港域波浪联合绕射、反射特性试验研究

吴月勇，陈国平，严士常，周 雅，王 聪

港域波浪联合绕射、反射特性试验研究

吴月勇1，陈国平1，严士常1，周 雅2，王 聪1

(1.河海大学 港口海岸及近海工程学院 海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京 210098；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

针对港域波浪在绕射、反射联合作用下波况复杂的特点，基于港口波浪整体物理模型试验，对不规则波作用下港域内波高扰动系数的分布规律进行研究。研究表明：在波浪绕射作用或波浪反射作用占主导地位的掩护区域，多向不规则波的扰动系数与谱峰周期正相关，且周期相差越大，扰动系数相差越大。在波浪反射占主导地位的波浪绕射联合作用下，单向不规则波的扰动系数随谱峰周期的变化无明显规律性关系，且波浪反射对波向十分敏感。在存在原有建筑物反射的物理模型试验中，需要将模型边界反射模拟准确，否则可能造成试验失败；数学模型亦然，对相关建筑物需选取合适的反射系数。研究结果对后续的港口工程建设有重要的借鉴意义。

物理模型；不规则波；反射；绕射；扰动系数；谱峰周期

天然海浪的多向性、不规则性对于海浪预报、海浪的折射、绕射、泥沙运动和污染控制等都有明显的影响。实际的海浪是多向的不规则波浪，海浪的能量不仅分布在一定的频率范围内，而且分布在相当宽的方向范围内，国内外早年提出的波浪绕射、折射的理论见解大都只限于规则波，模型试验也多采用规则波或单向不规则波，与工程实际偏差较大，因此研究波浪的折射和绕射等必须考虑到波浪方向分布的影响。目前，国内外众多学者都已对多向不规则波的传播变形进行研究并取得了一定进展，其中张黎邦[1]、柳淑学[2]，李孟国[3]、刘思[4]等通过数学模型试验，模拟了多向不规则波的传播，并分析了其绕射、折射特性；刘针[5]、白静[6]、陈哲准[7]通过数学模型与物理模型相结合的方式研究港口波况的影响因素，但是刘针主要研究的是港口自振周期和波浪要素周期的关系，白静和陈哲准则主要考虑不同工程方案对港内波高分布的影响，并未考虑波浪要素本身特性如周期、波向、波的类型对波高分布的影响。此外俞聿修[8]等通过港口波浪整体物理模型试验，研究了不规则波对港内比波高的影响规律，得出了在防波堤的掩护区域内多向波的绕射性能较单向波要好，在开敞水域则相反的结论，但是其所采用的模型为基本上没有模型边界反射的纯绕射模型，且并未分析不规则波的绕射随波向、周期的变化规律。

综合上述前人研究的不足之处，本文基于某大型港区的波浪整体物理模型试验，按照测点所在位置的不同，分析了在绕射作用主导下和波浪反射主导作用下，单向、多向不规则波的港内波高随波向、谱峰周期的变化规律。此外，本文还对模型内建筑物的反射系数的改变对港域波高分布的影响做了深入研究。由于本次试验的港内波高是由波浪绕射、折射联合作用下的实测结果，与一般数学模型相比更具工程实用价值。

1 试验概况

1.1物理模型简介

本次试验为某港港口平面布置与波浪扰动整体物理模型试验，模型设计为正态、定床，模型并按重力相似准则进行布置。考虑场地、波浪条件、试验要求等因素，本次试验采用1：80的模型比尺。地形制作按照中交第四航务工程勘察设计院提供的工程平面布置图进行地形制作，地形、防波堤等按照断面板模拟法进行制作，码头采用灰塑板制作。港池边界布置有上下三层消浪栅，能较好地减少波浪反射。试验在浙江大学海洋学院的40 m×70 m×1.8 m波浪港池中进行，港池中装有珠江水利科学研究院制造的L型造波机，造波机尺寸为34 m×56 m，波高数据采用LG1型电容式浪高水位传感器采集，测量精度可达0.3 mm。

试验波浪采用单向和多向不规则波，多向波规则波方向谱函数S(f，β)可以表示为频谱S(f)和方向分布函数G(f,β)的乘积

S(f，β)=S(f)G(f,β)

