涌浪影響下的某浮式LNG 接收碼頭港內(nèi)波浪研究

盧生軍，丁建軍，李少斌

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

與傳統(tǒng)陸上LNG 接收站相比，浮式LNG 接收碼頭具有建造成本低、周期短、選址方便、靈活性高及可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。浮式LNG 接收碼頭的接收終端通常包含一座浮式儲(chǔ)氣裝置 FSU（Floating Storage Unit）和一座再氣化浮平臺(tái)FRU（Floating Regasification Unit），而有些會(huì)將儲(chǔ)氣和氣化裝置合并建設(shè)在一個(gè)浮體上，稱為 FSRU（Floating Storage and Regasification Unit）[2]。

由于浮式LNG 接收碼頭是將原本由陸上或者在固定式平臺(tái)上操作完成的裝卸作業(yè)工藝移到了海上完成，且主要碼頭結(jié)構(gòu)采用浮式，故與傳統(tǒng)陸式接收碼頭相比，其裝卸作業(yè)和碼頭結(jié)構(gòu)對(duì)港內(nèi)波浪條件的變化更敏感，因而要求的波浪條件的精度也越高。另一方面，涌浪因周期長(zhǎng)、波能大，相較于風(fēng)浪，其因繞射、透射和反射導(dǎo)致的港內(nèi)波浪條件也更加惡劣，即在相同外海波浪條件下，涌浪將比風(fēng)浪產(chǎn)生更大的港內(nèi)波高及結(jié)構(gòu)波浪力。因此，當(dāng)需要在涌浪影響海域建設(shè)浮式LNG 接收碼頭時(shí)，應(yīng)特別對(duì)其港內(nèi)波浪條件進(jìn)行專門(mén)研究，為碼頭平面布置、船舶系泊和浮體錨碇結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的輸入條件參數(shù)。

本文依托某位于涌浪海域的浮式LNG 碼頭工程開(kāi)展的系列波浪數(shù)模及物理模型試驗(yàn)，并結(jié)合涌浪及浮式LNG 碼頭的具體特點(diǎn)，對(duì)該碼頭的港內(nèi)波浪進(jìn)行了分析研究，從而為今后涌浪影響海域的類似浮式LNG 碼頭工程的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

1.1 潮位及設(shè)計(jì)水位

依托工程位于西非的幾內(nèi)亞灣海域，根據(jù)Admiralty Tide Tables (ATT) (UKHO,2016)[3]提供的潮位信息，工程海域的潮位信息如下表1 所示。

表1 潮位信息

該碼頭工程的設(shè)計(jì)使用年限為25 年，防波堤設(shè)計(jì)使用年限為100 年。考慮近岸波浪增水、海平面上升等的影響后，確定用于碼頭設(shè)計(jì)的高水位和低水位分別為+2.1 mCD 和-0.2 mCD。

1.2 波浪條件

受源自大西洋高緯度地帶的溫帶氣旋長(zhǎng)距離傳播過(guò)來(lái)的波浪影響，工程區(qū)域波浪以長(zhǎng)周期涌浪為主，但也存在風(fēng)浪，以及由極端天氣“颮線”風(fēng)形成的浪?！帮R線”是只排列成帶狀的雷暴群，亦稱“不穩(wěn)定線”或“氣壓涌升線”，是一種范圍較小、生命史較短、氣壓和風(fēng)的不連續(xù)線，屬中尺度天氣系統(tǒng)之一，其寬度由幾百米至幾十公里，過(guò)境時(shí)間由幾分鐘至2 小時(shí)[4]。

1）外海波浪

通過(guò)對(duì)Oceanweather 公司W(wǎng)ANE3（West Africa Normals and Extremes project）模型提供的工程海域1979 年至2016 年的外海波浪后報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析[5]，得到工程海域波高與周期及波高與波向的分布如圖1 至圖3 所示，其中風(fēng)浪和涌浪的分離采用二維譜方法[6]。

