波浪整体物理模型试验在港口工程建设中的应用

摘 要：数学模型试验、断面物理模型试验在港口工程建设中应用广泛但都有一定的局限性。波浪整体物理模型试验能够直接验证港口工程相关构筑物的稳定性，直观地展现越浪量、波浪爬高及波浪打击范围，对于完善和优化工程结构设计、保障结构安全起到十分重要的作用。文章以某工程为例，简要分析波浪整体物理模型试验在港口工程建设中的应用。

关键词：数学模型 断面物理模型 整体物理模型 港口工程试验

港口工程开发建设及外海防护性工程是一项在技术上十分复杂的工程，尤其波浪动力作用方面仍有许多问题未能很好解决。以往港口开发建设及防护性工程大多位于浅水地区或建设的岸线规则，不可预见因素少，加上投资规模较小，因此较少采用整体物模试验进行设计验证。近年来相关工程有逐渐向外海深水发展的趋势，投资规模逐渐扩大——尤其是景观性填海护岸工程的兴起，此类工程往往岸线曲折多变，潮流产生的沿岸流经折射、衍射等多重作用，使工程面对的环境更加恶劣和复杂。

近四、五年，随着填海护岸项目的增多，水运行业积累了很多相关的设计和施工经验，工程技术人员对于整体物模试验在护岸工程结构设计方面重要性的认识水平也在不断提高。相关规范规定：防波堤结构应进行波浪模型试验验证，但并未明确是进行数学模型（以下简称数模）、断面物理模型还是整体物理模型试验，因此在执行中往往还结合设计单位的意见去执行。

1.三种波浪模型试验的对比分析

在项目的开发建设过程中，数学模型是运用数理逻辑方法和数学语言建构的科学或工程模型，随着计算机科学的发展，相关软件就可以完成该项工作，一般是用数模进行工程区域的波浪、潮流及泥沙推算。断面物理模型是将各分段设计方案按模型比例在水槽中试验，了解各分段护岸在波浪作用下的稳定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打击范围，以便合理确定护岸各控制点高程及尺度、护面块体及护底规格，为设计提供科学依据。整体物理模型试验除了具有断面物理模型试验的特点外，还能测试波浪转角处（波浪凸凹转角处形成波能集中区，影响护岸的稳定性）及斜向波浪及本项目与已建的附近其它工程相接段护面块体的稳定性。

在技术方面：数模与整体物理模型均是对整个建设项目的模拟，但数模对细微的局部影响无法监测和测量；断面物理模型与整体物理模型均是对工程的实际模拟，但断面模型无法试验出凸凹转角处、工程衔接点、斜向浪冲击等特殊段、特殊环境的波浪影响作用。因此，整体物理模型试验能直观、最面地展现波浪对整个项目区域的影响及项目建设后的安全性和稳定性。

在经济方面：数模投入的人力、物力和资金一般较少，对场地没有限制；断面物理模型的投入居中，对场地的要求一般；整体物理模型的投入较大，对场地要求严格，据不完全统计，目前我国仅有少数几家科研机构可以完成大型的整体物理模型试验。

2.三种模型试验在某项目中的应用

某项目位于大连市南部海岸的西段，凌水湾内，岸线自然弯曲，平均走向为东偏北约45°。其东部水深变化较缓，西部水深变化较大，由于敞海，风浪较大，直接受外海波浪影响。项目由两个工程组成，均为填海造地项目。项目周边在近5年内均各有一个填海造地项目、“豆腐坨”小岛夹在已建项目与本项目之间、项目外侧还有四个小岛对本项目形成“拱卫”。

2.1 数模试验在工可研阶段的应用

由于大连对南部海域的开发加之项目周边填海造地工程的建设，致使项目周边波浪和环境发生了较大变化。实验机构通过数模试验，确定拟建护岸的设计波浪要素，为护岸水工结构可行性研究及施工图设计提供科学、合理的设计依据；在极端高水位、设计高水位和设计低水位，采用不规则波，进行波浪推算，给出拟建水工建筑物前不同重现期（50年、25年、10年、5年、2年一遇）设计波浪要素。试验时采用丹麦水力研究所（DHI Water & Environment）开发的MIKE21软件中的SW（Spectral Wave FM）模型来推算工程区域的设计波浪要素。SW模型可考虑波浪绕射、浅水变形、局部风成浪、海底摩擦和波浪破碎的影响。

