港池开挖对施工期波浪条件的影响

刘远超,陈国平,吴月勇,王铁凝

(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)

海港因为自然深度不够，在建设过程中常常需要开挖港池和航道以达到使用要求，而地形的开挖导致水深的突然变化，对波浪的折射产生重要影响，并且这种影响随入射波和开挖尺度的不同而发生变化。陈哲淮[1]、水燕[2]、林尚飞[3]等通过物理模型试验研究开挖航道对波浪传播的影响，分析了影响波浪传播的各种因素及其影响规律；柳淑学、俞聿修[4]针对理想港域开挖航道和港池对波浪传播的影响进行了研究，发现地形对波浪传播影响巨大，且与入射波向、航道尺度和波浪沿航道传播距离有关。庞红犁[5]、徐俊峰[6]等人采用数值模型研究了航道对波浪传播的影响以及各因素对波浪传播变形的影响规律。根据各学者的研究，航道和港池开挖对波浪传播有着显著影响，在港口的规划中，不能忽视港池航道引起的波浪的重新分布。然而，对于港口施工阶段港池开挖后，波浪直接进入港池引起波浪场的重新分布以及对港口施工的影响，没有进行系统和全面的评估。因此本文将对施工期港池开挖后波浪折射变形对港口施工的影响，以及各种影响因素及其影响规律开展数值模拟研究，可为港口的设计和施工提供依据。

1 模型验证

1.1 BW模型简介

MIKE21之BW波浪数值模拟模型由丹麦水利研究所开发，该模型基于Madsen和Sørensen[7-8]提出的改进频散关系和变浅性能的Boussinesq方程，采用交替方向隐格式(ADI)进行时域内的求解。经过长期发展，BW模型不仅可以较好地描述近岸水域波浪传播过程中发生的折射、绕射、反射和非线性波-波相互作用，而且还可以推广至研究破碎区和上爬区的波浪现象。其控制方程和数值计算方法可参见文献[7-8]。

在利用BW模型计算港内波浪时，确定近岸结构物的反射是极为关键的环节，它直接影响到建筑物附近的波高分布情况。BW模型反射系数的设定是通过孔隙层来实现的，而孔隙层的孔隙率与建筑物材料、波浪反射、结构物前波浪大小和水深有关。模型建立前对结构物前波浪大小和水深进行初步估计，计算出对应区域孔隙介质的孔隙率进行初步试算，然后将试算结果与实际情况进行对比，经过反复调试，确定反映实际反射系数的孔隙率进行正式运算。

表1 试验波要素Tab.1 Experimental wave parameters

1.2 模型验证

在对港内波浪的反射和绕射情况进行数值分析研究前，需要对计算模型进行验证。如上所述，确定近岸结构物的反射是模型建立过程中的重要环节，运算前对建筑物前的孔隙率进行反复调试。本文依据TEMA港整体物理模型项目的试验结果，验证数值模型的合理性(图1)。

TEMA港物理模型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，试验比尺1:80。试验中频率谱均为标准JONSWAP谱，谱峰升高因子γ=3.3。试验采用的波要素如表1所示，其中165°N、175°N指的是海图方位角，两波向与正北方向(0°N)的夹角分别为15°、5°。

图1 TEAM港数值模型地形等值线分布与边界示意图Fig.1 Terrain contour and boundary distribution of port TEMA numerical model

在进行数学模型验证时，针对各建筑物边界反射情况对模型进行试算，将计算结果与试验值进行对比，得到图2所示各边界孔隙率下模型值与实验值对比图。如图2-a所示，码头采用反射较强的直立式沉箱结构，其孔隙率取值从0.9增加至0.99时，码头前沿测点1～8号扰动系数逐渐增加，所以码头前沿孔隙率的变化主要对码头前沿水域扰动系数有显著影响，且取0.99进行模型计算更符合实际情况。如图2-b所示，斜坡式新港防波堤孔隙率的变化对港内各测点的扰动系数均有明显影响，孔隙率从0.95减小至0.7时，各测点扰动系数逐渐减小，且取值为0.7时与试验值吻合较好。如图2-c所示，斜坡式老港防波堤孔隙率的变化对港内各测点的扰动系数均有明显影响，孔隙率从0.4增加至0.8时，各测点扰动系数逐渐减小。其孔隙率取值0.6时，模型计算值与试验值吻合较好。综上，码头前沿、码头防波堤和老港防波堤孔隙率值分别为0.99，0.7，0.6与试验值吻合较好，更符合实际情况，故以此进行后续数值模型计算。

2-a 码头孔隙率的影响 2-b 新港防波堤孔隙率的影响 2-c 老港防波堤孔隙率的影响图2 边界孔隙率变化下港内扰动系数与试验值对比Fig.2 Comparison of numerical wave disturbance coefficient in the harbor with experimental results under different porosity