從圖1 至圖3 可以得出，工程海域外海波浪具有如下明顯特征：

圖1 波高Hs 與周期Tp 散點(diǎn)圖（涌浪）

圖2 波高Hs 與周期Tp 散點(diǎn)圖（風(fēng)浪）

圖3 波高Hs 與波向散點(diǎn)圖

①工程海域既有風(fēng)浪又有涌浪，波浪以涌浪為主，波周期Tp分布范圍較大，最大可達(dá)20 s；

②涌浪波高Hs一般小于2.5 m，但在波高Hs為1.5 m 時(shí)，其周期Tp可達(dá)到20 s，周期較長(zhǎng)；

③風(fēng)浪波高Hs一般小于2.0 m，周期Tp小于8 s；

④波浪方向集中于南偏東或偏西10°范圍，即波向?yàn)?70°至190°。

2）近岸波浪

基于WANE3 模型提供的外海長(zhǎng)期波浪連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用頻率統(tǒng)計(jì)方法得到外海不同重現(xiàn)期的極值波浪要素。然后通過(guò)MIKE21-SW 分析模塊[5]，計(jì)算得到防波堤堤腳處的近岸設(shè)計(jì)波浪要素如下表2 所示。由于該海域既有風(fēng)浪又有涌浪，故同一重現(xiàn)期波高往往對(duì)應(yīng)一個(gè)范圍的波周期。

表2 設(shè)計(jì)波高Hs

1.3 碼頭平面

碼頭位于現(xiàn)有老港已建防波堤口門(mén)的南側(cè)位置，包含一座永久系泊的FRU 平臺(tái)和一艘FSU 儲(chǔ)汽船，用于系靠FSU 及LNG 船的系、靠船墩，固定FRU 的錨樁結(jié)構(gòu)，以及為碼頭提供掩護(hù)的780 m長(zhǎng)新建防波堤。LNG 船定期將LNG 卸載儲(chǔ)存至FSU，經(jīng)FRU 進(jìn)行再氣化后，通過(guò)一根海底管線輸送到岸上，用于發(fā)電和其他商業(yè)用途。碼頭平面布置如圖4 所示。

圖4 碼頭平面布置

1.4 防波堤結(jié)構(gòu)

為給該浮碼頭提供掩護(hù)，項(xiàng)目在已有防波堤的堤頭位置處新建了780 m 長(zhǎng)防波堤延長(zhǎng)段。因工程位置外海波浪方向?yàn)檎舷颍?70°至190°），故防波堤軸線采用東西向U 型布置形式，如圖4 所示。

防波堤采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤心透浪。堤頂高程設(shè)置在高水位以上約1.5 倍波高位置+6.3 mCD處，寬度為9.9 m，故堤頂在極端波浪條件下會(huì)存在越浪。防波堤前、后坡坡度均為1:1.5，前坡采用2 m3的AccropodeTMII 型護(hù)面塊體，而后坡采用2～5 t 護(hù)面塊石以節(jié)省成本。防波堤典型斷面如圖5 所示。

圖5 防波堤典型斷面示意圖

2 港內(nèi)波浪數(shù)模

采用MIKE21 軟件的BW 模型對(duì)防波堤掩護(hù)后的港內(nèi)波浪進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]。該BW 模型能夠模擬波浪的折射、繞射、反射、淺水變形及破碎等波浪傳播過(guò)程，故其適合于模擬外海波浪向港內(nèi)的滲透。模型邊界采用完全吸收邊界，即未考慮防波堤的反射、透浪、越浪及港內(nèi)波浪多次反射疊加對(duì)港內(nèi)波浪的影響。

模型模擬了有效波高Hs=1.0 m，不同波浪周期（Tp=8 s，12 s，16 s，20 s）下港內(nèi)的波高分布情況。由于工程海域水深大，波高小，水位和波高對(duì)港內(nèi)波浪繞射的影響基本可以忽略，故此時(shí)港內(nèi)波高可認(rèn)為基本等于其波浪繞射系數(shù)。波浪數(shù)模分析得到的港內(nèi)波高（繞射系數(shù)）分布如圖6 所示。

