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岚山港区15#、16#泊位开孔式沉箱结构码头消浪效果试验研究

2015-11-09尚金瑞

中国水运 2015年8期

尚金瑞

摘 要:为有效减小港内直立沉箱码头结构波浪反射,改善港内泊稳条件,常采用开孔沉箱消浪结构型式。开孔沉箱结构型式多样,消浪效果也存在差异,本文对岚山港区南作业区15#、16#泊位开孔沉箱进行断面物理模型试验,研究论证各种工况下的开孔沉箱消浪效果,优化开孔沉箱码头设计,较好地解决了波浪反射问题,工程应用表明消浪效果良好。

关键词:码头结构 开孔沉箱 消浪

沉箱结构是港口工程中经常采用的形式,为有效减小港内直立沉箱码头结构波浪反射,改善港内泊稳条件,通常对沉箱开孔以消减波能。开孔沉箱结构在 20 世纪60 年代由Jarlan最早提出,多年来,国内外许多学者对开孔沉箱消浪效果进行研究, Tanimoto 等对开孔沉箱的反射率与主要影响因素作了范围较广的试验研究,绘出反射率与消浪室相对宽度关系;习和忠从能量的角度在理论上建立反射波高的计算公式;李玉成对波浪与开孔沉箱结构的相互作用开展了系统的研究工作,考虑了开孔率、消浪室相对宽度、顶板高程及波要素等多种综合因素对反射系数影响。

开孔沉箱结构型式多样,消浪效果也存在差异。本文对岚山港区南作业区15#、16#泊位开孔沉箱进行断面物理模型试验,研究论证各种工况下的开孔沉箱消浪效果,优化开孔沉箱码头设计,较好地解决了波浪反射问题,工程应用表明消浪效果良好。研究成果可为类似工程提供参考。

试验条件和方法

1、工程概况

岚山港区为半开敞式港区(见图1),南作业区15#、16#泊位位于西岸线,受ESE~S向波浪影响较大,在直立式岸壁码头前形成较大反射波,在狭窄港池内震荡叠加,影响船舶靠离泊和装卸作业,为此提出采用消浪结构码头型式,减小波浪反射,改善港池泊稳条件。

试验结果及分析

1、越浪量

本次试验沉箱结构为方案一~方案四,其中方案一~方案三为开孔沉箱,方案四为不开孔沉箱。设计高水位下4个方案的越浪量试验结果列于表2。

由表可见,对于本次试验的4个方案,在设计高水位,波高较大时的越浪量较大,由于沉箱开孔率及开孔方式不同,方案二和方案三的值相对较小;波高较小时越浪量都较小。方案一、方案二、方案三和方案四的最大越浪量分别为0.289m3/s/m、0.184m3/s/m、0.167m3/s/m和0.307m3/s/m。

2、反射系数

本次试验沉箱结构为方案一~方案四,其中方案一~方案三为开孔沉箱,方案四为不开孔沉箱。4个方案的波浪反射系数试验结果列于表2。

由试验结果可见,受到越浪及沉箱开孔高程的影响,水位对开孔沉箱结构的反射系数影响较大。在极端高水位和设计高水位时,水位较高,沉箱开孔位于水面以下,越浪对反射系数影响较大,由于极端高水位时越浪较大,反射系数通常小于设计高水位时的值;在平均水位和设计低水位,水位位于沉箱开孔附近,反射系数较小;对于不开孔沉箱方案四,反射系数主要受越浪影响,极端高水位时反射系数较小。

各方案在不同水位时的平均反射系数列于表3,平均反射系数比较见图4。

由图表可见:

方案一,极端高水位时,反射系数0.700~0.708,平均值0.704;设计高水位时,反射系数0.625~0.808,平均值0.750,在波高较大时,受越浪影响,反射系数较小;平均水位时,反射系数0.412~0.464,平均值0.438,反射系数较小,主要是该方案的开孔较高,水位上下都有开孔,并且波高较小(2年一遇);设计低水位时,反射系数0.585~0.624,平均值0.605,比平均水位时略大,主要是该工况时的波高、波长较大(50年一遇)。

方案二,极端高水位时,反射系数0.733~0.735,平均值0.734;设计高水位时,反射系数0.711~0.846,平均值0.805,在波高较大时,受越浪影响,反射系数较小;平均水位时,反射系数0.544~0.648,平均值0.596,反射系数较小,主要是该方案的开孔较高,并且波高较小(2年一遇);设计低水位时,反射系数0.724~0.729,平均值0.727,反射系数较大,主要是该方案上下开孔,而设计低水位位于上下开孔中间的实体部分。

方案三,下部开孔与方案一相同,但上部不开孔。极端高水位时,反射系数0.767~0.787,平均值0.777;设计高水位时,反射系数0.794~0.865,平均值0.838,在波高较大时,受越浪影响,反射系数较小;平均水位时,反射系数0.739~0.754,平均值0.747,反射系数较大,主要是该方案上部不开孔,水位位于开孔以上;设计低水位时,反射系数0.614~0.655,平均值0.657,比方案一略大,主要是该工况时的波高较大(50年一遇),波列中的大波可作用到开孔以上。

方案四,为不开孔沉箱。极端高水位时,受越浪影响,反射系数较小,在0.773~0.798,平均值0.786;在其他水位,反射系数相差不大,在0.857~0.926,平均值0.883,反射系数较大。

从反射系数试验结果可见,对于本次试验的4个方案,在极端高水位和设计高水位,反射系数相差不大,方案一消浪效果略好;在平均水位和设计低水位,方案一消浪效果较好。

结语

通过波浪断面物理模型试验对4个沉箱结构方案的消浪效果进行了比选,结果表明,受到越浪及沉箱开孔高程的影响,水位对开孔沉箱结构的反射系数影响较大,高水位时,受越浪影响,虽然反射系数有所减小,但开孔沉箱效果不明显;当水位位于沉箱开孔位置附近时(平均水位和设计低水位),开孔沉箱具有明显的消浪效果。对于本次试验的4个方案,方案一由于开孔范围较大,具有较好的消浪效果。

参考文献:

[1] Jarlan G E. A perforated vertical wall breakwater. The Dock and Harbour Authority 1961.41 (486):394-398.

[2] Tanimoto K,Yoshimoto Y.Theoretical and experiment study of reflection coefficient for wave dissipating caisson with a permeable front wall [J].Report of Port and Harbour Research institute,l 982,2 l(3):43-77.

[3] 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(6):11-16.

[4] 李玉成. 波浪与开孔沉箱结构相互作用的研究[G],第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集,北京:海洋出版社,2007:11-171.

[5]Urashima S,Ishizuka K.Kondo H.Energy Dissipation and Wave Force at Slotted wall[J].Proc.20th Coastal Eng Conf.,1986.III,ASCE:2344—2352.

[6]李玉成,刘洪杰,滕斌,等.开孔沉箱在斜向入射波作用下受力研究[J].海洋学报,2003(1):100—108.

(作者单位:日照港集团岚山港务有限公司)