图1 模型布置图Fig.1 Model layout

式中：G(f,β)采用经验分布：G(f,β)=Acos2n(θ-θ0),其中n为方向分布参数，n越小代表波浪能量的方向分布宽度就越宽，波浪多向性越强，本次试验n取为4，θ0为入射波浪的主方向。试验中频率谱均为标准JONSWAP谱，谱峰升高因子γ=3.3 。

表1 试验波浪要素表

本次试验所用的波高指的是Hm0，其通过波谱分析得到。模型布置见图1。模型中共布置测点47个，C1～C6测点为航道区域测点；S1测点为波浪率定的控制点，该点波要素作为计算港内比波高的计算点；S2～S6测点为东段防波堤后测点，W1～W3测点为西段防波堤后测点，T1～T5测点为港域中心测点，B1～B27测点为泊位前垂直于码头布置的9排测点。

为了更好的分析试验，本次试验中防波堤内均插有不透水板，故不考虑堤内透射，且由于试验比尺较小，波高较小，开挖水域深度也较小，因此影响港域内波况的因素主要为波浪绕射和波浪反射，波浪折射相对影响较小。本文所指的波高均是在波浪绕射、反射联合作用下的波高，将港域内测点波高与原始外海(S1点)波高的比值定义为扰动系数，下文不再赘述。

1.2波浪要素

本次试验采用的波浪要素为丹麦DHI公司通过其自主开发的Mike 21 SW模块计算得到。表1为本次试验的控制点(S1)的波浪要素表。值得注意的是，在多向不规则波中，组次1所代表的波浪为风浪，组次2～5则为涌浪，这是由于工程地虽以涌浪为主，但是偶然情况下也会出现小周期的风浪。本次试验中采用JONSWAP谱来进行模拟波浪，JONSWAP谱是一个典型的风浪谱。针对谱型的影响，DHI进行过相关研究，研究表明：用谱峰升高因子为γ为3.3的JONSWAP谱也可以用来描述涌浪，且γ值对波浪扰动影响较小。

2 港域波浪扰动系数分布特点

本节主要是研究在工况一下港域波高扰动系数随波向(D)、周期(Tp)的变化规律。

2.1航道区域

图2 单向不规则波，航道区域波浪扰动系数 图3 多向不规则波，航道区域波浪扰动系数Fig.2 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of channel area Fig.3 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of channel area

图2、图3给出了不规则波作用下，航道区域的波浪扰动系数随波向D、谱峰周期Tp的变化关系。由图2、图3可见，单向不规则波当波向相同时，Tp为15 s的扰动系数几乎与Tp为18 s的相同；多向不规则波当主波向相同时，呈现出扰动系数随着Tp的增大而增大的规律。这是由于多向波的方向分布较宽，该区域波浪绕射作用占主导地位，Tp越大，波浪绕射作用越强；而单向波在反射、绕射作用下波况复杂，绕射系数对Tp的敏感性较弱。

当Tp相同时，不同波向的单向波的扰动系数相差较大，这是由于航道区域测点靠近防波堤堤头部位，在175°波向下，老防波堤的反射对航道区域波浪的影响较165°的要大，因此波高对方向较为敏感。相应的多向波对波向的敏感性较差，这也是其方向分布宽度较宽，受老堤反射影响较小的缘故。

2.2防波堤后侧

图4 单向不规则波，防波堤后侧波浪扰动系数 图5 多向不规则波，防波堤后侧波浪扰动系数Fig.4 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of breakwater rear side Fig.5 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of breakwater rear side

图4、图5给出的是防波堤后侧测点扰动系数随波向D、周期Tp的变化趋势图。由图可知，当主波向相同时，多向不规则波作用下的防波堤后侧的扰动系数呈现出随着Tp的增大而增大的规律，且周期相差越大，扰动系数相差越大；单向不规则波在主波向相同时，防波堤后侧的扰动系数随Tp的点据则较为散乱，基本上难以看出规律，这一规律与航道区域相类似。

防波堤后侧测点受防波堤的掩护作用较好，波浪受外海波浪绕射影响较小，此时波高主要由老防波堤的反射作用产生。这说明了在反射作用占主导的波浪绕射联合作用下，多向不规则波对周期的变化的规律性较单向不规则波明显。

