竖直双挡板桩基码头港内波浪特性试验研究

许忠厚，陈国平，尹亚军，黄璐，董晓红

（河海大学港口海岸与近海工程学院海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

竖直双挡板桩基码头港内波浪特性试验研究

许忠厚，陈国平，尹亚军，黄璐，董晓红

（河海大学港口海岸与近海工程学院海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

结合某码头二期工程建设，对竖直双挡板桩基码头结构开展波浪整体与断面物理模型试验，对工程码头、防波堤设计波要素及港内波高分布进行了测定。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，并给出了最优化方案；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。研究表明，《海港水文规范》给出的岛式防波堤堤后不规则波绕射系数整体上小于竖直双挡板桩基码头的绕射波试验值，港域内波高最小的区域位于距离码头中心一倍船宽附近，最后提出了一种港内波高的简化计算方法。

挡板式；波高分布；波浪透射；波浪绕射

波浪是海洋中最常见的现象之一，是海洋和海岸工程最重要的水动力因素，港内的波高分布和港内平稳度是港口规划建设中需考虑的首要问题。在海港建设中，码头结构的合理设计以及港口建筑物的合理布局对港口船只的平稳停泊及装卸作业有着显著的影响。因此，了解波浪的传播、变形、绕射和透射特性，确定港内波浪的分布具有理论与工程指导意义。

针对港口工程中的波浪传播问题，一般有理论分析、实验研究、现场观测以及数学模型等解决方法［1］。对于地形复杂区域的波浪分布特性，物理模型的研究能够较好反映波浪的传播变形特性，很多学者采用波浪整体物理模型试验做过港湾泊稳条件方面的研究，徐敏福等［2］采用堵口后整体泊稳试验研究了透浪、绕射与越浪对港内波况的影响；Yu Yuxiu等［3］采用整体物理波浪物理模型试验方法研究了引航道对港内波浪条件的影响；白静等［4］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防波堤口门传入港区的波浪条件分析了港内小风区风成浪对港内码头设计要素及泊稳条件的影响；龚世杰等［5］，丁兆宽等［6］，刘针等［7］通过不同结构与码头或防波堤平面布置的波浪整体模型试验，研究港内泊稳并进行了结构优化；对于桩基挡板式结构码头港内波浪特性研究，柳玉良等［8］通过桩基挡板式防波堤整体试验分析了港内波况的影响因素，包括挡板、水深、波向以及对绕射波与透射波的影响进行了理论计算与试验值的比较。本文通过竖直双挡板桩基码头波浪整体与断面物理模型试验，分析研究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，以及绕射波、透射波、反射对港内波况的影响，对于类似工程建设具有参考价值。

1 试验概况

某客运码头位于小洋山岛东南侧的沈家湾岛，北侧已建有防波堤，对偏N—NE向波浪掩护条件较好，但对夏季偏E—SE向风浪掩护条件较差，对港内波高影响较大的波向主要为E、ESE、SE向［9］，风浪较大时影响码头运营，为改善码头区的泊稳条件，拟对客运码头结构进行改造及扩建（图1）。客运码头已建长度200m，拟建二期规划对称建设，长度180m，码头顶标高▽6.30m，设计两侧可同时停靠船舶。一期工程已经建成并投入使用，码头前后沿均采用消浪板结构，消浪板底标高▽1.5m。二期码头拟采用消浪板结构，消浪板底标高▽0.0m。消浪板间距16m，在码头边缘消浪板间距36.35m，消浪结构见图2～图3。

图1 码头布置方案与测点布置图注：码头前沿1～6＃,19～22#,半倍船宽7～12#,23～26#,一倍船宽13～18#, 27～30#,防波堤31～34#,引桥35～36#,港内水域37～42#。Fig.1 Layout out of wharf and locations of gauges

图2 一期码头南侧及北侧挡浪板立面结构图Fig.2 South and north baffle elevation of the first phase wharf

图3 二期码头南侧及北侧挡浪板立面结构图Fig.3 South and north baffle elevations of the second phase wharf

2 模型设计

模型按重力相似律及《波浪模型试验规程》（JTJ234-2001T）的规定进行模拟，整体试验在80m×40m× 1.2m的波浪水池中进行。模型的几何比尺采用1：100，采用断面板法模拟地形，为了减小港池边壁的波浪反射影响，模型外围边界设置了消浪设施，试验采用的不规则波频谱为JONSWAP谱。港内波高采用DJ800型多功能波高采集系统进行数据采集、处理及分析。在波浪平稳条件下，不规则波每次采集180个以上的波浪进行统计分析，每组试验至少采集3次，取其平均值作为该组试验的结果。

