的基础上，将东侧码头外端1 km码头型式改为高桩码头，在高水位时桩式结构的反射效果未得到充分发挥，低水位时反射效果略明显。

波浪物理模型；波浪反射；波浪折射

Biography：LIU Zhen（1979-）,female,engineer.

大连港太平湾港区位于长咀子和仙人岛岬角之间的太平角附近，地理位置约为121.8°E，39.95°N（图1）。规划港区依陆地岸线布置，面临的开敞海域为SW～W～N向，港区对外海来浪无岛屿等天然地形掩护，需对影响该港区建设的波浪动力条件进行研究。起步工程建设内容主要包括防波堤工程、航道工程和码头工程。通过开展波浪整体物理模型试验，对港内码头上水和泊稳情况进行研究，并为改善港池内各泊位的泊稳条件，进行平面布置的优化试验。

平面布置由航道、防波堤和码头三大部分组成，其中码头岸线由斜边码头岸线、西侧码头岸线、湾底码头岸线和东侧码头岸线组成，航道底高程自口门向港内分为-21.7 m，-19.0 m和-15.8 m，外航道走向75°54′～255°54′，航道宽度290 m，航道边坡1：5，口门处自然水深-6.5 m。设计方案码头均采用直立式结构，码头面高程+5.0 m，平面布置和波高测点布置见图2，工程东西走向长度约为5.68 km，南北走向长度约为3.36 km。黑色圆点为测波点位置，1～5为起波点位置。根据试验结果对设计方案进行优化，优化方案一将进港航道北侧的边坡进行开挖；优化方案二将北侧防波堤延长至874 m；优化方案三在优化方案一的基础上东侧岸线从南端开始1 km的码头结构型式由直立改成高桩。优化方案平面布置见图3。

图1 工程位置图Fig.1 Location of project

图2 工程平面布置和测点布置图Fig.2 Plan layout of project and location of measuring points

图3 优化方案平面布置图Fig.3 Plan layout of optimization case

1 试验的基本参数

试验在交通运输部天津水运工程科学研究所综合试验厅的试验水池中进行［1～3］，试验水池长83 m，宽43 m，高0.45 m。根据试验要求，结合试验场地及设备能力综合考虑，选取模型几何比尺为90，即波高比尺为90，周期比尺为9.49，模型实际占地规模75 m（长）×43 m（宽）。模型防波堤距离造波机均在6倍波长以上，以消除造波板二次反射对试验的影响，防波堤堤头与水池边界的距离亦超过5倍波长。模型边界设置了消波和导波设施，以消除不利于试验的波浪反射和扩散现象。模型中波浪由港池内可移动摇板式不规则波造波机产生［4］，分别对WSW向和W向波浪进行模拟。由港池摇板式造波机产生JONSWAP谱不规则波，模型波高采用TK2008型动态波高测试系统进行测量，该系统采用电容式波高传感器自动采集并统计波高与周期的结果。

试验波要素依据（《大连港太平湾港区起步工程波浪数学模型研究》，天科院，2011）结果中提供的物理模型边界波要素进行试验。按照模型比尺对试验波要素进行了换算，试验波要素见表1和表2。

模型比尺为90时，WSW和W向部分波高不满足规程中“不规则波有效波高应不小于2.0 cm”的要求，凡不满足《波浪模型试验规程》要求的，一律按规程执行，波高值按照比波高进行换算。周期值不满足规程中“谱峰值周期不小于0.8 s要求”的，对造波机的造波参数进行了修改，使谱峰值满足0.8 s的要求，截掉小于0.5 s周期的波浪，对应的波能增加到0.5s以上周期的波浪中。

表1 W向试验波要素（模型值）Tab.1 Test wave condition of W direction

表2 WSW向试验波要素（模型值）Tab.2 Test wave condition of WSW direction

2 试验的结果与分析

2.1 设计方案

设计方案，WSW向浪作用下，波浪传播方向基本与主航道轴线平行（夹角约为2°），波浪在航道边坡发生折射。迎浪侧（航道北侧）入射波浪与航道折射波叠加，部分作用于防波堤，部分波浪沿西侧斜边岸线进入港内。东侧码头的南端正对来浪方向，入射波在直立式码头前发生反射，反射波传至西侧码头的北侧，与从航道进入的入射波叠加，在港内与码头发生多次反射在湾底发生振荡。由于东侧码头的反射，在东侧码头和西侧码头交口处产生菱形波。W向浪作用下，波浪传播方向与主航道夹角约为14°，与迎浪侧航道边坡夹角约为59°，在迎浪侧因折射产生大波区，防波堤与斜边码头岸线夹角处波能集中，防波堤堤头处波高较大。经主航道折射后的迎浪侧波浪可穿过喇叭口处航道边坡传入港内。西侧斜边岸线码头前波高较大。港内的波动主要由航道及沿西侧斜边岸线相叠加后的入射浪与东侧码头反射后传入港内引起。

