阳江闸坡渔港波浪整体物理模型试验研究

吴岳峰,孙文哲,王崇贤,连石水,陈同庆

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东 518034)

在港口海岸工程中,防波堤的尺寸及平面布置对港内各处波高分布有着至关重要的影响,是港口建设成功与否的关键影响因素。在港口设计中,数学模型试验、断面物理模型试验、整体物理模型试验应用广泛。相比于前两者,波浪整体物理模型试验能够更直观地展现波浪的传播和影响范围以及越浪、爬高等现象,能够为完善工程设计提供十分重要的科学依据[1]。近年来,周惊慧和王崇贤[2]利用波浪整体物理模型试验研究了降低堤顶高程对汕头港广澳港区内波高分布的影响;刘针和栾英妮[3]利用波浪整体物理模型试验研究了大连港太平湾港区的港内波高分布和码头上水情况;黄健钧等[4]利用波浪整体物理模型试验研究了排桩式透空堤对港内的掩护效果;乔贯宇和邳青岭[5]利用分段的波浪整体物理模型试验对广东省茂名港进行了研究。

渔业是我国国家战略产业,而渔港是渔业生产至关重要的基础设施[6-7]。为加强广东省阳江市渔港建设工作,阳江市拟将闸坡渔港从现代渔港、美丽渔港进一步升级打造为粤西及南海区域设施最先进、功能最完善、产业链最完整、生态环境最优美、规模领先的世界级现代化综合性中心渔港[8-9]。项目计划新建防波堤和大型渔船码头,新增锚泊水域,并对已有旧码头进行扩建。对于开敞海湾的渔港建设而言,一般需要建设防波堤来保护港内的掩护水域,提高渔船锚泊与作业的安全性。渔港的有效掩护水域面积需满足相应要求,可利用整体波浪模型研究波浪传播影响范围,确定不同波浪作用下的有效掩护水域面积。

波浪整体物理模型试验多用于对港内部分测点的波浪要素测定和分析[2-5],受到测点数量的限制,难以得到港内波高分布和有效掩护水域面积。现有的研究大多利用数学模型模拟港内波高,从而得到港区内的有效掩护水域面积[10]。为研究阳江闸坡一级渔港设计方案的掩护水域面积是否满足要求,本文采用波浪整体物理模型试验方法,共布置82个波高传感器测定波浪要素,利用反距离权重法[11]插值得到港区内波高分布,从而计算得到港区的有效掩护水域面积,为防波堤平面设计提供支撑,并为未来港区船舶避风提供一定的科学依据。

1 工程概况

1.1 工程背景

闸坡渔港地处广东省西南沿海海陵岛,毗邻港澳,陆路距阳江市48 km,距广州市约300 km,水路距港澳约150 n mile。闸坡渔港自然条件优越,三面环山,港池宽阔。

1.2 试验水位与波浪条件

根据《广东省现代渔港建设规划(2016—2025年)》[12]中示范性渔港(一级渔港)建设标准要求,一级渔港有效掩护水域面积不小于60万m2,具体指在设计高水位和50 a一遇波浪重现期条件下,在各向波浪作用下,H1%波高在1 m以内的水域面积不小于60万m2。

(1) 试验水位。

试验水位取设计高水位3.39 m(以当地理论最低潮面为基准)。

(2) 波浪条件[13]。

试验选取S、SW、W、NW、NNW、NNE作为试验浪向。需要说明的是,本文所指的浪向均为外海浪向(S—SW)或小风区浪的风向(W—NNE),而造波机位置处的浪向则从数模结果对应测点提取得到。试验时采用单向不规则波进行试验。设计高水位50 a一遇波浪下,率定点处的波浪要素见表1。

表1 设计高水位50 a一遇波浪下率定点波浪要素表Tab. 1 Wave parameters with 50-year recurrence period at calibration points with design high water level

