青岛港邮轮码头工程波浪条件模拟研究

栾英妮，陈汉宝，刘海源，张慈珩

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

青岛港邮轮码头设计可停靠目前世界上最大的邮轮——海洋绿洲号，作为客运码头，邮轮码头对船舶停靠时游客的舒适性有一定的要求。研究邮轮母港内波浪条件时，既需要考虑波浪作用下码头的设计波浪要素以保证码头结构的安全性，又需考虑码头前波高是否满足船舶靠泊及泊稳的允许波高以满足游客的舒适性。邹一波[1]对邮轮码头透空式上部结构进行了研究，采用透空式上部结构，可以减少码头的作用力、减少码头上水、降低码头面高度；许婷[2]对天津港国际邮轮码头工程通过数模模型计算了港内的流场和泥沙淤积情况。本文采用数值模拟的手段对青岛港邮轮母港内风成浪及码头前波浪进行精细化模拟，并分析了其泊稳条件。

1 工程简介

青岛港邮轮码头工程位于青岛港老港区口门南侧水域，拟新建15万t级邮轮泊位1个[3-4]，码头轴线方位为45°～225°，距中港池西北侧防波堤95 m，码头岸线总长490 m。工程位置见图1，工程平面布置见图2。

图1 工程位置示意图Fig.1 Location of project

胶州湾内波浪主要为湾内小风区波浪及外海波浪经湾口的传播进入。拟建工程位置处波浪掩护条件良好，外海波浪很难影响到工程所在的位置，码头处主要影响波浪为港湾内风成浪。设计方案中北侧防波堤长度为500 m，考虑到航道北侧防波堤对新建邮轮码头的掩护作用，优化方案一将北侧防波堤长度延长至900 m，优化方案二将北侧防波堤延长至1 300 m。

本文通过计算结果给出码头处的设计波浪要素，并根据码头前波高结果分析不同长度防波堤对邮轮码头的掩护效果及码头因波浪作用损失的作业天数的统计。计算水位共3个(当地理论基准面)：极端高水位为+5.43 m，设计高水位为+4.34 m，设计低水位为+0.37 m。

图2 工程平面布置图Fig.2 Layout of project

2 风成浪模拟方法与成果

2.1 模拟方法

工程位于胶州湾内，受到南部岬角的掩护，拟建工程处外海传入波浪影响较小，主要为湾内风成浪，因此采用设计方提供的团岛不同重现期风速结果(表1)，通过风成浪模型进行计算。该区域夏季多南风及东南风，冬季多北风及西北风，主要计算方向为NW向、WNW向、W向和WSW向，计算重现期为50 a和2 a。

湾内风成浪采用规范公式进行计算[5]，首先对风速进行高度、陆海订正，风区长度考虑建筑物、岛屿和陆域的影响，取合适的步长，使得每步的水深变化小于0.2 m，分步计算风浪的成长变化。风浪波高计算采用下式

(1)

(2)

式中：U为风速,m/s,按表1选取；g为重力加速度,m/s2；Hs为有效波波高,m；Ts为有效波周期,s；F为风区长度, m;d为水深, m。

表1 团岛不同重现期风速Tab.1 Wind speed in different return periods m/s

2.2 计算结果

从计算结果知，工程区处WNW向风成浪最大，其次是NW向浪。北侧防波堤堤头处(A点)的波浪要素结果见表2，作为港内小范围波浪数学模型边界处波浪条件的率定点(A点位置见图2)，而后计算工程设计波浪条件及不同方案码头泊稳条件[6-7]。

表2 北侧防波堤堤头处(A点)风成浪波浪要素结果Tab.2 Wave conditions at Point A

3 港内波浪模拟方法与成果

3.1 模拟方法

利用风成浪模型计算得到的A点处的波浪条件，针对不同方案计算工程建设后港内的波况。小范围波浪计算采用丹麦DHI开发的MIKE21软件中的BW模块[8-9]。

BW模块所采用的Boussinesq方程为水深积分平面二维短波方程，该方程已经过多年的验证和比较，能够较好地模拟波浪的折射、绕射、反射和浅水变形等各种波浪变形特性，并且具有较高的模拟精度，基本方程为

St+Px+Qy=0

(3)

(4)

(5)

其中

式中：P、Q为x、y方向流速沿水深的积分;h为静水深;S为波面高度;d为总水深;B为深水修正系数，可取为1/15;脚标(*t、*x、*y)表示物理量(*)对时间、 方向x和方向y的偏导数。

3.2 计算结果

3.2.1 护岸及码头前设计波要素

在计算护岸及码头的设计波浪要素时，考虑了码头未建设时，航道和港池开挖以及北侧防波堤长度为500 m的情况。其中#1和#5分别位于拟建的南、北护岸，#2～#4点位于拟建的码头泊位(图3)。极端高水位重现期50 a波浪作用下，码头和护岸处的H1%和H13%结果见表3。

图3 计算点位置示意图Fig.3 Location of extraction points

位置测点NWH1%H13%WNWH1%H13%WH1%H13%WSWH1%H13%护岸#12.671.873.152.233.422.442.321.61#52.421.683.362.372.932.052.021.39码头#23.112.133.642.503.482.392.331.58#33.032.073.452.373.182.182.561.74#42.831.933.512.413.132.142.571.75