2.3港域中心

图6 单向不规则波，港域中心波浪扰动系数 图7 多向不规则波，港域中心波浪扰动系数Fig.6 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient of harbor center Fig.7 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient of harbor center

图6、图7给出的是港域中心测点的波浪扰动系数随波向D与周期Tp的变化关系，港域内测点受防波堤掩护效果良好，波浪主要由老防波堤的反射和外海波浪绕射产生，由于防波堤的良好的掩护作用，波浪绕射所占的比例较小，此处波浪由反射作用占主导。与航道区域和防波堤后侧区域规律类似，单向不规则波的扰动系数与波向与Tp的规律性较差。多向不规则波基本上呈现出当主波向相同时，扰动系数随着谱峰周期Tp的增大而增大的规律。这说明在波浪反射主导作用下，多向不规则波对周期的变化的规律性较单向不规则波明显。

此外，对于单向不规则波，在相同的Tp下，不同的波向的扰动系数相差较大，这也是由于不同的波向导致老防波堤的反射作用相差较大所致。

2.4泊位前

图8 单向不规则波，泊位前波浪扰动系数 图9 多向不规则波，泊位前波浪扰动系数Fig.8 Unidirectional irregular wave,wave disturbance coefficient before berth Fig.9 Muti-directional irregular wave,wave disturbance coefficient before berth

观察图8可知，单向不规则波在波向相同时，看不出扰动系数随Tp的变化关系。这是由于泊位前测点受防波堤掩护效果较好，波浪主要由老堤反射作用占据主导所致，扰动系数与Tp的点据较为散乱。然而，由图9可知，多向不规则波有当主波向相同时，波浪扰动系数随着周期的增大而增大的规律，且周期相差越大，扰动系数相差越大，这一点与航道区域、防波堤后侧，港域中心的规律相类似，这也佐证了前面的结论。

3 老防波堤反射影响分析

试验中明显的发现老防波堤的反射波纹基本上平行于码头轴线向港域内传播，老堤的反射对港域波高分布的影响较大。因此有必要针对老堤的反射对港域波高的分布的影响作更加深入的研究。本节新增工况二、工况三，工况二为将老防波堤的肘部半边部分改为直立式防波堤；工况三为将老防波堤的肘部半边区域朝港域方向挪动60 m，到达-3 m等深线处。下文以“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”分别代替工况一、二、三。本节所用的试验波要素仅为多向不规则波，对应于表1中的组次编号2～5。

3.1航道区域

图10 Tp=15 s，航道区域波浪扰动系数 图11 Tp=18 s，航道区域波浪扰动系数Fig.10 Tp = 15 s, wave disturbance coefficient of channel area Fig.11 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of channel area

由图10、图11可知，比较航道区域的扰动系数在“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”3种工况下基本上没有什么变化，这是由于多向波的方向分布宽度较宽，老防波堤的反射对航道区域的影响较小的缘故，航道区域测点的波浪主要由波浪绕射产生。

3.2防波堤后侧

图12 Tp=15 s，防波堤后侧波浪扰动系数 图13 Tp=18 s，防波堤后侧波浪扰动系数Fig.12 Tp =15 s, wave disturbance coefficient of breakwater rear side Fig.13 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of breakwater rear side

对比分析图12、图13可知，在主波向D、周期Tp均相同时，防波堤后侧的扰动系数在“挪堤前”、“直立堤”、“挪堤后”3种工况下基本上呈现出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的规律。这是由于防波堤后方测点受防波堤掩护效果较好，波浪绕射作用与老防波堤的反射作用相比并不占主导地位，此处波浪受主要老堤反射作用。显而易见的是，“直立堤”的反射系数最大，基本上可达1.0；“挪堤后”由于防波堤更靠近港域且波浪破碎更少，故而反射系数其次；“挪堤前”由于波浪破碎且离港域较远，反射系数最小。反射系数越大则意味着波浪反射作用越强，对于反射作用占主导的测点，反射作用越强，波高越大，扰动系数则越大。

