淺析綏中港區(qū)碼頭泊穩(wěn)條件問題的改善措施

唐國明 高峰 劉洋 王越 劉針 張慈珩

摘 要：碼頭泊穩(wěn)條件是決定港口設(shè)計(jì)成功與否和正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，防波堤掩護(hù)條件以及口門位置、朝向的布置對港內(nèi)波浪傳播規(guī)律起著至關(guān)重要的作用。本次研究針對綏中港現(xiàn)狀布置條件下存在的泊穩(wěn)問題以及改善措施布置方案，進(jìn)行了波浪整體物理模型試驗(yàn)，給出了優(yōu)化建議，對下一步方案實(shí)施提供了理論支持和科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，港內(nèi)由于現(xiàn)階段全掩護(hù)布局尚未形成，導(dǎo)致港區(qū)缺乏對SSW～SE向的有效掩護(hù)，波浪可直接作用至已建碼頭，導(dǎo)致?lián)p失作業(yè)天數(shù)增多，是現(xiàn)場泊穩(wěn)條件較差的主要原因。二期104#和105#碼頭建設(shè)后，港內(nèi)波況將進(jìn)一步惡化，因此對西大堤進(jìn)行延長、東圍堰延長及口門臨時堤的建設(shè)可以有效降低港內(nèi)波高，并結(jié)合港池夾角區(qū)局部開孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波況，減少損失作業(yè)天數(shù)，提高泊穩(wěn)條件。

關(guān)鍵詞：波浪;泊穩(wěn)條件;平面布置;波能集中

中圖分類號：U617.9? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0071-04

新一輪東北振興戰(zhàn)略為遼寧沿海港口建設(shè)創(chuàng)造了全新的機(jī)遇，作為錦州港和營口港的補(bǔ)充[1]，葫蘆島港綏中港區(qū)位于遼寧省綏中縣葫蘆島市的南部遼東灣，西鄰秦皇島港，東臨葫蘆島港。綏中港區(qū)是葫蘆島港近期重點(diǎn)開發(fā)的港區(qū)，是遼寧沿海港口群的重要組成部分，是遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展的重要保障之一，也是地方經(jīng)濟(jì)和臨港工業(yè)的重要支撐[2][3]。按照設(shè)計(jì)方案（如圖1所示），港區(qū)由東、西防波堤環(huán)抱而成，東、西防波堤堤頭在-13.5m等深線附近形成口門[4]。（圖片附后）

目前，已建成的項(xiàng)目有直立式碼頭，東、西圍堰和外海側(cè)部分西堤，現(xiàn)狀布置如圖1所示。隨著開港后港區(qū)生產(chǎn)的順利開展，到港船舶數(shù)量日益增多。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與勘察，工程區(qū)已建西圍堰內(nèi)外側(cè)均有不同程度的破壞，由于面向外海開敞式布局，現(xiàn)有西南側(cè)大堤由于未能按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施其掩護(hù)范圍有限，同時港內(nèi)已有#101～#103泊位處波浪條件較為復(fù)雜，影響船舶停泊與作業(yè)條件。據(jù)業(yè)主反映，碼頭泊穩(wěn)條件較差。考慮到現(xiàn)場平面布置的完成現(xiàn)狀，以及泊位泊穩(wěn)條件的要求和港區(qū)水域波浪條件，平面布置對港內(nèi)泊穩(wěn)條件產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此，需對港區(qū)目前泊穩(wěn)條件不佳的原因以及后期建設(shè)改善措施進(jìn)行研究。

1 主要問題和研究思路

1.1主要研究問題

港區(qū)原設(shè)計(jì)方案將由東、西防波堤環(huán)抱而成，但實(shí)際施工完成情況目前僅建成西側(cè)防波堤的一部分，且港池現(xiàn)有布局存在凹角波能集中等情況，同時沿堤流和波浪又對堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。基于上述幾方面原因，導(dǎo)致港區(qū)實(shí)際上為半開敞布置，其泊位受防波堤的掩護(hù)效果較差，泊穩(wěn)條件不佳，同時部分波能集中區(qū)堤防還有破壞現(xiàn)象。

1.2 主要研究思路

本次研究的主要思路是通過波浪整體物理模型試驗(yàn)?zāi)M港區(qū)進(jìn)出港航道、口門布置對港內(nèi)泊穩(wěn)條件、波浪變化的影響及口門處波浪變形情況，并根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果提出分析意見、對口門寬度提出合理化優(yōu)化方案。試驗(yàn)需分析現(xiàn)狀情況泊穩(wěn)條件差的原因，并考慮二期碼頭（104#和105#碼頭）建設(shè)后，碼頭前泊穩(wěn)條件分析及改善措施。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)，分析現(xiàn)狀情況下碼頭泊穩(wěn)條件差和西圍堰破壞的主要原因，并得到擬建碼頭和防波堤位置處波要素。根據(jù)規(guī)劃對不同工況下港內(nèi)碼頭前的波高分布情況進(jìn)行研究，根據(jù)初始工況試驗(yàn)結(jié)果，與業(yè)主和設(shè)計(jì)院溝通后對工況進(jìn)行優(yōu)化，為工程的后續(xù)建設(shè)提供研究依據(jù)。