3.2.2 码头前沿波高分布

计算邮轮码头建设后，北侧防波堤长度为500 m(原设计方案)、900 m(优化方案一)和1 300 m(优化方案二)情况下，设计高水位重现期50 a和2 a波浪作用下，码头前沿的波高分布情况，计算结果见表4和表5。

表4 不同计算方案设计高水位重现期50 a各计算点H13%波高Tab.4 The significant wave height in design high water level (50 a return period) m

表5 不同计算方案设计高水位重现期2 a各计算点H4%波高Tab.5 The H4% in desigh high water level (2 a return period) m

通过对各方案结果分析知：(1)北侧防波堤的堤长对邮轮码头泊位的主要掩护浪向为NW向，对于WNW、W和WSW的来浪掩护效果不明显。NW向浪作用下，优化方案一和优化方案二时邮轮码头泊位处的波高较设计方案分别减小20%和54%，其余三个浪向各方案中波高相差不大；(2)邮轮码头为直立式沉箱结构，对波浪的反射作用较大，特别是NW、WNW和W向波浪作用时，波向与码头形成一定夹角，设计方案时码头前比波高可达1.6，波高较大。

4 码头作业条件分析

针对北侧防波堤长度分别为500 m、900 m和1 300 m的情况，依据设计高水位重现期2 a波浪作用下邮轮泊位处(#2、#3、#4点)的H4%计算结果(表5)和A点的波要素(表2)，反算泊位处满足泊稳条件波高时A点处对应的波高值，再依据由工程区风的年分频分级情况推算得到码头前沿的NW、WNW、W和WSW向波浪分频分级结果(表6)，对邮轮码头在这4个方向的波浪年损失作业天数进行统计分析。

该邮轮码头泊稳标准由设计方提供，其泊稳标准为：横浪H4%≤1.0 m，顺浪H4%≤1.2 m。

表6 码头前沿NW、WNW、W和WSW向H4%年波浪分频分级Tab.6 The occurrence percentage of H4% in NW，WNW，W and WSW direction (%)

计算结果为，设计方案、优化方案一和优化方案二的年损失作业天数分别为22 d，15 d和3 d。

5 主要结论

青岛港邮轮码头工程位于胶州湾内，主要受海湾内小风区风成浪影响，因此根据工程附近团岛测站不同重现期风速结果，采用风成浪计算方法推算工程北侧防波堤堤头处波浪条件，进而采用MIKE21的Boussineq模型计算工程泊位处设计波浪条件，并分析了泊稳条件，得到以下结论：

(1)拟建邮轮泊位和护岸设计波浪要素的主要控制浪向为WNW向。极端高水位重现期50 aH13%为2.50 m；

(2)考虑邮轮码头建设后，北侧防波堤的堤长对泊位的掩护作用主要浪向为NW向，对于WNW、W和WSW向来浪的掩护效果不明显；

(3)邮轮码头建设后，北侧防波堤长度分别为500 m、900 m和1 300 m时，在设计高水位重现期2 a波浪条件下，NW～WSW4个方向波浪作用时泊位处波高均不能满足泊稳要求，年作业损失作业天数分别为22 d、15 d和3 d；

(4)影响码头作业天数的主要浪向为NW向，只有当北侧防波堤长度为1 300 m时才能使年波浪损失作业天数有所减少，但此时防波堤长度的增加会使工程的造价大幅提升。因此，建议在本研究成果的基础上，进行技术经济比较来确定北防波堤的长度。

[1] 邹一波.青岛港邮轮码头透空式上部结构设计与研究[J].中国港湾建设,2016(6):25-28.

ZOU Y B. Design and study on permeable superstructure of cruise wharf in Qingdao Port[J].China Harbour Engineering,2016(6):25-28.

[2] 许婷.天津港国际邮轮码头工程泥沙数模试验研究[J].水道港口,2008(2):100-105.

XU T. Study on sediment for international mail steamer terminal project of Tianjin Port[J].Journal of Waterway and Harbor,2008(2):100-105.

[3] 刘海源,张慈珩.青岛港老港区邮轮码头工程码头泊稳数学模型研究报告[R]. 天津:交通部天津水运工程科学研究所，2012.

[4] 栾英妮,刘海源.青岛港老港区邮轮码头工程断面波浪物理模型试验研究报告[R]. 天津:交通部天津水运工程科学研究所，2012.

[5] JTS 145-2015,港口与航道水文规范[S].

[6] 栾英妮,张慈珩,刘针.海南龙栖湾岸滩整治工程波浪数学模型研究[J].水道港口，2015(6):510-514.

LUAN Y N,ZHANG C H,LIU Z. Wave mathematical model of beach regulation engineering for Hainan Longqiwan Port[J]. Journal of Waterway and Harbor,2015(6):510-514.

[7] 栾英妮,刘海源,张华庆.青岛港董家口港区防波堤工程防浪效果研究[J].水道港口，2010(8):266-269.

LUAN Y N,LIU H Y,ZHANG H Q. Research on sheltering effect of breakwater in Qingdao Dongjiakou Harbor[J]. Journal of Waterway and Harbor,2010(8):266-269.

[8] 宋善柏.秦皇岛港西港区航道改造工程波浪数学模型研究[J].水道港口，2006(4):236-240.

SONG S B. Wave mathematical model of waterway improvement project of the west harbor area in Qinhuangdao Harbor[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2006(4):236-240.

[9] 丹麦水力学研究所.MIKE21 User Guider[M].哥本哈根：丹麦水力学研究所，2003.