某挖入式港池的波浪分析

◎ 杜冰茹 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1.引言

擬建客運(yùn)港位于珠江口橫門(mén)島東側(cè)海岸，該海域常浪向?yàn)镾E，次常浪向?yàn)镾SE、NNE, 出現(xiàn)率分別為16.7%、15.0%、13.9%。H1/10波高大于0.5m、1.0m、1.5m出現(xiàn)率分別為78.0%、0.1%、0.03%。客運(yùn)港碼頭港內(nèi)客運(yùn)船泊穩(wěn)條件2年1遇H4%，順浪為0.6m，橫浪為0.4m。擬建工程采用挖入式港池，采用防波堤對(duì)港內(nèi)客船進(jìn)行掩護(hù)。本文通過(guò)建立二維波浪模型，計(jì)算不同方案下港內(nèi)波高情況，評(píng)估各方案港內(nèi)泊穩(wěn)條件。為設(shè)計(jì)方案比選提供依據(jù)。

2.工程概況

2.1 工程方案

工程方案均為挖入式港池，港池底標(biāo)高均為-5.0m，航道底標(biāo)高均為-5.0m，停泊水域?qū)挾?0m。

（1）方案1。前沿布置了一座突堤與島式堤相結(jié)合的防波堤，形成一個(gè)含兩個(gè)口門(mén)的有掩水域。突堤寬度12m，突堤長(zhǎng)度為52.4m，進(jìn)出港單向航道底寬60m、雙向航道底寬105m，如圖1所示。

（2）方案2。前沿布置了兩座突堤式防波堤，形成一個(gè)單口門(mén)有掩水域，其中突堤式防波堤分別長(zhǎng)46m、233m，寬度均為10m，口門(mén)寬度為132m，有效寬度為105m，進(jìn)出港航道布置一條長(zhǎng)約1.3km的雙向航道。如圖2所示。

（3）方案3。 前沿布置了一座突堤式防波堤，形成一個(gè)單口門(mén)的掩水域，其中防波堤長(zhǎng)46m，島式防波堤長(zhǎng)307m，寬度為10m。進(jìn)出港航道布置一條長(zhǎng)約1.3km的雙向航道，如圖3所示。

3.海區(qū)波況特征

擬建工程位于伶仃洋西部橫門(mén)東水道西岸，該工程區(qū)域附近無(wú)實(shí)測(cè)的波浪資料。附近有港珠澳大橋短期測(cè)波站。港珠澳大橋測(cè)波站選在港珠澳大橋西人工島附近，水深約10米左右，觀測(cè)時(shí)間2007 年4月1日-2008 年3 月31 日。

港珠澳大橋測(cè)波站年平均有效波高Hs為0.38m，月平均有效波高的最大值為0.47m。年平均Tz為2.34s，月平均Tz在2.25s–2.49s 之間。全年SSE-SW方位間浪的出現(xiàn)率約為50%，全年NE-NW方位間浪的出現(xiàn)率約為40%；次常浪向中，9月到2月基本為N向，其余月份仍為偏南向。港珠澳大橋測(cè)波站7秒以上周期的波浪能量主要分布在7-9秒周期附近，分析7秒以上周期波浪能量等效波高。

4.模型建立

港外水域采用緩坡方程模型，該模型考慮了任意反射系數(shù)海堤、護(hù)岸等岸線構(gòu)成的任意變化水深地形水域的波浪的折射、繞射、反射和淺水效應(yīng)。

4.1 模型結(jié)果

由于篇幅限制，這里僅對(duì)50年一遇高水位下50年一遇NE、E和SE向的入射波浪進(jìn)行各方案的對(duì)比分析。其中，圖4～6表示各方案下NE入射浪的港區(qū)有效波高立體分布圖；圖7～9表示各方案下E入射浪港區(qū)有效波高立體分布圖；圖10～12表示各方案下SE向入射浪有效波高立體分布圖。

從結(jié)果圖可看出港外的水道、深坑和淺灘非常復(fù)雜，使得波高分布較“亂”。

工程北側(cè)的河涌也類(lèi)似于航道的對(duì)波浪類(lèi)反射作用，對(duì)NE-E向波在深槽二側(cè)能量集中。本工程浚后航道內(nèi)外水深變化較大，浚深的航道的對(duì)波浪類(lèi)反射作用使得波浪進(jìn)入航道的一側(cè)波高顯著增大，使得高波帶通過(guò)口門(mén)進(jìn)入港內(nèi)，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)堤頭的作用，堤頭結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)。由于港內(nèi)直立墻護(hù)岸的波浪反射作用，港內(nèi)波高有所增大，對(duì)港內(nèi)泊穩(wěn)是不利的。

對(duì)比各方案各個(gè)入射波向的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，總體來(lái)說(shuō)，方案一的港內(nèi)波高相對(duì)小些。

4.2 各方案對(duì)比

（1）計(jì)算點(diǎn)。圖13為港內(nèi)計(jì)算點(diǎn)分布圖。其中M01～M07為各泊位計(jì)算點(diǎn)。

（2）港內(nèi)各泊位波浪結(jié)果。港內(nèi)三個(gè)方案50年1遇重現(xiàn)期的最大H1%波高的比較見(jiàn)表1，由表一可見(jiàn)，方案一的港內(nèi)波浪整體要小些。

（3）作業(yè)天數(shù)。方案一：M01-M02、M06-M07和修泊區(qū)域泊位1年中風(fēng)與波浪不可作業(yè)天數(shù)年平均24天。

表1 50年1遇重現(xiàn)期的最大H1%波高比較

方案二：M01-M04和修泊區(qū)域泊位，主要為橫浪，M01-M04區(qū)域泊位1年中風(fēng)與波浪不可作業(yè)天數(shù)年平均24天。M05-M07區(qū)域泊位1年中，主要為順浪，M5-M7區(qū)域泊位1年中風(fēng)與波浪不可作業(yè)天數(shù)年平均14天。

方案三：M01-M04和修泊區(qū)域泊位，主要為橫浪，則M1-M4區(qū)域泊位1年中風(fēng)與波浪不可作業(yè)天數(shù)年平均8天。M05-M07區(qū)域泊位1年中，主要為順浪，則M05-M07區(qū)域泊位1年中風(fēng)與波浪不可作業(yè)天數(shù)年平均11天。

5.結(jié)論與建議

（1）從50年重現(xiàn)期的波浪結(jié)果看，方案一港內(nèi)波高情況相對(duì)較??；從一年的泊穩(wěn)條件看，方案三的港內(nèi)泊穩(wěn)條件要更優(yōu)。在結(jié)構(gòu)滿足安全使用的前提下，客運(yùn)港更重視港內(nèi)泊穩(wěn)條件。因此，從波浪的角度上來(lái)說(shuō)，方案3為推薦方案。

（2）具體方案的比選，還應(yīng)考慮水流條件、泥沙回淤量和工程造價(jià)等分析。