口门布置对港池消波和环流的影响研究

王 俊，张世安，吴嫡捷，王二平，王万战

（1.郑州工程技术学院 土木工程学院，河南郑州450044；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州450003；3.水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州450003；4.华北水利水电大学 水利学院，河南郑州450045）

1 港池消波研究现状及问题的提出

避风港是集船舶靠泊、补给等功能于一体的港工建筑物，主要满足船舶日常停泊及特殊天气条件下躲避风浪的需求。随着沿海经济建设的发展，现有的避风港池已不能满足日益增长的航运对船舶停泊及避险的需求，设计和建设更多现代化港池已成为迫切需要。近几十年来，国内外学者对港池相关问题做了大量研究。刘景利[1]针对典型港口布局现状，探讨了影响港口布局的普遍因素。周家宝等[2]通过开展防浪掩护整体模型试验，提出了规则波和不规则波试验结果基本一致的结论，因此为方便起见本文仅考虑规则波情形。王爽[3]探讨了浅水湖泊的波浪特点及相应的避风港设计方法，并由波浪特点提出了每个港址设计的港池数及通过不同口门方向的避风掩护作用。总体来看，对港池水流波浪特性的研究开展得相对较少，而港池口门布置对外海波浪的消波研究存在空缺。在以往研究中，采用物理模型模拟港池周边的波浪场是常用的技术手段，但是物理模型尤其是港区掩护消波的三维物理模型费用较高，试验周期较长，模拟的工况数量有限。因此，本文通过建立平面二维波浪数学模型，研究港池布置对消波作用的影响及港池回流区与进出港航线问题，得到的结果可为研究复杂的港口航道问题提供一定参考。

2 模型建立

2.1 控制方程

水流连续方程为

水流动量方程为

式中：t为时间；ρ为水的密度；P为水的压强；VF为流体的体积分数；Ax、Ay、Az分别为 x、y、z方向流体的面积分数；u、v、ω 分别为 x、y、z方向的速度分量；Gx、Gy、Gz分别为 x、y、z方向的重力加速度分量；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的黏滞力加速度分量。

2.2 不同口门布置的概化模型

本研究主要考虑在波浪影响下，港池口门的布置对池内水流的影响，因此对模型进行概化处理，模型长宽高拟定为180 m×180 m×6 m。为研究避风港的口门位置及口门宽度的最佳情况，采用5种方案研究波浪对避风港内水流及堤前波浪的影响，具体避风港方案布置参数如图1所示，网格分布见图2。由于码头两侧以及口门区域流速梯度变化较大，因此为更有效地捕捉其运动要素，对上述区域进行网格加密。其中波浪设置分别采用波高h为1、2、4 m的3种港外规则波进行模拟。

图1 避风港布置（单位：m）

图2 网格分布

3 模型模拟结果及分析

3.1 避风港波浪消减效果分析

为对比不同外海波浪传入后各方案在港池内的消波效果，在码头附近设置A、B两个波浪数据提取点，对应着A、B两个港区（见图1），以分析港池内波浪的基本特征。模拟得到不同波高传输情况下A、B两点波高对比见图3。

随着港池外波高的增大，由于各种布置方案的防护防浪效果不同，位于码头两侧的A、B两点在5种模型布置下水位变化各不相同。当港池外传入波高（1 m）较低时，各种布置方案的消波效果差异较小，但当外海波高逐渐增大时，某些布置方案波高变化幅度增大，而另一些变化幅度较小，从而可以确定较优的布置方案。如在A点，波高增大至4 m时，布置一、三、四、五都可将波高消减至2 m以内，其中布置四减幅最大，波高减至1.43 m，即该布置情况就防浪效果而言最优，并且该布置在B点表现出的对港外规则波的消减效果也是最明显的；而布置二波高减幅最小，减至2.48 m，防浪效果不佳。在B点，布置一、三、四、五的防浪效果明显优于布置二，均将波高消减至1.25 m以下，其中布置三、四、五均可将波高消减至1.10 m以下，而布置二在码头两侧A、B两处所表现的消波防浪趋势都非常不理想。