2 研究依據(jù)

2.1 計(jì)算水位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖O(shè)計(jì)院提供）

設(shè)計(jì)高水位? 1.88m;

極端高水位? 2.88m;

2.2風(fēng)浪資料

2016年7月～2017年7月中交一航院在工程區(qū)進(jìn)行了風(fēng)和波浪的同步觀測，波浪觀測點(diǎn)40°02.766′N，東經(jīng)：120°08.571′E，水深-13.5m，風(fēng)測站位置：40°04.6′N，120°07.3′E。根據(jù)分頻分級統(tǒng)計(jì)，波玫瑰與風(fēng)玫瑰見圖2所示。工程區(qū)常浪向?yàn)镾SW向，頻率為20.92%，次常浪向?yàn)镾向，頻率為18.73%，強(qiáng)浪向?yàn)镾E向和SSE向，觀測到的十分之一大波為3.1m。工程區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾W向，頻率為15.22%，次常風(fēng)向?yàn)镾SW向，頻率為13.94%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镾W向，觀測到的最大風(fēng)速為18m/s。

2.3 試驗(yàn)波要素

從實(shí)測風(fēng)浪資料來看，工程區(qū)主要受SE、SSE、S、SSW和SW向浪的影響，五個方向發(fā)生的頻率總和為67.72%。所以物理模型的試驗(yàn)方向選取SE-S-SW向。防波堤外側(cè)-13.5m等深線波要素見表3.3，1.2m、0.6m和 0.3m泊穩(wěn)條件時13.5m等深線波要素見表1，依據(jù)資料均由一航院提供。

2.4 試驗(yàn)工況

根據(jù)現(xiàn)狀的模擬與分析，提供泊穩(wěn)條件改善措施的優(yōu)化方案，共計(jì)行了12種平面布置工況的試驗(yàn)對比，結(jié)合試驗(yàn)效果選取其中比較典型的三種改善措施方案布置進(jìn)行分析，方案描述如下：

（1）現(xiàn)狀布置（如圖1）：包括港區(qū)目前已有布局和主要設(shè)施，用于驗(yàn)證目前泊位處泊穩(wěn)條件，并找出導(dǎo)致泊穩(wěn)不佳的原因，基于此工況提出優(yōu)化改建措施;

（2）改善方案布置1：針對現(xiàn)狀優(yōu)化方案，即在港區(qū)已建設(shè)施基礎(chǔ)上，為改善現(xiàn)有泊位的泊穩(wěn)條件，將東圍堰延長至1100m位置，將目前未完成的西大堤延長50m并拐向主航道附近（增加480m），如圖3-a;

（3）改善方案布置2：西大堤維持現(xiàn)狀，但在目前海域已批復(fù)范圍內(nèi)完成已規(guī)劃的西側(cè)104#-105#碼頭，為加強(qiáng)防護(hù)將東圍堰頭向西（港池方向）修建臨時防波堤289m，同時設(shè)置3座躉船（長62m×型寬8m×型深3m），作為口門區(qū)設(shè)置臨時防波堤，用于加強(qiáng)口門防浪能力，平面布置詳見如圖3-b所示;

（4）改善方案布置3：考慮到104#-105#碼頭的影響，為進(jìn)一步減弱入射波強(qiáng)度，采用改善布置1中西大堤延長50m并拐向主航道的布置方案，并在東南側(cè)水域的原規(guī)劃方案位置建設(shè)1100m島式堤，同時東圍堰向西延長部分（即臨時防波堤）軸線向南偏轉(zhuǎn)，為保證掩護(hù)范圍長度改為325m，新建104#和105#碼頭沉箱改為開孔布置，平面布置詳見如圖3-c所示。

3 物理模型試驗(yàn)研究

3.1? 模型概述

試驗(yàn)在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所波浪港池中進(jìn)行。港池長75m，寬42m，深1.5m。港池中配備有2臺25m/臺可移動式不規(guī)則造波機(jī)，分別對SE、SSE、S和SSW向波浪進(jìn)行模擬。根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，結(jié)合試驗(yàn)場地及設(shè)備能力綜合考慮，選取模型幾何比尺為80，亦即波高比尺為80，周期比尺為8.94。模型布置如圖4所示，模型中設(shè)置了消波和導(dǎo)波設(shè)施，以消除不利于試驗(yàn)的波浪反射和擴(kuò)散現(xiàn)象。