表1 试验组合Tab.1 Schemes of test

3 试验方法

试验用设计波浪要素根据波浪整体数学模型试验确定，分别进行E、ESE、SE向波浪试验，模型设计采用ESE向作为正向［10］。共进行了原始地形条件等11个方案的试验，试验组合见表1。

方案1为原始地形条件下波要素试验，方案2～11主要是测试二期码头建成后港域内波高分布及码头泊稳情况。试验中，在模型范围内一共布置了52个波高测点，主要分布在码头、港内回旋水域、引桥、防波堤等处（图1），整体试验波要素见表2。

表2 整体试验特征点2 a一遇设计波浪要素Tab.2 Wave parameters of 2 years return period of the overallmodel test

4 试验结果与分析

4.1 不同工况港内泊稳条件分析

外海波浪传至工程区域，受到地形影响，E—SE向波浪均转向至SE—S向，并且在传播过程中受浅水变形影响，波高不断增大。现有防波堤对于E—S向波浪掩护作用不明显。港域内2 a一遇的泊稳波高较大，基本都在1.0m以上；由于工程区受外海涌浪影响明显，港内泊稳条件较差。

设计高水位时，方案2，一期码头的纵横梁及南北两侧的透空消浪板具有一定的消浪效果；方案3，一期码头北侧挡浪板封闭对北侧区域起到一定的消浪作用，但由于码头长度较短，码头两端波浪绕射明显，有效掩护区域较小；方案4，二期码头南北两侧消浪板开孔率小于一期，其消浪效果略优于一期，二期码头的建设可进一步减小北侧波高，且增大北侧掩护区域，可有效改善码头北侧的泊稳条件；方案5、6，码头北侧挡浪板封闭有一定消浪效果，但作用不明显。

设计低水位时，由于水位较低（+0.53m），消浪板底高程较高（一期为+1.5m、二期为0.0m），几乎没有消浪作用，因此，设计低水位情况下二期码头建设对于码头区域的泊稳波高无影响。

方案7，一、二期码头附近的泊稳波高和方案5几乎一样，即北侧挡浪板底高程的降低（一期降为0.0m、二期降为-1.0m），并不能有效减小码头北侧的泊稳波高。方案8防波堤延长后，对于E—ESE向波浪有很好的掩护作用，SE向波浪则变化不大，此方案泊稳条件最好，但在深水区延长防波堤造价较高。

方案9二期北侧底板进一步下降，但底板与泥面之间仍有约1m透浪空间，与方案7相比，二期北侧波高略有减小，但效果不明显。方案10在设计高、低水位情况下，码头北侧区域的泊稳条件均好于方案2～6。方案11一、二期码头北侧挡浪板均降至滩面，和方案10相比，一期码头北侧波高明显减小，但二期码头北侧波高并未明显减小，主要因为此时港域内的波高已经变为以口门的绕射为主。

综合方案2～11，方案10最优，但根据断面模型试验结果，消浪板封堵，会增大波浪对码头结构的垂直和水平作用力。方案10的北侧挡浪板采用板桩结构，埋入泥面一定深度，既可以增加整体码头在波浪作用下的稳定性，也可以防止封闭后可能产生的冲刷问题。由于工程海域自然条件复杂，泊位区掩护条件差，船舶吨位小，泊稳要求高，在潮位较低时，透射波浪很大，泊稳条件较差。

4.2 绕射波对港内波况的影响

港内绕射系数Kd的分布与防波堤及码头平面布置、入射波方向、水深等因素有关，尤其以来浪方向影响最大。

由于方案11码头北侧挡浪板高程下降到滩面，实际为直墙式结构，阻挡了波浪透射，港内波浪以绕射波为主。码头北侧一倍船宽测点29～30#，16～18#受反射等其他作用影响很小，主要测得的是绕射波高，可用实测有效波高与入射有效波高之比作为实测绕射系数Kd。下面阐述码头北侧一倍船宽绕射系数的沿程变化规律、波向与水深的影响及与规范推荐值的比较。

