涌浪作用下港内波况试验研究

李 辉毛艳军王昊天桑高亚郑振钧马小舟

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连116024)

涌浪是指风浪离开风区后所形成的波浪,周期范围约为8～30 s。相比于周期小于8 s的风浪,涌浪具有波长长、穿透性强等特点[1]。对于有防波堤(特别是可透水的抛石堤)掩护的港域,涌浪对港内波况和船舶泊稳条件的影响不容忽视。针对涌浪的强透射性,张志等[2]、谭忠华等[3]对涌浪作用下防波堤透浪对港内波况的影响进行了研究。张志等[2]研究发现涌浪的透射波浪对港内泊位的系泊稳定有明显影响,谭忠华等[3]发现透射系数与波高呈负相关、与周期呈正相关。李继选和赵津京[4]应用MIKE 21 BW 模型研究了长周期波作用下港内船舶泊稳情况,结果表明系泊船对长周期波敏感性较强。上述研究多是在单向规则波或单向不规则波下进行的。许多学者采用多向不规则波进行了进一步的研究。俞聿修和柳淑学[5]基于模型试验,认为使用不规则波进行试验能更好地反映实际港内波况,并研究了波浪的波向、航道布置对口门和港内波况的影响,建议以口门处波高为基准研究港内波况。乔吉平等[6]将港内波浪进行长短波分离,研究了单向与多向不规则波作用下港内波高的分布规律,建议应用单向波来设计规划港口建设,偏于安全。吴月勇等[7-8]根据天然海浪的特点,研究了单向与多向涌浪联合绕射、反射作用对港域波况的影响。Sakakibara和Kubo[9]根据现场观测和数值模拟,研究了长周期波对船舶装卸作业效率的影响,并对船舶的低频运动提出了改进意见。López和Iglesias[10]对位于西班牙Ferrol港的船舶观测,发现港内的涌浪成分对船舶的升沉、横摇、纵摇等垂直方向的运动有显著的影响。

上述研究未系统地研究涌浪联合绕射、透射作用对港内波况的影响。本文基于秘鲁钱凯港三维整体物理模型试验,选取不同波向和波要素的组合作为入射波工况,研究了绕射、透射联合作用下港内不同区域的波高随周期的分布规律,分析了周期和波向对港内同一位置波况的影响,以及周期和波向对港内特定位置的波浪响应的影响。并对不同区域的波况条件进行评估,对港口设计建设具有参考意义。

1 模型试验设置

1.1 模型布置

钱凯港位于秘鲁中部的钱凯湾,该港为天然深水良港,能够满足大型船舶的挂靠需求。该港建设规划一期工程将兴建4个泊位,其中2个为多用途泊位,2个为集装箱泊位。码头类型为高桩码头。工程布置图如图1所示,港域底高程-16.3 m,泊位底高程-17.8 m。该港地处南太平洋西海岸,波浪涌浪成分占比较大,经常受涌浪影响,工程设计超出了规范的指导范围[11-12],需要物理模型试验进行论证,为设计提供依据。

图1 工程位置与布置Fig.1 Location and layout of the project

试验在34 m×55 m×1.3 m 的多功能综合水池进行。该水池配有“U”型多向造波机系统,能够模拟规则波和多种频谱的不规则波,多向波浪的方向范围为±45°。试验波高测量采用DS30型多通道波高采集系统。

模型采用正态比尺,为1∶70。模型布置图见图2。试验地形和护面块石等的加工满足几何相似、弗劳德数相似和斯特劳哈尔数相似[13]。码头按照高桩码头布置进行同比尺缩放,以保证泊位处数据的准确性。造波机边界水深取原型-30 m 处水深,以静水位为基准,极端高水位取+1.60 m,极端低水位取-0.2 m。水池两侧和尾端均布置有消浪装置,可有效吸收波能,减小边界效应对试验的影响。

为了模拟防波堤透射现象,在选取防波堤堤心石时,除质量和尺寸按照比尺缩小外,还应控制中值粒径和级配。但如果堤心石仅按照几何比尺进行缩放,会导致防波堤的透浪特性被低估。因为湍流耗散需要满足雷诺相似准则,而试验是按照重力相似进行设计的,在模型比尺下孔隙率较小,带来了较大的水体耗散。为了保证透浪试验模拟的准确性,要通过增大堤心石的几何尺寸对堤心石进行修正。参考Hughes[14]计算修正系数K,取K=1.63。堤心石尺寸及中值粒径在按比尺换算基础上,再乘修正系数K得最终试验用的堤心石尺寸。