2 港池开挖对港口施工的影响

基于上述模型验证过程，对港口施工期波浪条件进行计算，研究施工期港池开挖对港口施工作业条件的影响，从而对港口施工进行合理规划，选取合理的港池开挖时机和范围。TEMA港港口施工主要分为6个阶段，港池开挖拟在第3、4阶段进行，此时防波堤堤头分别推进至1 800 m和2 000 m，后方陆域同时进行回填，其中第3阶段平面布置如图1中虚线所示。本文基于第3阶段研究港池开挖对港口施工作业条件的影响，码头前沿开挖深度至-16.9 m，回旋水域开挖至-17.4 m。模型计算中谱峰周期取值7 s、9 s、12 s、15 s、18 s和21 s，入射波平均波向取值155°N、165°N、175°N、185°N和195°N。

2.1 敏感性分析

2.1.1 计算结果对波高和周期的敏感性分析

为深入了解入射波高和周期对比波高计算结果的影响，针对主波向(175°N)、不同波高和不同谱峰周期组合下的入射波在平均海平面下(CD+0.9 m)进行了计算，其中入射波高Hm0取值0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m。图3-a和3-b分别为B3点不同入射波高和不同谱峰周期下的比波高计算结果。随着波高的增大，各点均呈现逐渐增大的趋势，并且长周期波浪对入射波高的敏感性略强于短周期波浪。对不同位置的测点进分析，越靠近防波堤内侧掩护越好的点，其随波高增加的幅度越大，最大可达到24%。同时越靠近外侧掩护越差的测点，其对波高的敏感性也越差，随波高增加的幅度仅为5%左右。所以港内不同位置对入射波高的敏感性也不同，总体呈现受掩护程度越好敏感性越强的趋势。

根据图3-b的结果，随着波周期的增大，各测点比波高明显增大。且港内不同位置对入射波周期的敏感性也不同，总体呈现受掩护程度越好敏感性越强的趋势。越靠近防波堤内侧掩护越好的点，其随周期增加的幅度越大，最大可达到54%。同时越靠近外侧掩护越差的测点，其对周期的敏感性也越差，随周期增加的幅度为16%。综上，入射波高和谱峰周期均对计算结果有影响，且计算结果对周期的敏感性更强。

2.1.2 计算结果对潮位的敏感性分析

潮位是影响近岸波浪传播变形的因素之一，工程区属弱潮海区，大潮平均高潮位(MHWS)和大潮平均低潮位(MLWS)分别为CD+1.5 m和CD+0.2 m，平均海平面(MWL)在CD基面上0.9 m。为考察潮位对比波高计算结果的影响，本节对主波向(175°N)波高Hm0=1.0 m时、不同谱峰周期的入射波、在不同潮位下进行了计算。图3-c分别对部分计算点不同潮位和不同谱峰波周期下的比波高计算值进行了比较，结果显示：各点比波高计算值随潮位的降低略微增大，且长周期波浪对潮位的敏感性略强于短周期波浪。当潮位在大潮平均高潮位和大潮平均低潮位之间变化时，不同谱峰周期入射波下比波高计算值的差异最大不超过13%。

3-a 波高影响 3-b 周期影响 3-c 水位影响图3 B3点计算结果的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of calculation results at point B3

图4 港池和回旋水域开挖前后波高对比(开挖后/开挖前)Fig.4 Comparison of wave height after excavation with original terrain in basin and turning waters

2.2 港池开挖对港内波浪场的影响

对波高为Hm0=1.0 m、不同周期和不同波向的入射波，分别在港池和回旋区开挖与不开挖的工况进行了计算，以研究港池开挖对港口施工期波浪条件的影响。

2.2.1 港池开挖前后港内波高对比

将开挖后港域波高与开挖前港域波高作比值，得到港池和回旋水域开挖前后波高分布对比图(见图4)。波浪进入开挖区后波高持续衰减，折减幅度可达到20%，越靠近后方泊位和防波堤，波高折减幅度越大。受港池影响，港池后方泊位施工区域以及部分防波堤掩护区域波高也相应减小。同时，在港池迎浪侧和防波堤后侧波浪稍有增大，在回旋水域与港池连接段及其北部、回旋水域东北部产生了明显波能集中，并且波浪集中区域与入射波向有关，入射波向从155°N增加至195°N，防波堤内侧波高增大区域由临时码头向南偏移至转弯段，回旋水域北侧波能集中区域逐渐向东偏移。由于港池开挖使港池内水深突然增大，波浪进入港池开挖区域后由于水深差异发生明显折射，大部分波能折射到回旋水域东北侧，或折射到回旋水域与港池连接段并向北推进，使得港池和回旋水域内的来波响应减小，并且随着波浪在开挖区域的行进，向开挖区外折射的波浪也越多，从而港池及其后方波高显著减小。因此，在一定程度上，港池开挖可以改善防波堤内侧以及港池后方泊位的施工作业条件。