圖6 不同周期下的港內(nèi)波浪繞射系數(shù)

從上圖6 可以得出，外海入射波因新建防波堤的阻擋掩護(hù)，絕大部分波能因波浪破碎及防波堤的反射而被消耗，最終經(jīng)繞射進(jìn)入港內(nèi)的波能較小，波浪繞射系數(shù)最大不超過(guò)0.3。另外，從不同波周期下的港內(nèi)波浪分析結(jié)果可知，周期對(duì)港內(nèi)波浪的影響較大，涌浪因波周期長(zhǎng)、波能大、繞射能力強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致的港內(nèi)波高也就越大。

3 港內(nèi)波浪物模

3.1 防波堤透浪2D 物模試驗(yàn)

該工程防波堤為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤身透浪。堤頂雖僅在極端波浪條件下會(huì)產(chǎn)生越浪，但因與傳統(tǒng)碼頭不同，該浮式LNG 碼頭的FSU 及FRU 為永久系靠，極端波浪條件下無(wú)法離港避浪，防波堤堤身透浪及堤頂越浪導(dǎo)致的港內(nèi)波浪均會(huì)對(duì)泊穩(wěn)和浮體結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大影響。因此，通過(guò)2D 物模試驗(yàn)，對(duì)防波堤的透浪特性進(jìn)行了專門(mén)研究。

試驗(yàn)在二維波浪水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽長(zhǎng)80 m，寬1 m，高1.5 m，模型布置如圖7 所示。水槽一段安裝推板式造波機(jī)，控制系統(tǒng)帶有二次反射主動(dòng)吸收程序，可消除波浪二次反射的影響。試驗(yàn)斷面布置在水槽的另一端，在試驗(yàn)斷面后方FRU 中心、FSU中心及LNG 船中心位置布置有浪高儀，用以測(cè)量經(jīng)防波堤透浪和越浪產(chǎn)生的堤后波高。

圖7 2D 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠D

試驗(yàn)采用不規(guī)則波，波譜為JONSWAP 譜，譜峰升高因子取γ=3.0。試驗(yàn)波浪組次如下表3 所示。

表3 試驗(yàn)波浪組次

通過(guò)對(duì)2D 物模試驗(yàn)堤后測(cè)量波浪數(shù)據(jù)的分析，得到堤后不同位置處的波浪透浪系數(shù)隨周期的變化如圖8 所示。

圖8 堤后透浪系數(shù)隨波周期變化

從上圖可以得出，當(dāng)波浪周期較小時(shí)，防波堤堤后透浪較小，而透浪系數(shù)隨著波浪周期的增加而幾乎線性增長(zhǎng)。

3.2 3D 波浪物模

通過(guò)3D 物理模型試驗(yàn)，對(duì)港內(nèi)波浪做了進(jìn)一步研究。試驗(yàn)在一長(zhǎng)56 m 寬34 m 的波浪港池中進(jìn)行，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，比尺1:40。模型中共布置了19 根波高儀用于港內(nèi)和防波堤堤腳處的波浪測(cè)量。3D 試驗(yàn)的波浪組次及波譜同2D 物模試驗(yàn)。經(jīng)分析3D 試驗(yàn)測(cè)量的波浪數(shù)據(jù)，得到不同組次下的港內(nèi)波高如表4 所示。

表4 港內(nèi)波高數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 水位的影響

通過(guò)波浪數(shù)模及3D 物理模型試驗(yàn)?zāi)M得到港內(nèi)水域的波浪情況，其在高水位+2.1 mCD 和低水位-0.2 mCD 時(shí)的港內(nèi)波浪繞射系數(shù)對(duì)比如圖9 所示。

圖9 不同水位下港內(nèi)繞射系數(shù)