ESE向浪与码头前沿线夹角39°，SE向浪与码头前沿线夹角62°，分别绘制设计高、低水位的不同来浪方向码头北侧一倍船宽有效比波高对比图（图4）。从图4中可以看出，在ESE和SE向浪作用下，码头北侧一倍船宽有效比波高都在0.6以下；当水位不变时，与码头前沿线夹角小的ESE向浪作用下的绕射系数大于夹角大的SE向浪作用的绕射系数；在水平方向，距离码头西边沿越近，波向对绕射系数的影响越小，距离码头西边沿最近的测点的绕射系数受波向影响很小，在5%以内，说明试验条件下以东侧口门绕射为主；距离码头东侧边缘最近的测点由于波浪入射方向的原因，绕射系数最大，随着波向与码头前沿线夹角增大，距离码头西侧边缘最近的测点绕射系数开始大于码头北侧中间测点的绕射系数，码头北侧的绕射系数呈现出以码头中心线对称分布的趋势。《海港水文规范》（JTS145-2-2013）给出的岛式防波堤堤后不规则波绕射系数也绘制在图4中，从整体来看，试验得到的绕射系数与规范给出的规律一致，规范推荐值小于试验值，在靠近码头东侧开敞区域与来浪方向的的测点二者比较接近，离码头东侧开敞区域较远的测点规范推荐绕射系数小于试验值，可能是受到现场复杂的地形条件及码头西侧引桥影响，导致码头西侧波高大于理论计算值。

将设计高水位（d/Hs=4.89），设计低水位（d/Hs=3.24）的绕射系数进行对比，在来浪方向一定时，设计高水位绕射系数大于设计低水位的绕射系数，与理论计算值基本一致。

4.3 透射对港内波况的影响

当挡浪板底高程提高以及透空时，绕射影响的范围逐渐变小，仅在码头东西边缘处绕射较为明显，码头北侧区域的透浪特性成为主导影响因素。为了去除波浪绕射的作用，仅研究透射波浪对港内波况的影响，进行各种工况下一期、二期码头断面波浪物理模型试验，算得双挡板透空码头的透射系数，Kt=Ht/H，Ht为透射波高，H为入射波高。

Ursell［11］首先研究了无限水深的挡浪板透浪系数，给出了直立薄板的精确解；Wie⁃gel［12］假定透射能量等于薄板下的入射波能量，根据微幅波理论推导出有限水深情况下的近似解析解；Hayashi［13］推导出垂直圆桩防波堤波浪透射率计算公式；Kriebel和Boll⁃mann［14］按波能流守恒推导出了挡浪板的透浪系数；Neelamani S［15］就双挡板结构的波浪透浪与相对入水深度（t/d）、相对波长（L/d）、波陡（H/L）等主要物理因素的相互影响关系进行了研究。目前，对于透空双挡板桩基码头的透浪特性研究还较少。

图4 不同来浪方向码头北侧一倍船宽有效比波高Fig.4 Relative significant wave heights under waves of different directions

图5 透射系数与水深波高比d/H的关系曲线Fig.5 Relation of wave transmission coefficients and ratio of water depth and wave height（d/H）

图6 透浪系数与相对入水深度t/d的关系曲线Fig.6 Relation of wave transmission coefficients and relative depth of immersion（t/d）

试验时前挡板透空，前后挡板保持底高程一致，改变水位、挡浪板底高程及其透空情况，进行各波浪要素试验。图5为透射系数与水深波高比d/H的关系曲线，从图中可以看出，透浪系数受相对入水深度（t/d）的影响较大，在t/d=0时，透浪系数在0.9～1.0之间，受水深波高比d/H的影响很小；在t/d= 0.5时，透浪系数受水深波高比的影响较大，在水深波高比在3.0～6.0时，透浪系数随水深波高比的增大先稍微增大再逐渐减小，当d/H＞5.5时透浪系数随水深波高比的增大减小明显。图中也表明，相同情况下，挡浪板封闭能有效减小透浪系数。图6为透浪系数与相对入水深度t/d的关系曲线，可以看出，在挡浪板底高程一定时，调节水深使得相对入水深度变化，透浪系数随着相对入水深度的增大而减小。断面试验的结果与整体试验港内合成波的变化趋势相符，由于断面试验时建筑物后方波浪扩散很小，波能量损失较小，使得透浪系数在码头北侧基本不变，而整体试验无法单独模拟透射对港内波况的影响，且受到波浪扩散、地形变化影响。

4.4 反射对港内波况的影响

方案11码头北侧前沿的21～22#、4～6#测点的波高主要受到绕射与码头前沿波浪反射的作用，图7为方案11直立墙式挡板码头北侧有效比波高等值线分布图。从图中可以看出，在ESE向浪作用下的码头北侧前沿的有效比波高大于SE向浪的情况，且码头前沿波高大于半倍船宽及一倍船宽处波高，港域内波高最小的区域位于距离码头中心一倍船宽附近，这是由于波浪绕过码头在码头北侧前沿产生墙前立波，使得码头北侧前沿波高较大。