3.3港域中心

图14 Tp=15 s，港域中心波浪扰动系数 图15 Tp=18 s，港域中心波浪扰动系数Fig.14 Tp=15 s, wave disturbance coefficient of harbor center Fig.15 Tp=18 s, wave disturbance coefficient of harbor center

由图14、图15可知，同防波堤后侧的规律相类似，在主波向D、周期Tp均相同时，防波堤后侧的扰动系数也呈现出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的规律，与防波堤后侧测点所不同的是，港域中心测点在“直立堤”工况下的扰动系数远大于其他两种工况，这是由于港域中心测点离老防波堤更近，受老防波堤的反射作用更加强烈。“直立堤”下的波浪反射剧烈，导致该区域测点波高急剧增大。

3.4泊位前

图16 Tp=15 s，泊位前波浪扰动系数 图17 Tp=18 s，泊位前波浪扰动系数Fig.16 Tp=15 s, wave disturbance coefficient before berth Fig.17 Tp=18 s, wave disturbance coefficient before berth

同港域中心测点类似，图16、图17显示在相同的主波向D、周期Tp下，防波堤后侧的扰动系数明显的呈现出“直立堤”>“挪堤后”>“挪堤前”的规律，且在“直立堤”工况下的扰动系数远大于其他两种工况，最大甚至达到了0.59。对于港域泊稳来说，如此高的扰动系数是明显不能满足要求的，这说明了在物理模型试验中，尤其是存在原有建筑物反射的模型，需要对相关建筑物的反射特别注意，尽可能的将其模拟准确，因为这些建筑物的反射系数的改变可能引起港域波高剧变，数学模型亦然，对相关建筑物需根据实际情况选取合适的反射系数。

此外，泊位前的测点基本上呈现着离泊位外侧越远，扰动系数越小的规律，这也是因为距离泊位外侧越远，受老防波堤的反射作用越弱。

4 结论

本文采用港口整体波浪整体物理模型试验，研究了在波浪绕射、反射、折射联合作用下，不规则波对港域波高扰动的影响，对比分析了不同周期，不同主波向下，多向波与单向波的扰动系数，得出如下结论：

(1)在波浪绕射作用占主导地位抑或波浪反射作用占主导地位的掩护区域，多向不规则波的扰动系数均随着谱峰周期的增大而增大，且周期相差越大，扰动系数相差越大。

(2)在波浪反射占主导地位的波浪绕射联合作用下，单向不规则波的扰动系数随谱峰周期的变化无明显规律性关系，且波浪反射对波向十分敏感。

(3)在物理模型试验中，尤其是存在原有建筑物反射的模型，需要对相关建筑物的反射特别注意，尽可能的将其模拟准确否则可能引起港域波高剧变，造成试验失败，数学模型亦然，对相关建筑物需根据实际情况选取合适的反射系数。

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Experimental study on combined diffraction-reflection characteristics of harbor wave

WUYue-yong1,CHENGuo-ping1,YANShi-chang1,ZHOUYa2,WANGCong1

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,CollegeofCoastal,HarborandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

Aiming at the complex characteristics of harbor waves in the combination of diffraction and reflection, based on the overall physical model test of the port, the distribution law of the wave height disturbance coefficient in the harbor area under the action of the irregular wave was studied. The results show that the disturbance coefficients of the multi-directional irregular waves are positively correlated with the peak period in the coverage area where the wave diffraction or wave reflection are dominant, and the larger the difference of the period, the larger the difference of the disturbance coefficient. Under the combined effect of wave-induced wave diffraction, the disturbance coefficient of unidirectional irregular wave has no obvious relationship with the change of spectrum peak period, and wave reflection is very sensitive to wave direction. In the physical model test of the reflection of the existing building, it is necessary to simulate the model boundary reflection accurately, otherwise it may result in test failure. Numerical model is the same, the relevant buildings need to be selected the appropriate reflection coefficient. The results of the study have important reference significance for the following port project construction.

physical model; irregular wave; wave reflection; wave diffraction; disturbance coefficient; spectrum-peak period

TV 139.2

：A

：1005-8443(2017)04-0330-07

2017-03-10；

：2017-05-05

吴月勇(1992-)，男，江苏南京人，硕士研究生，主要从事波浪与建筑物相互作用研究。

Biography：WU Yue-yong(1992-),male,master student.