除上述设计参数外，从数模试验结果来看，整体泥沙冲淤变化较小，最大年冲淤量不到1cm；河道内整体呈淤积状态，但淤积量很小，年冲淤量不到1.0cm。能满足国家相关规定及项目投入使用后的需要。

2.2断面物理模型试验在工可研与方案设计中的应用

设计单位根据数模提供的参数及计算的结果，设计出了不同的断面形式。断面形式在进行经济比对的同时，还需要进行技术比对。通过多方案比选基本确定护岸结构、型式及布置；通过断面物模试验，了解各分段护岸在波浪作用下的稳定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打击范围，合理确定护岸各控制点高程及尺度、护面块体及护底规格，从而为设计提供科学依据。在保证安全与稳定的前提下，确定经济指标与技术指标的最优方案。

试验单位根据设计院设计的简单方案，布置断面模型，在水槽中模拟波浪冲击，对各种参数进行试验；对试验的结果调整设计方案，再由设计方案调整试验参数与模型形式……如此往复，同时参考景观设计单位的意见，确定最优方案。

2.3 整体物理模型试验在施工图设计中的应用

确定好各断面及相应长度，并进行相关的专家技术评审、政府手续评审后，设计单位进行施工图设计。依据设计好的施工图进行整体物理模型试验。试验时，除按“重力相似准则”进行相似模拟外，还要按照整体物理模型试验技术要求、平面距离、水下地形条件及波浪传播特征、试验设备条件等因素确定，最终本项目选择的模型比例是1：40。由于模型试验采用的是淡水，而实际工程中为海水，受淡水与海水密度差异的影响，试验中考虑ρ海水=1.025ρ淡水来控制模型块体重量。最终按照设计要求布置水工结构物。

同时要进行波浪要素率定，达到试验波浪要素满足目标值的要求。不规则波采用频谱模拟，将给定的有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求。每组波浪要素的波列都保持波个数在100以上。根据试验要求，针对不同浪向，在各个水位依据给定的波浪要素进行率定。试验时，依据率定好的造波信号进行造波。通过造波板前的水位传感器，实时监测水面变化，保证入射波的准确性。

试验过程中在极端高水位和设计高水位，测定护岸的波浪爬高、护岸顶高程和后方场地设计高程处越浪量以波浪打击范围；在不同水位50年一遇各向波浪作用下，验证斜坡式护岸胸墙、护面块体、垫层块石、护底块石的稳定性；验证（半）直立式护岸整体抗倾抗滑、胸墙、护面块体、垫层块石以及护底块石的稳定性；通过模型试验，对胸墙和后方程场地高程进行优化；提出护面块体、垫层块石和护底块石的稳定性需要优化的斷面位置。

试验验证后发现，项目内河道区域波浪虽然发生叠加、折射、衍射等多重作用，但比设计参数要求要降低很多。设计院根据试验结果进行了设计优化，将优化后的设计成果再次进行试验，试验结果满足规范及相关规定要求。经一系列试验优化，整体节省投资两千多万元。在与试验单位的交流当中，也有很多项目因试验数据不满足相关规范的要求，为了确保工程结构安全，设计单位在局部进行加强，提高了项目投资和工程造价。

3.综述

波浪整体物理模型试验，能在项目设计阶段模拟出项目建成后受风浪、潮汐等多重作用的影响，进一步验证了相关设计参数与技术指标，在满足国家相关规范及要求的基础上对设计成果进行优化，确保工程建成后能满足安全及使用需要。因此，整体物模试验对于港口工程建设项目完善和优化结构设计、保障结构安全是十分必要的。

参考文献：

[1] JTS154-1-2011，《防波堤设计与施工规范》[S]中华人民共和国交通运输部；

[2]陈世清.经济学的形而上学.北京：中国时代经济出版社，2011.2；

[3] 严金龙，《填海护岸工程施工期的环境效应问题研究》[J]资源节约与环保，2013.04：61-62页。endprint