2.2.2 影响因素分析

在了解港池开挖前后港内波高分布的差异之后，本节对影响波高分布的因素进行分析，取港池开挖段的沿程波高，将开挖后港内波高与开挖前进行对比，得到开挖后与开挖前的比波高对比图。其中，开挖前波高和开挖后波高分别用H1、H2表示。

(1)开挖深度对港内波浪的影响。为研究港池开挖深度对港内波浪的影响，分别将港池和回旋水域开挖至不同高程，将计算结果进行对比分析，结果如图5所示。不同开挖深度下，波浪从港池迎浪侧到后方码头前沿均呈现持续衰减的规律，并且随着开挖深度的逐渐增加，港池和回旋水域内波高衰减程度也逐渐增大。由于开挖深度越大，港池内部水深与外侧差异越大，波浪传播到港池时所受的折射越明显，折减幅度也越大。因此，将港池一次开挖至指定深度，对改善港池后方泊位的施工条件更为有利。

(2)开挖宽度对港内波浪的影响。将港池和回旋水域进行不同宽度的开挖，研究开挖宽度对港内波高的影响规律，对比结果如图6所示。开挖宽度越大，波浪进入港池传播距离越长，折射到港池外部的波浪也越多，港池对波浪的折射越明显。因此，随着开挖宽度的增加，港池和回旋水域均呈现波高折减幅度增大的规律。

图5 港池开挖深度对港内比波高的影响Fig.5Influenceofexcavationdepthonwaveheightintheharbor图6 港池开挖宽度对港内比波高的影响Fig.6Influenceofexcavationwidthonwaveheightintheharbor图7 波周期对港内比波高的影响Fig.7Influenceofwaveperiodonwaveheightintheharbor

(3)入射波周期对港内波浪的影响。如图7所示，不同入射波周期下港内开挖后与开挖前比波高对比图。结果显示，随着入射波周期的增加，波浪进入港池和回旋水域后的折减幅度也逐渐增加，从而长周期波浪在港池内发生明显衰减，在码头前沿衰减幅度可达到20%。由于相同水深下波浪周期越长，其波速越快，在港池内的传播也越快，因此港池对长周期波的折射效应也越明显，使得相同位置处波高折减幅度也越大。

8-a 港池 8-b 回旋水域图8 入射波向角对港内比波高的影响Fig.8 Influence of incident wave direction on wave height in the harbor

(4)入射波向角对港内波浪的影响。将波浪入射角从155°N逐步旋转至195°，以研究入射波向角对港内波浪的影响规律。根据图8对比结果，随着入射波向角向港域外偏移，港池内波高折减幅度逐渐增加，而回旋水域内波高折减幅度先增加然后减小，并且在175°折减幅度最大。当波向角为155°N时，部分进入回旋水域的波浪经地形的折射进入到港池，随着波向角的向西偏移，经回旋水域折射进入港池的波浪逐渐较少，因此港池的来波响应稍有降低，从而港池波高折减幅度逐渐增加。而回旋水域波高折减幅度呈现先增加后减小的规律，这可能与回旋水域的外形不规则有关，使之对波向175°N的波浪折射作用更强，对195°N折射作用较弱。

3 结论

本文依据TEMA港整体物理模型项目的试验结果，验证BW数值模型的合理性，分析了模型对潮位、波高、周期的敏感性，并基于数值模型进行港池开挖对港口施工条件影响的数值分析，对比分析了港池开挖前后，不规则波作用下港池和回旋水域波高分布的大小关系，以及随港池开挖深度、宽度、入射波周期和波向角的变化规律。具体结论如下：(1)各点比波高的计算值随入射波高、周期的增大而增大，港内不同位置对入射波高和周期的敏感性也不同，总体呈现受掩护程度越好对波高和周期的敏感性越强的趋势；各点比波高的计算值随潮位的降低稍有增大，且长周期波浪对潮位的敏感性略强于短周期波浪。(2)波浪进入开挖港池后波高持续衰减，越靠近泊位折减幅度越大。受港池影响，港池后方泊位施工区域以及部分防波堤掩护区域波高也相应较小。从而在一定程度上，港池开挖可以改善防波堤内侧以及港池后方泊位的施工作业条件。(3)港池开挖深度、宽度、入射波周期和波向角均对港池内波高的折减幅度有影响，且波高折减幅度与开挖深度、宽度和波周期呈正相关。随着波向角的向西偏移，港池内波高折减幅度逐渐增大。

参考文献：

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