图3 不同波高传输情况下A、B两点波高对比

港池的修建使得波高在口门和码头附近均有不同幅度的消减，为了系统研究不同波高传入过程中不同港池布置的波浪消减效果，针对波高为2 m的情况，提取了A、B、C、D四个监测点的波浪消减数据[4]。其中A、B两点位于码头两侧，C点位于堤前，D点为口门中心位置（见图1）。图4为布置三A、B两点水深变化曲线，可以看出，经过避风港对波浪消减后，波高有明显减小趋势（0.87～1.41 m）。

受防波堤影响，港外波浪传播过程中，C点堤前波高为2.49～2.61 m，D点口门处波高为2.35～2.72 m，堤前和口门位置波高较大，在传入避风港港区后，波高明显减小，防波堤起到了很好的消波作用，有利于稳定港内水位。通过模拟波高与港外规则波的差值，计算出波浪消减率，如图5所示。

（1）布置一中，A、B点的波浪消减率为 9%和39%。由于口门位置处于上方开口，且位于A、B港区中间位置，因此波浪进入港区后波高有一定减小，但A、B港区内波高变化不大，B港区（最大波高1.94 m）略小于A港区（最大波高2.20 m），在设计水位及一般波浪条件下要满足港内停泊条件较为勉强。

图4 布置三码头两侧水深变化曲线

图5 各种布置情况下波浪消减率分布

（2）布置二中，A、B点的波浪消减率为 5%和12%。由于双开口，防波堤对港外波浪的阻挡作用不大，因此堤内波高有一定的减小，但消波效果不显著，港区内波高变化较大（A港区最大波高为2.24 m，B港区最大波高为2.19 m），未能达到港区船舶停泊条件。

（3）布置三中，A、B点的波浪消减率为 20%和30%。由于开口处于下口位置，因此港外波浪进入港区先到达B港区。同时，传入A港区的波浪经港区内反射而到达A港区，还有部分直接传入A港区，因而传入A港区的波能量较低，A、B港区波高均满足船舶停泊条件，A港区波高约为0.87 m，小于B港区的，较为稳定，停泊条件相比于B港区更好一些。

（4）布置四中，A、B点的波浪消减率为 47%和45%。相比于布置三，布置四口门有效宽度减小为20 m，A港区与B港区最大波高分别为1.41 m和1.51 m，均小于布置三的，但口门减小会影响船舶单次进港率。

（5）布置五中，A、B点的波浪消减率为 12%和15%。相比于布置三，布置五口门有效宽度增大为60 m，A、B港区内最大波高分别为1.90、2.00 m，较布置三均有所增大，虽然增大了船舶单次进港率，但防波堤对避风港的防浪作用较小，不利于港区内水流稳定。

对比各布置堤前C点水位变化及D点口门位置水位变化可知，波浪最初进入港区过程中，堤前C点位置受到防波堤的干扰，当D点口门处波浪继续向港区内传播时，C点处波浪受防波堤反射而与港外波浪相互作用叠加，堤前波浪振幅略高于口门位置波浪振幅。

3.2 港池内部及口门附近危险区域环流及船舶安全进港航线分析

3.2.1 港池内部及口门附近危险区域环流研究

前文已分析波浪消减情况，但是除了平稳因素以外，对于开敞式港池，外海入流可能会在港池内产生一定强度的环流区，而环流区的存在会使船发生漂移等不稳定情况[4]。此外，对于船舶进出港等情形而言，口门处及港池内的环流区会使船偏离航线。因此，通过对港池区域流场分布的模拟分析，得到港池及口门区的旋涡及环流分布，并据此给出了相对安全的进出港路线。

航道中出现环流容易对船舶航行造成一定的影响，环流产生的倾覆力矩会导致船舶航行过程中偏离原来的航行方向，一些大的环流甚至导致一些吨位较小的船舶原地打转而造成危险。针对这种现象，利用数值模拟方法对各布置方案下港池内外部可能出现环流的位置及尺度进行了计算分析，以避开环流危险区域对船舶进出港航行的影响。