4.5 一种港内波高的简化计算方法

图7 直立墙式挡板码头北侧有效比波高等值线分布图Fig.7 Distribution of relative significant wave heights in the north of wharf

图8 设计高水位整体试验有效波高比与计算有效波高比对比Fig.8 Relative significant wave heights of the overallmodel test and calculated relative significant wave heights under designing high water level

通过对比方案4～9整体模型试验码头前沿到一倍船宽的有效比波高与断面模型试验的透浪系数，结果表明，SE，ESE向波浪作用下透浪系数变化并不明显，可近似认为港域内在SE，ESE向波浪作用下透浪系数相同；同时，方案4～9在设计低水位时整体模型试验的有效比波高与断面模型试验的透浪系数相差并不大，因此可以忽略绕射的影响，在设计高水位时，挡板入水深度较大方案7、9的整体模型试验的有效比波高与断面模型试验的透浪系数差别较大，不能忽略绕射的影响。

同时考虑透射与绕射的影响，根据《海港水文规范》，，两边除以有效波高H，得到，式中，K为计算点的有效波高比，Kt为计算点的透射系数，Kd为计算点的绕射系数。将断面试验透射系数结合规范直墙岛式防波堤绕射系数算得计算有效波高比，将其与整体模型试验的实测有效波高比进行对比，如图8所示为设计高水位时SE向波浪作用下一倍船宽处方案7、9的计算结果对比。结果表明，对于挡板入水深度较大、波浪绕射不能忽略的情况，结合透射与绕射算得的计算有效波高比与整体试验实测有效波高比更接近，误差在10%以内。

5 结论

本文采用波浪整体物理模型试验，结合断面物理模型试验，研究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，并给出了最优化方案。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、波浪反射对港内波况的影响，并提出了一种港内波高的简化计算方法，结论如下：

（1）设计高水位情况下，二期码头的建设，对码头北侧区域起到较好的掩护作用，可有效改善泊稳条件，码头北侧消浪板封堵有一定效果。设计低水位情况下，二期码头建设，北侧挡浪板需降至滩面，才能对码头北侧区域起到一定的掩护作用。综合而言，方案10最优，港内泊稳条件较好，且北侧挡浪板采用板桩结构，埋入泥面一定深度，既可以增加整体码头在波浪作用下的稳定性，也可以防止封闭后可能产生的冲刷问题。

（2）《海港水文规范》给出的岛式防波堤堤后不规则波绕射系数整体上小于本次试验值，在靠近码头东侧开敞区域的测点二者比较接近，离码头东侧开敞区域较远的测点规范推荐绕射系数比试验值小0.1～0.2之间，采用《海港水文规范》计算类似结构的绕射系数时需研究规范适应性问题，可以采用数值方法计算类似情况的绕射系数进行验证。

（3）断面试验研究表明，透浪系数受挡板相对入水深度的影响较大，透浪系数随着相对入水深度的增大而减小。相同情况下，挡浪板封闭能有效减小透浪系数，透射系数在港域内变化很小。

（4）波浪作用于直墙时，在码头背浪面产生的波浪反射作用下，码头前沿波高大于半倍船宽及一倍船宽处波高，港域内波高最小的区域位于距离码头中心一倍船宽附近。

（5）在透浪作用起主导作用时，可以采用透射系数近似有效波高比，由此根据断面试验的结果推算出整个港域的波高分布；当挡板相对入水深度较大、绕射系数不能忽略时，本文提出了将透射系数与绕射系数叠加计算有效比波高的方法，计算有效波高比与整体试验实测有效波高比更接近，误差在10%以内。

［1］邹志利.海岸动力学［M］.北京∶人民交通出版社，2009∶24-26.

［2］徐敏福，孙林云，潘洋.毛里塔尼亚友谊港工程堵口后整体泊稳试验研究［J］.水运工程，1986（5）∶1-9. XUm F，SUN L Y，PAN Y.Experimental study of berthing condition ofmauritania friendship port engineering after the taphole［J］. Port&Waterway Engineering，1986（5）∶1-9.

［3］Yu Yu xiu，Liu Shu xue.Three⁃dimensionalmodel test for port engineering withmulti⁃directional waves［J］.China Ocean Engineer⁃ing，1994（1）∶51-66.