1.3 平面方案

阳江闸坡渔港初步设计方案总平面布置见图1。拟在现状防波堤西侧新建南、西、北三段防波堤。其中北防波堤为抛石斜坡堤,呈直线布置,堤长240 m、堤顶高程8.0 m;西防波堤为抛石斜坡堤,呈折线布置,与北防波堤形成双环抱,堤长940 m、堤顶高程8.0 m;南防波堤为沉箱直立堤,呈直线布置,南端堤头布置在现状海岸岬角外侧,距海岸线约100 m,堤长150 m、堤顶高程7.8 m。新建防波堤与现状防波堤之间的港池称为外港池,包含休闲船舶锚地、600 HP及以下渔船锚地和600 HP以上渔船锚地。为满足渔船的靠泊需求,在外港池北侧新建大型渔船码头一座,长度240 m,码头面宽度25 m、码头顶高程6.5 m。码头通过引桥与后方陆域衔接,引桥长度233.2 m、宽度8 m、引桥顶高程6.5 m。现状防波堤内的港池称为内港池,北侧为600 HP及以下渔船锚地,南侧为400 HP及以下渔船锚地。

图1 渔港初步设计方案总平面布置图Fig.1 The plane layout of preliminary design scheme of fishery port

2 试验设计与方法

2.1 主要设备与仪器

阳江闸坡世界级渔港波浪整体物理模型试验在天津大学港口与海岸工程实验室波浪试验水池中进行。试验水池长60 m、宽40 m、最大水深1.4 m,试验水池采用可移动式不规则波造波设备,可模拟正弦波、椭圆余弦波等规则波与P-M谱、MPM谱、B谱等不规则波。采样点的波高测量采用交通运输部天津水运工程科学研究院开发的浪高仪与TKS-7型试验数据采集系统。数据采集软件为交通运输部天津水运工程科学研究院开发的2018型数据采集系统。

2.2 模型设计和制作

试验按JTS/T 231-4—2021《水运工程模拟试验技术规范》[14]的要求进行,模型采用重力相似准则设计,根据试验场地、规范标准及波浪条件等因素综合确定模型几何比尺为λ=100,进行正态比尺模型试验,对应时间比尺λt= 10。

根据工程平面布置图和海域地形图进行工程海域地形制作和工程建筑物的布置。模型地形制作采用断面法和等高线法,对于大面积的地形采用等高线法,对于工程海域南侧的深槽等地形变化大的区域采用断面法,根据现场1：1 000测量结果制作若干断面板,保障地形制作精度。各个控制点的高程测量误差不大于±0.5 mm,在控制点高程确定后进行铺砂,再用水泥砂浆抹面,复核各位置高程,误差控制在±1 mm,平面位置误差控制在±10 mm,精度满足《水运工程模拟试验技术规范》的要求。防波堤与码头等结构物根据设计图,按比尺进行制作,结构物的位置和高程经复核均满足规范要求。为消除水池边壁对波浪的反射,在水池边壁设置消浪设施。模型平面布置图见图2。

图2 模型平面布置图Fig.2 Plane layout of the physical model

2.3 波浪模拟

整体模型试验采用不规则波进行试验,采用JONSWAP型谱。波谱模拟时,总能量偏差控制在±10%之内。不规则波以有效波高Hs和谱峰周期Tp为控制条件进行波浪模拟,偏差均控制在±5%之内。

2.4 反距离权重法

试验在港区内共82个测点布置波高传感器,其中70个基础测点测量各波向下的港内波高;针对S、SW和W向浪,增加12个补充测点以细化南堤和西堤后锚泊区内的波高分布。港区内任意位置的H1%波高值可利用周围测点波高传感器的测量值进行反距离权重插值得到,插值点H1%波高的计算公式如下[15]

(1)

式中：n为已知波高测点数量;P(si)为波高测点si处的H1%波高值;ωi为波高测点si的权重。权重ωi的计算公式如下

(2)