由图6布置三环流分布可以看出，随着港外波浪进入港池口门，布置三口门附近防波堤前部将形成一处小型环流（面积约为668.71 m2，环流半径为12.19～13.72 m），且持续时间较长，其他区域不会形成环流，危险区域范围小，对船舶进港影响较小。

图6 布置三环流分布

由图7布置四环流分布情况可以看出，随着港外波浪进入港池口门，布置四口门附近防波堤后部形成1号环流（面积约为626.64 m2，环流半径为12.06～12.99 m），随着波浪持续进入港区，环流因水流持续作用而消失，而在波浪进入避风港经反射退潮后，与港外入港波相互作用形成堤外2号、3号环流（面积分别约为638.41 m2和928.13 m2，环流半径分别约为13.60 m和15.94 m）。由于布置四中下口门有效宽度为20 m，因此导致3号环流面积比布置二环流面积增大了约222.73 m2，同时口门宽度减小对船舶单次进港数量有一定影响，且环流对船舶进港的影响会相应增大。

图7 布置四环流分布

布置一口门附近防波堤后部容易形成两个小型环流场。布置二较易形成较多的环流，且多集中于口门位置附近。布置五由于下口门有效宽度变为60 m，港外波浪进入港池的波浪受防波堤影响较小，因此整个过程没有明显环流产生，但波浪基本能传到港池内部，对港内水域影响较大。

综上，港外波传入避风港及由港内反射的过程中容易出现环流的危险区域大多出现在避风港口门附近堤前和堤后位置。同时比较布置三、四、五可知，口门有效宽度变化会对环流产生的区域影响范围造成不同程度的影响：口门宽度过小时，形成的环流持续时间长；口门宽度过大时，波浪更容易传播到港池内部。因此，在避风港设计完成后应确定一个合理安全的进港航线，避开可能出现环流的危险区域。

3.2.2 船舶安全进港航线分析

由于布置一、二、五不能很好地满足船舶的泊稳条件，因此仅针对布置三和布置四进行分析。

在布置三情形下，环流仅在口门靠近防波堤位置产生，且进出港水流较稳定。同时，相较于布置四而言，布置三口门宽度较大，船舶进出过程中安全航行区域较大，环流对船舶进出港安全影响较小，因此规划进出港航线如图8所示。

布置四口门宽度减小，口门位置容易形成3处环流区，船舶进出港安全性降低，进出港航线规划如图9所示，由于该布置口门狭窄，因此对安全航线规划要求更高，如若对环流区域的把握不到位，可能会导致大吨位船舶受环流影响而偏离航线，对一些小吨位船舶则可能造成原地打转甚至倾覆危险。

图8 布置三进出港航线规划

图9 布置四进出港航线规划

3.3 结果分析

综上可知，应当合理确定口门有效宽度，保证航行安全，避免形成较大及较多的环流。布置五有效宽度为60 m，有利于船舶进出，但相比于布置三，B港区波高增加了0.15 m，恶化了港内的泊稳条件；布置四有效宽度为20 m，相比于布置三，波高消减了0.04 m，利于港内水流稳定，但形成了3处环流，不利于保证船舶进出方便及航行要求。因此，确定口门有效开口宽度及优良的航线需要综合考虑。根据本文基本模型而言，口门位置同样是一个影响港内水域泊稳条件的因素。由于港内存在两个子区域，因此口门开口位置不同将对不同子区域产生不同的影响。结合以上分析，对比5种布置，从防浪和远期发展出发，布置三能保证船舶进出港安全，布置较优。

4 结 语

不同口门位置和宽度对避风港港区内的波高有不同程度的影响。在上口门及双口门的情况下，港外波浪进入港区内的阻挡较小，对港内泊稳条件不利。而采用下口门设计后，港内泊稳条件明显改善。通过各布置易形成危险环流区域的位置比较，大部分易形成环流区域的位置都在口门附近，口门位置堤前堤后均易形成环流，尤其在双口门情况下，环流形成数量最多。同时，不同口门有效宽度对环流面积影响很大，较大的口门宽度不易形成环流，但容易恶化港内泊稳条件，而口门宽度过小虽然能改善港区泊稳条件，但容易形成大面积的环流，从而对船舶进港航行造成威胁。综合考虑，布置三为最佳方案。