图2中给出港内波高仪位置,其中B1～B7为泊位处测点;C1、C2为航道测点,其中C1作为口门处位置测点;P1～P5为非靠泊区域测点。本试验主要探索主防波堤后港内的波高分布情况,并未涉及次防波堤,因此次防波堤区域不安置波高仪。本文以港内波高与口门处C1波高的比值(比波高)表示港内波况分布。小比尺下航道的折射效果不明显,因此对于口门区域,本文重点分析波浪的绕射现象。由于试验的设计考虑了防波堤的透射性,因此对港内区域,本文会同时分析绕射、透射的联合作用。

图2 试验模型布置Fig.2 The layout of the experimental model

1.2 试验波要素

结合实测资料,选取2种典型波向(SW 向和WSW 向),其中WSW 向在试验中为正向入射。试验入射谱采用JONSWAP谱模拟不规则波,选用的目标谱公式如下[15]:

式中,f为频率,TP为谱峰周期,γ为谱峰升高因子,fP为谱峰频率,H1/3为有效波高,σ为峰形参数。结合该工程的实际海域波浪情况,谱峰增长因子γ取1.0。

波要素采取有效波高H1/3和谱峰周期TP。试验采用单向不规则波,波向采用SW 和WSW 两种,试验水位分高水位(+1.6 m)和低水位(-0.2 m)两种。具体波要素见表1。每组工况进行3遍试验,每遍试验327 s,对应原型45 min,检查试验的可重复性,并取平均值作为最终结果。

2 试验结果和讨论

2.1 非靠泊区域的波浪条件

2.1.1 周期对非靠泊区域波况的影响

将上述16个工况的试验结果分别按相同的波向和水位分为4组工况组合进行分析。港域测点的比波高见图3、图4。对比同一测点的4种柱状图,在相同的波向及水位条件下,非靠泊区域的比波高与入射波周期密切相关,总体上表现为入射周期越大,港域内比波高越大。并且在非靠泊区域,同一测点下,入射周期差异越大,测点比波高值差异也就越大。图4中,在非靠泊区域深处的P1点,防波堤阻挡性较差的WSW 向工况下,入射周期带来的比波高差异比较明显,进一步说明了长波对港内的影响较大。同样,在受堤头绕射影响较大的P4、P5测点,长周期入射波带来的比波高更大,这源于长波具有的强绕射性。

表1 试验波要素、工况表Table 1 Wave elements and working conditions for the experiment

图3 SW 波向的非靠泊区域波况Fig.3 Wave states in the non-mooring areas with a wave direction SW

对于测点的比波高,各工况组合下测点波况规律基本一致。在港口内部,P1点的比波高略高于P2点的比波高,这在WSW 波向的工况(图4)下更加明显。随着距离口门越来越近,比波高逐渐增大,但P5点比波高小于P4测点值。由于堤头AB段防波堤的存在,对靠近防波堤的测点形成了更好的保护,在距离口门相同距离的情况下,靠近防波堤的测点比波高更小,表现为P2比波高低于P1比波高,P5比波高低于P4比波高。但随着离防波堤越来越远,这种保护的影响逐渐减小,甚至可以忽略。而WSW 波向下,防波堤对港内的掩护性较差,这对于距离防波堤较远的P1测点影响较大,表现出P1、P2测点的差幅比在SW 波向下的情况大。图3b和图4b中,在涌浪波的较强透射性下,即使较为安全的P2测点,在入射周期较长的工况下(SW-H-4),其比波高依然能达到0.2。因此,在有涌浪作用下的港口设计中,透射波的影响必须考虑在内。

图4 WSW 波向的非靠泊区域波况Fig.4 Wave states in the non-mooring areas with a wave direction WSW