2.2 优化方案一

针对设计方案，WSW和W向波浪作用时，西侧斜边岸线码头特别是堤头处，由于航道边坡的折射作用波高较大，进行优化。优化方案一，将迎浪侧航道边坡进行开挖，角度由原方案的135°改至164°。WSW波浪作用与设计方案相比，迎浪侧边坡对波浪产生明显折射作用，边坡处波高增大，波浪折射出港外，进入港内的波能减小，西侧斜线码头处及航道中波高较设计方案明显减小，从港内波高比较情况可知，总体上，各泊位前波高有所减小。W向波浪作用情况下。航道边坡走向改变后波能在迎浪侧折射明显，在航道边坡处的波能大部分从港内折射到港外，小部分波浪沿斜边岸线码头进入港内。港内各测点波高较设计方案均有所减小。

2.3 优化方案二

优化目的与优化方案一相同，利用增加防波堤长度来减少传入港内的波浪能量，以降低西侧斜边岸线码头处波高。优化方案二，防波堤延长至874 m时，在W向浪作用下，挡浪效果明显，绕过堤头进入的波浪减少，港内各测点处波高均有所减小。

2.4 优化方案三

设计方案中东侧码头为直立式，入射波在码头前发生反射，该反射波与从航道进入的入射波叠加后传入港内，多次反射引起湾底的波浪振荡。优化方案三在优化方案一的基础上将东侧码头岸线的码头结构从南端开始1 km由直立结构改成高桩码头［5-7］，利用高桩码头的反射作用减小码头前的反射波高。从试验结果看港内波高有所减小但是幅度不大。

表3 码头前最大波高（重现期50 a为H13%，重现期2 a为H4%）Tab.3 The maximum wave height m

图4 W极端高水位重现期50 aH13%Fig.4 Wave height of W direction（high water level,return period 50 a）

图5 W极端高水位重现期25 a上水厚度Fig.5 Wave crest height of WSW direction（high water level,return period 25 a）

各方案码头前最大波高见表4，W向浪作用下极端高水位重现期50 a各侧码头岸线前的最大波高见图4，上水高度见图5，上水高度见表5。

表4 码头上水厚度Tab.4 Wave crest height cm

2.5 方案比较

优化方案一与优化方案二：在西侧斜线码头处，优化方案二的作用效果明显好于优化方案一，港内各码头波高，优化方案二基本都小于优化方案一，但效果不如西侧斜线码头处明显。优化方案一与优化方案三：码头型式修改后，设计低水位效果比设计高水位和极端高水位明显，原因是高水位时，波浪主要作用于高桩码头的上部结构，桩式结构的反射效果未能得到充分发挥。综合比较推荐优化方案一。

3 结论

通过几何比尺为90的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，并进行了平面布置的优化，得到以下结论与建议：

（1）设计方案在W向浪作用下，由于迎浪侧波浪穿过航道边坡经防波堤堤头绕射后进入港内，导致港内波高较大，设计高水位重现期25 a和10 a波浪作用时，WSW向和W向无上水。极端高水位重现期50 a、25 a和10 a时，两个方向作用下上水比较严重，整个码头岸线几乎都有上水。

（2）优化方案一将迎浪侧航道边坡开挖后，增强了波浪的折射作用，港内波高普遍降低，其中西侧斜边岸线现象最为明显。优化方案二对港内的掩护优于优化方案一。优化方案三在优化方案一的基础上，将东侧码头外端1 km码头结构型式改为高桩码头，在高水位时波浪主要作用于码头上部结构，桩式结构的反射效果未得到充分发挥，低水位时反射效果略明显，其余水位不明显。综合比较推荐优化方案一。

（3）本港区范围较大，风区长度超过1 km，试验未能考虑局部风成浪的影响，其结果可以作为方案比选的相对依据，但不能全面真实反映泊稳和上水情况。

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Research on wave physical model for Taiping bay of Dalian Port

LIU Zhen,LUAN Ying⁃ni
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China）

The wave conditions in the harbor area and the overtopping of the wharf for preliminary project of Taiping bay were determined through 3D wave physical model test,and the optimal layout was suggested based on the test results.The results show that,in the design scheme under the action of W wave direction,wave gets through the approach channel slope into inner harbor,and it reflects back and forth on front of the wharf,so the wave height is bigger.In the design scheme under the action of WSW wave direction,the refraction is more obvious than W di⁃rection,but the multiple reflection of waves in the inner harbor is basically the same as W direction.And wave height decreases because of the excavation of channel slope enhance the refraction of waves in optimization scheme one.The optimization case two,in which the north side of the breakwater is extended to 874 m,is better than the op⁃timization case one.While in the optimization case three based on optimization case one,the wharf type is changed into high⁃pile wharf at the outer end of the east wharf for 1 km.The wave dissipation effect is slightly obvious under low water,but the wave transmission effect has not been fully developed in high water level.

wave physical model;wave reflection;wave refraction

TV 139.2；TV 131.6

A

1005-8443（2014）02-0130-05

2013-05-07；

2013-05-29

刘针（1979-），女，河北省衡水人，工程师，主要从事港口航道及海岸工程研究。