式中：di为插值点s与已知波高测点si之间的距离;p为指数值,用于控制插值点与已知波高测点之间的距离对差值结果的影响,本文中p=2。

3 试验结果及分析

3.1 初步设计方案下的港内波高分布

在设计高水位50 a一遇波浪作用下,对新建防波堤掩护下初步设计方案的港内波高分布进行了试验,绘制港区内H1%波高分布图并统计H1%小于1 m锚泊区面积。图3～图8为各方向波高分布的试验结果。

图3 初步设计方案S向浪作用下设计高水位50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the S direction under design high water level for preliminary design scheme

图4 初步设计方案SW向浪作用下设计高水位50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.4 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level for preliminary design scheme

图5 初步设计方案W向浪作用下设计50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.5 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for preliminary design scheme

图6 初步设计方案NW向浪作用下设计50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.6 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NW direction under design high water level for preliminary design scheme

图7 初步设计方案NNW向浪作用下设计50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.7 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNW direction under design high water level for preliminary design scheme

图8 初步设计方案NNE向浪作用下设计50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.8 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the NNE direction under design high water level for preliminary design scheme

S、SW向浪作用时,南堤有少量越浪发生(图9),西堤基本无越浪。对于S、SW和W向浪除了从口门进入外港池内,部分波浪从南防波堤堤头与岬角间的开口进入港池,该位置在设计高水位时水深约为5 m。对于NW、NNW向浪,西堤基本无越浪,这两个方向的波浪可从新建北防波堤与新建码头的开口进入港池。对于NNE向浪,波浪主要从新建北防波堤与新建码头间的开口进入港池。

图9 南防波堤越浪现象(S向浪)Fig.9 The overtopping at the south breakwater under the action of waves in S direction

从波高分布看,对于外港池内的波高,S、SW、W向浪入射时,波浪在北堤与西堤、南堤与西堤间的口门传入港区,并受直立式南堤处越浪的影响,新建外港池部分区域H1%波高超过或达到1 m。NW、NNW、NNE向浪入射时,部分波浪从北堤与大型渔船码头中间进入港区,导致外港池部分区域波高较大。对于内港池内的波高,S、SW、W、NNE、NNW向浪入射时,内港池大部分区域H1%波高小于1 m。NW向浪入射时,部分区域H1%波高大于1 m。对于已有的内港池内波高影响最大的浪向为NW向,主要原因是部分波浪从新建北防波堤与大型渔船码头间的开口进入,继而传入内港池。传入浪向与内港池口门外法线方向接近,波浪从口门进入内港池,同时,口门正对的码头为重力式的结构,存在一定的反射,造成一定区域H1%波高大于1 m。

表2为设计高水位50 a一遇各向浪作用下H1%小于1 m锚泊区面积统计结果。对于内港池,综合S、SW、W、NW、NNW和NNE向浪的结果,NW向浪作用下H1%小于1 m的内港池锚泊区面积最小,其面积为61.4万m2,满足《广东省现代渔港建设规划(2016—2025年)》中示范性渔港(一级渔港)建设标准要求。对于外港池,由于北侧没有防波堤掩护,在偏北向的NW、NNW、NNE向浪作用下,外港池新增的H1%小于1 m的锚泊区面积较小。在S、SW、W向波浪作用下,在内港池有效掩护水域面积满足要求的基础上,外港池新增H1%小于1 m的锚泊区面积分别为60.2万m2、42.3万m2、43.0万m2。

表2 初步设计方案H1%小于1 m锚泊区面积统计表Tab.2 The mooring area with H1% less than 1 m for preliminary design scheme

3.2 深槽地形对堤外波高分布的影响

南防波堤与西防波堤间存在一处天然深槽(图10),SW向波浪入射方向与深槽的走向较接近。试验发现SW波浪作用下,新建南防波堤和西防波堤堤前局部的波高较大,对应的H1%波高值见表3,具体测点位置见图10。