2.1.2 波向对非靠泊区域波况的影响

为了明确波向的影响,试验选取编号为“1”和“4”的入射工况,对应入射周期为TP=14 s与TP=20 s,比较相同周期下不同波向对于非靠泊区域波况的影响,见图5。防波堤阻挡性较好的SW 向下,非靠泊区域的比波高值更小。随着入射周期增大,波向对非靠泊区域的波况影响变小,不再完全符合防波堤阻挡性差异的一般规律,波向影响的差异因不同位置而不同。对于长周期入射波,波浪的透射作用更强,这对靠近防波堤的测点(如P2)影响较大,因此表现出与防波堤更接近垂直的SW 波向下比波高较大。这表明在某些情况下,即使防波堤对正向来浪阻挡性更好,但强透射性带来的影响不可忽略。虽然,总体上WSW 向入射波对港内的波况影响更大(表现为比波高更大),但对于港内不同的位置,因受涌浪强透射性以及防波堤布局和其他构筑物的影响,导致长周期入射下港内非靠泊区域对波向的敏感性可能不如短周期入射强。

图5 波向对非靠泊区域波况的影响Fig.5 Influence of the wave direction on the wave state in the non-mooring areas

2.2 泊位处的波浪条件

2.2.1 周期对泊位波况的影响

波向SW 的波况分布见图6,波向WSW 的波况分布见图7。B1～B7测点位置逐渐靠近口门。除了高水位工况下的个别点,对于同一工况,各泊位测点的变化规律基本相同。结合图2可以发现,最安全的泊位位置在B3处,该点距离口门最远,距离防波堤也最远,由透射和绕射产生的波高在该点也最小。B4～B7测点,离口门越近,泊位波浪受堤头绕射作用占主导地位,受绕射影响越大,比波高值也越大。B1、B2测点是在港域内测的,受绕射影响较小,但不同于B3,B1处比波高小于B2处,可能是因为B1处于泊位端部,外侧有宽敞水域,波浪经口门传播至此后可以继续在泊位端部向外绕射,从而比波高较小,这在对港内影响较大的WSW 波向的工况下表现更明显。

在波向、水位相同的情况下,不同周期的入射波对泊位波况影响的分布规律与泊位的位置有关。在防波堤阻挡性相对较好的SW 向工况下,在港域深处、受掩护性较好的B1～B3处测点,入射周期越长,比波高越大;距离口门越近,入射周期的影响开始减小,甚至出现入射周期越短比波高越大的情况。在防波堤阻挡性相对较差的WSW 工况下,入射周期的影响更加明显,不仅表现在港内深处的测点,大部分泊位测点均表现出相同的规律,即入射周期越长,比波高越大,涌浪对港内泊位的影响较大。

另外,图6b和图7b中,高水位工况下泊位的比波高分布较离散。分析认为由于码头结构为高桩码头,低水位情况下净水面未触及码头上部结构,波浪未受影响,规律性较好;高水位情况下净水面触及到码头上部结构的底部,波浪相当于受到部分直立壁的影响,虽然很小,但相对于本身并不大的港内波高来说其影响不可忽视。从而造成波高测量不确定性增大,结果离散型较大。结合非靠泊区域波况的图4b和图5b,没有码头的影响,港域处低水位和高水位净水面均未与任何构筑物接触,与图6a和图7a低水位情况类似,缺少了影响波浪作用的因素,呈现出比波高结果规律一致。这也验证了本文对泊位高水位结果离散性大所做出的分析。

图6 SW 波向的泊位波况分布Fig.6 Distribution of the wave state at the berths with a wave direction SW

2.2.2 波向对泊位波况的影响

同样选取编号为“1”和“4”的入射工况,对应入射周期为TP=14 s与TP=20 s,比较相同周期下不同波向对于泊位波况的影响,见图8。与非靠泊区域波况结果相同,两组结果均显示WSW 向的比波高整体大于SW 向,这也与防波堤对两种波向阻挡性优劣相一致。如前所述,泊位处的测点距离防波堤较远,透射波的影响在泊位处影响较小,因此涌浪入射下,波向对港内泊位处波况的影响仍然大致符合防波堤阻挡性差异的一般规律。值得注意的是,对于入射周期较短的组(TP=14 s),随着距离口门越来越近,波向的影响逐渐减小(图8a);而对于入射周期较长的组(TP=20 s),波向对靠近口门的泊位测点的波况影响也比较大(图8b)。这也与上述入射周期越长对港内泊位波况影响越大的结论一致。

图7 WSW 波向的泊位波况分布Fig.7 Distribution of the wave state at the berths with a wave direction WSW

图8 波向对泊位波况的影响Fig.8 The impact of the wave direction on the wave state at the berth