試驗(yàn)波浪采用單向不規(guī)則波。不規(guī)則波采用頻譜模擬，根據(jù)試驗(yàn)要求采用JONSWAP譜，其解析式為：

S（? ）=? ? ? H? ?T? ? ? ? ?exp? ? ? ? ? ? ? ? ?×

式中：? ? =

其中：

r為譜峰因子，試驗(yàn)取3.3，fp是峰頻，為譜峰頻周期TP的倒數(shù)，S（f）為譜密度，H1/3為有效波高，f為頻率，? ?為平均周期。

3.2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 現(xiàn)狀泊穩(wěn)不佳原因

波浪重現(xiàn)期2年一遇條件下，S向浪作用時已建碼頭東側(cè)可受來浪直接作用，最大波高可達(dá)2.66m;SSE向浪作用時已建碼頭仍可受來浪直接作用，波高最大為3.11m;SE向浪作用重現(xiàn)期2年104#和105#碼頭未開孔時，工況1西側(cè)圍堰內(nèi)側(cè)H4%在2.64m～3.24m，已建碼頭前受東側(cè)圍堰的掩護(hù)作用大部分波高小于2.0m;SSW向經(jīng)外海導(dǎo)堤繞射進(jìn)入港內(nèi)，受海側(cè)已建海堤的掩護(hù)，經(jīng)繞射進(jìn)入港內(nèi)的波高較小，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2年，現(xiàn)狀工況1，已建碼頭前波高最大為1.11m，104#和105#碼頭前最大波高為0.26m;考慮小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪后，已建碼頭前波高最大為1.41m;SW向浪作用下，受海側(cè)已建海堤的掩護(hù)較SSW向進(jìn)一步增強(qiáng)，經(jīng)繞射進(jìn)入港內(nèi)的波高較小，設(shè)計(jì)高水位重現(xiàn)期2年，現(xiàn)狀工況1，已建碼頭前波高最大為0.25m。

已建碼頭是5000噸級，按照《海港平面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定5000噸級碼頭在橫浪下的作業(yè)條件標(biāo)準(zhǔn)按照是0.6m，基于2016年7月至2017年7月歷時一年工程海域?qū)崪y波浪資料分析出的年波浪分頻分級，對不同浪向不同工況下年損失作業(yè)天數(shù)進(jìn)行了分析，得到現(xiàn)狀情況下，已建碼頭年損失作業(yè)天數(shù)最多為接近70天，這與現(xiàn)場泊穩(wěn)條件的實(shí)際情況基本一致。同時，由于SE向浪可直接作用到西圍堰內(nèi)側(cè)，是西圍堰結(jié)構(gòu)破壞的主要原因（如圖5所示）。由于工程區(qū)常浪向和次常浪向?yàn)镾SW和S向，已建碼頭東側(cè)受S和SSW向浪作用年損失作業(yè)天數(shù)較多，是現(xiàn)場泊穩(wěn)條件較差的主要原因。

3.2.2 改善方案對比分析

由于偏SW向在西大堤掩護(hù)下，整體防護(hù)效果相對較好，因此改善方案主要在S、SSW、SE和SSE四個浪向作用下進(jìn)行：

（1）改善方案布置1，針對現(xiàn)狀條件，已有海側(cè)西大堤的延長對港內(nèi)有掩護(hù)作用，已建碼頭年損失作業(yè)天數(shù)最多為15天，與現(xiàn)狀布置相比改善效果顯著;

（2）改善方案布置2，104#105#碼頭建設(shè)后，由于直立結(jié)構(gòu)的反射疊加和夾角處的波能集中影響，港內(nèi)波況進(jìn)一步惡化，通過東圍堰延長形成臨時堤以及系泊躉船的掩護(hù)，年損失作業(yè)天數(shù)最多為56天，其中現(xiàn)有泊位的東側(cè)各碼頭波高仍舊較大，泊穩(wěn)條件改善有限;

（3）改善方案布置3，布置形式綜合考慮了來自各個主要影響浪向的入射波傳播影響，延長已有防波堤、布置臨時堤以及離岸堤共同形成防護(hù)，可以有效阻擋來浪能量，降低港內(nèi)水域波高的情況下改善泊穩(wěn)條件，同時，104#和105#泊位的碼頭沉箱采用局部開孔布置可以有效抑制夾角波能集中導(dǎo)致的波高增加，已建碼頭前年損失的作業(yè)天數(shù)由降為12天，改善效果明顯，且104#、105#泊位處也得到有效控制。

4 結(jié)語

碼頭泊穩(wěn)條件是決定港口設(shè)計(jì)成功與否和正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，防波堤掩護(hù)條件以及口門位置、朝向的布置對港內(nèi)波浪傳播規(guī)律起著至關(guān)重要的作用。本次研究針對綏中港現(xiàn)狀布置條件下存在的泊穩(wěn)問題以及改善措施布置方案，進(jìn)行了波浪整體物理模型試驗(yàn)，給出了優(yōu)化建議，對下一步方案實(shí)施提供了理論支持和科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，港內(nèi)由于現(xiàn)階段全掩護(hù)布局尚未形成，導(dǎo)致港區(qū)缺乏對SSW～SE向的有效掩護(hù)，波浪可直接作用至已建碼頭，導(dǎo)致?lián)p失作業(yè)天數(shù)增多，是現(xiàn)場泊穩(wěn)條件較差的主要原因。二期104#和105#碼頭建設(shè)后，港內(nèi)波況將進(jìn)一步惡化，因此對西大堤進(jìn)行延長、東圍堰延長及口門臨時堤的建設(shè)可以有效降低港內(nèi)波高，并結(jié)合港池夾角區(qū)局部開孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波況，減少損失作業(yè)天數(shù)，提高泊穩(wěn)條件。

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