［4］白静，王朝辉，刘海源，等.大型港区港内波浪条件分析研究［J］.水道港口，2010，31（5）∶429-432. BAI J，WANG C H，LIU H Y，et al.Analysis and study of wave condition in large port area［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（5）∶429-432.

［5］巩世杰，郑宝友，白玉川，等.不同沉箱结构形式防波堤对港内泊稳影响的试验研究［J］.水道港口，2012，33（5）∶375-579. GONG S J，ZHENG B Y，BAI Y C，et al.Impact on stability in harbor by different cassion structures［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（5）∶375-579.

［6］丁兆宽，宋荔钦.日照港石臼港区港内泊稳条件优化研究［J］.水运工程，2014（4）∶63-68. DING Z K，SONG L Q.Optimization of berthing stability for phaseⅣ&Ⅴterminal of Rizhao port［J］.Port&Waterway Engineer⁃ing，2014（4）∶63-68.

［7］刘针，栾英妮.大连港太平湾港区波浪物理模型研究［J］.水道港口，2014，35（2）∶130-134. LIU Z，LUAN Y N.Research on wave physicalmodel for Taiping bay of Dalian Port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2014，35（2）∶130-134.

［8］柳玉良，夏运强，张华昌，等.桩基挡板式防波堤内的泊稳状况研究［J］.水运工程，2013（8）∶86-91. LIU Y L，XIA Y Q，ZHANG H C，et al.Wave conditions behind breakwater through cylinder foundation［J］.Port&Waterway Engi⁃neering，2013（8）∶86-91.

［9］徐锟.浙江省嵊泗沈家湾客运码头防波堤工程波浪数值模拟专题研究［R］.上海∶中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2013.

［10］陈国平，杨越，严士常.沈家湾客运码头防波堤工程波浪整体物理模型试验报告［R］.南京∶河海大学，2013.

［11］Ursell F.The effect of a fixed vertical barrier on surface waves in deep water［J］.Mathematical Proceedings of the Cambridge Phil⁃osophical Society，1947（43）∶374-382.

［12］Wiegel R L.Transmission of waves past a rigid vertical thin barrier［J］.Journal of the Waterways and Harbors Division，ASCE，1960（86）∶1-12.

［13］Hayashi T，Hattorim，Kano T.Hydraulic research on closely spaced pile breakwaters［C］//The International Conference on Coast⁃al Engineering.Proceedings of the 10th Coastal Engineering Conference.Tokyo∶World Scientific Publication Co.Inc.，1966∶873-884.

［14］Kriebel D L，Bollmann C A.Wave transmission past vertical wave barriers［C］//The International Conference on Coastal Engineer⁃ing.Proceedings of the 25th Coastal Engineering Conference.Orlando∶World Scientific Publication Co.Inc.，1996∶2 470-2 483.

［15］Neelamani S，Vedagirim.Wave interaction with partially immersed twin vertical barriers［J］.Ocean Engineering，2002（29）∶215-238.

Experimental research of wave properties in double vertical barriers pile wharf harbors

XU Zhong⁃hou,CHEN Guo⁃ping,YIN Ya⁃jun,HUANG Lu,DONG Xiao⁃hong
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defenceministry of Education,College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

A three⁃dimensional physicalmodel test and a sectionalmodel test were set up combined with the second phase construction of a ferry terminal,which was designed to adopt double vertical barriers structure.The design wave parameters for the wharf structure and the breakwaters were obtained in a wave basin.Different schemes of the barrier of the wharf and the scheme of extending the breakwater were applied.Based on the results of the test,the wave heights distribution in different schemes was studied and analyzed to determine the optimal scheme.The influence of wave direction on wave diffraction was studied,along with the influence of the significant wave height ratio and the relative water depth on the wave transmission coefficient.It was also analyzed the influ⁃ence of wave reflection on the tranquility of the harbor.It is shown that wave heights are smallest near themiddle and one boat beam north of the wharf.A simplifiedmethod to calculate the wave height distribution is presented at last,which provides a scientific basic for the design and construction of the harbor.

double vertical barriers;wave height distribution;wave transmission;wave diffraction

TV 143；TV 139.2

A

1005-8443（2015）03-0197-07

2014-10-28；

2014-11-17

许忠厚（1990-），男，江苏省连云港人，硕士研究生，主要从事波浪与建筑物相互作用研究。

Biography：XU Zhong⁃hou（1990-），male，master student.