2.2.3 泊位处波浪的频谱分析

防波堤往往对高频波也即短波有着很好的掩护效果,但是对低频波也即长波的掩护效果较差,甚至低频波还会在港内得到积蓄、放大。因此,本文采用快速傅里叶变换(FFT),计算口门和各泊位处的波面过程线所对应的频谱结果,来分析不同频率波浪在港内外的差异。这里选取工况SW-H-4和WSW-H-4,对应上述分析中比波高最大的工况。选取泊位的4个测点(即B1、B3、B5、B7)与口门处测点C1的频谱进行对比(图9,图10)。为了更好地表示低频范围内谱值S(f)的对比,横坐标采取对数形式。

图9和图10分别展示了波向SW 和WSW 下,四处测点与口门C1处的频谱图,图中左侧竖直虚线代表截止频率的位置。与前述图6b展示的结论一致,B3的频谱曲线有着最小的谱密度值。防波堤能阻挡住大部分的入射波浪。但对比C1的频谱曲线,四处测点在低频范围(图中两条竖直虚线之间)的S(f)均比C1的S(f)大。与图9结论一致,图10 中,防波堤对于高频波浪有较好的阻挡,但不能阻止低频波浪在港内的放大。同时,波向WSW 是防波堤阻挡性较差的一个方向,这在图10中B7与C1的对比图中可以体现,高频组分B7的S(f)明显大于其他泊位测点的S(f),这也与不同波向下防波堤阻挡性差异的结论一致。而低频范围的波浪对于船舶的横荡、纵荡运动影响巨大。这部分波浪不仅与外海入射波浪的周期有关,还可能与波浪在港内的非线性相互作用有关。

图9 波向SW 下泊位与口门的频谱图Fig.9 Frequency spectrograms at the berth and entrance with a wave direction SW

图10 WSW 波向下泊位与口门的频谱图Fig.10 Frequency spectrograms at the berth and entrance with a wave direction WSW

以对频谱图的积分值表示波能。表2给出了SW、WSW 波向工况下,四处测点在低频范围(图中竖直虚线包含的范围)内,泊位测点处的低频波能与口门处低频波能的比值。比值大小的分布与泊位的位置并无明显规律。但B1、B5测点是值得关注的,尤其是B1测点,虽然该处泊位离口门最远,但却有着较大的低频波能,B5测点也是如此。相比之下,B3、B7测点的低频波能较小。因此,对于外海入射波中有着较大的低频波分量的海域,其港口的建设应充分考虑港内低频波的放大对系泊的影响。

表2 泊位与口门的低频波能比值Table 2 Low-frequency wave energy ratio of the berth to the entrance

3 结 论

本文基于秘鲁钱凯港防波堤三维整体模型试验,研究了涌浪绕射、透射联合作用对港内波况的影响,结论如下:

1)涌浪作用下,受透射、绕射影响,不同工况下港内比波高分布规律相关性较好,距离口门越近,受绕射影响越大,比波高越大;

2)不同周期的入射波作用下,港内同一位置比波高差异明显,周期越长,港内比波高越大;

3)受防波堤对不同波向入射波阻挡性的差异,涌浪下波向对港内的影响符合常规规律,即防波堤阻挡效果好的波向,其入射波对港内的影响较小;

4)对于涌浪,防波堤对高频组分阻挡性较好,但不能有效阻挡低频组分,甚至低频组分在港内会有不同程度的放大。

无论是泊位还是港域测点,靠近口门处波浪绕射占主导作用。随着深入港内,波况愈加复杂,波浪绕射、透射叠加作用,且随位置的改变,入射波影响的程度也不同。总的来说,尽管有防波堤的掩护,但涌浪对于港内波高的影响仍较强。例如,强绕射性使得靠近口门的位置(P4、B7)比波高甚至达到0.4以上(图7b),这对于港内船舶的泊稳是非常不利的。港内深处比波高有所减小,但波浪作用较为复杂,在某些工况下(图7a),同一泊位的两个测点的比波高差别较大,波动幅度较大,这与泊位的位置和入射工况有关。并且对于泊位处,低频波浪组分相对于入射波的放大情况也需引起重视,容易造成船舶的横荡、纵荡等运动。因此在涌浪作用的港口,建议必要情况下进行系泊船试验以验证校核,并结合泊位的功能特性,给出合理的设计。