從上圖可以得出，高、低水位下的波浪繞射系數(shù)基本對(duì)稱分布于中線兩側(cè)，即說(shuō)明水位對(duì)港內(nèi)波浪繞射系數(shù)影響很小，幾乎可以忽略。這一方面是由于本工程高、低水位差較小，為2.3 m。更主要的是因?yàn)楦蹆?nèi)水深較深，超過(guò)-15 mCD，而入射波經(jīng)過(guò)繞射之后進(jìn)入港內(nèi)的波高較小，不足1 m，此時(shí)為深水波情況，港內(nèi)波浪在高、低水位時(shí)均未發(fā)生明顯淺水變形和破碎。

4.2 周期的影響

本工程位于涌浪影響海域，為研究長(zhǎng)周期涌浪對(duì)港內(nèi)波浪繞射的影響，通過(guò)數(shù)模及3D 物模結(jié)果繪制了港內(nèi)不同位置處波浪繞射系數(shù)隨波周期的變化如圖10 所示。

圖10 繞射系數(shù)隨入射波周期變化

從上圖可以明顯的發(fā)現(xiàn)波浪繞射系數(shù)隨波周期的變化有如下特征：

a.數(shù)模及3D 物模結(jié)果均表明，港內(nèi)波浪繞射系數(shù)隨著波浪周期的增加而增大，且基本呈線性增加趨勢(shì)；

b.當(dāng)波浪周期較小時(shí)（Tp=7 s），港內(nèi)繞射系數(shù)數(shù)、物模結(jié)果基本相等，但隨著波浪周期的增加，物模結(jié)果明顯大于數(shù)模，且周期越大，差值越大。

4.3 透浪的影響

由于波浪數(shù)模沒(méi)考慮防波堤透浪及港內(nèi)波浪多次反射對(duì)港內(nèi)波高的影響，故從圖10 可以明顯看出，數(shù)模中的港內(nèi)波浪繞射系數(shù)明顯小于物模結(jié)果。在忽略波浪方向及相位的影響后，通過(guò)簡(jiǎn)單的波能平衡原理，將2D 物模測(cè)量得到的防波堤透浪與數(shù)模繞射波浪合并以考慮防波堤透浪的影響后，得到修正后的數(shù)模結(jié)果如圖11 所示。

圖11 修正后的數(shù)模結(jié)果

從上圖可以得出，在考慮防波堤透浪的影響后，港內(nèi)波浪繞射系數(shù)有了明顯增加，比較靠近物模結(jié)果，但仍還有一定偏差，這是由于數(shù)模中沒(méi)有考慮港內(nèi)波浪多次反射后導(dǎo)致的波能聚集，而本項(xiàng)目的波浪又以涌浪為主，長(zhǎng)周期涌浪在港內(nèi)的多次反射和共振現(xiàn)象導(dǎo)致的波能聚集明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

依托某在建浮式LNG 碼頭工程的波浪數(shù)模及物理模型試驗(yàn)，對(duì)涌浪影響海域的港內(nèi)波浪進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）防波堤透浪對(duì)港內(nèi)波高有明顯影響，周期越長(zhǎng)透浪越大，對(duì)港內(nèi)波浪影響也越大。故在評(píng)估長(zhǎng)周期涌浪影響下的港內(nèi)波浪時(shí)，不宜直接忽略防波堤透浪的影響。

2）波浪周期對(duì)港內(nèi)波浪有顯著影響，港內(nèi)波高隨著波浪周期的增加而增大，且呈線性增加趨勢(shì)。

3）長(zhǎng)周期涌浪透射及反射能力較強(qiáng)，一般波浪數(shù)模由于不能真實(shí)模擬防波堤透浪及港內(nèi)多次反射導(dǎo)致的波能聚集現(xiàn)象，故分析得到的港內(nèi)波高結(jié)果偏小，這對(duì)于浮式LNG 碼頭需特別注意，因其對(duì)港內(nèi)波高的變化十分敏感，波高的微小增加將會(huì)導(dǎo)致浮體所受波浪力及運(yùn)動(dòng)量的顯著增大。此時(shí)，建議通過(guò)3D 波浪物理模型試驗(yàn)對(duì)港內(nèi)波浪做更準(zhǔn)確評(píng)估。