图10 南防波堤和西防波堤外水深分布和测点位置Fig.10 Water depth distributions and station locations outside the south and west breakwaters

表3 南防波堤和西防波堤外SW向浪作用下设计高水位50 a一遇H1%波高分布Tab.3 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the SW direction under design high water level outside the south and west breakwaters m

根据表3中的结果,在SW向浪作用下,堤外最大H1%波高出现在西堤的拐点处(测点5),H1%波高值达到6.09 m,比附近测点波高高出约1 m。上述波高分布是由深槽地形对波浪的折射作用造成的,由于SW向浪与深槽地形夹角较小,折射作用较为显著[16-17]。由于深槽的折射作用,测点2～5的波高增加,深槽地形对堤外波高分布影响较大,在进行防波堤设计时应重视天然深槽的折射作用。同时,波浪折射后,堤前的波高增大(如测点2),高水位时这些波高较大的波浪可通过堤顶越浪进入港内,影响堤后的波高分布。

3.3 规划方案初步评估

由于初步设计方案对偏北向的浪掩护效果相对较差,在此基础上提出了规划方案。图11为规划方案平面布置图。北防波堤沿港池边界延长,堤头与陆地仅留有200 m左右的开口,对西防波堤北堤头附近也适当延长,增加150 m的沿航道的拐弯段,同时,增加大型渔船码头的泊位数量,各结构物的结构形式不变,航道与锚地的设计底标高不变。

图11 规划方案总平面布置图Fig.11 The plane layout of planning scheme of Zhapo fishery port

规范方案中北防波堤与大型渔船码头间的开口宽度显著减小,延长的北防波堤、西防波堤对偏北向的NW、NNW、NNE向浪形成良好的掩护。根据表2的结果,对偏南向的S、SW、W三个浪向,W向浪对西堤后的锚泊区域影响最大。因此,规划方案仅进行W向浪的设计高水位50 a一遇情况下的试验,通过试验结果对规划方案后的港内波高进行初步评估。

图12为规划方案设计高水位50 a一遇W向浪作用下港内H1%波高分布图。与初步设计方案相比,南堤口门附近的波高基本没有变化,由于北侧港池基本被延长的北防波堤挡住,初步设计方案北防波堤北堤头绕射进来的浪在规划方案基本不存在,邻接北堤的港池区域波高较初步设计方案有所减小。西堤北堤头增加了一个沿航道方向的拐弯段,西堤北堤头处绕射后的波浪波高有所减小。外港池600 HP及以下渔船锚地H1%小于1 m的范围约为34.6万m2,比初步设计方案增加约4.6万m2。外港池南侧休闲船舶锚地H1%小于1 m的范围约为13.0万m2,与初步设计方案相同。外港池内H1%波高小于1 m的总锚泊区面积约为47.6万m2,比初步设计方案增加约4.6万m2。

图12 规划方案W向浪作用下设计高水位50 a一遇H1%波高分布图(单位：m)Fig.12 The distribution of wave height H1% with 50 return period in the W direction under design high water level for planning scheme

4 结论

本文通过波浪整体物理模型试验对阳江闸坡一级渔港的港内波高分布进行了研究,试验结果表明：

(1)在初步设计方案下,渔港内设计高水位50 a一遇波浪作用下H1%波高小于1 m的锚泊区面积满足《广东省现代渔港建设规划(2016—2025年)》中示范性渔港(一级渔港)建设标准中对有效掩护面积的要求,但对于偏北的浪向,波浪可对外港池产生一定影响。

(2)南堤和西堤外的深槽地形引起波浪折射,对堤外波高分布产生较大影响,在进行防波堤设计时应重视天然深槽的折射作用。

(3)规划方案拟延长的北防波堤和西防波堤有效地提高了对港区的掩护作用。在设计高水位50 a一遇W向浪作用下,外港池内H1%波高小于1 m的600 HP及以下渔船锚泊区面积约为47.6万m2,比初步设计方案增加约4.6万m2。