不同口門形式在防波堤工程中的應(yīng)用研究

趙軍

（天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456)

防波堤作為沿海港口的重要組成部分，兼具防浪、防沙和防止冰凌入侵的功能。港區(qū)防波堤布置的合理與否決定了港內(nèi)水域的平穩(wěn)程度，直接影響著港內(nèi)船舶的停泊、作業(yè)和航行狀態(tài)。針對防波堤的平面布置方案及相應(yīng)的港內(nèi)水域狀態(tài)，國內(nèi)外許多學(xué)者如張俊健[1]、曲紅玲[2]、阮程針[3]等都進(jìn)行了大量的研究，并得出了相關(guān)結(jié)論為港區(qū)防波堤設(shè)計(jì)提供參考。為研究防波堤口門布置形式對港內(nèi)水域的掩護(hù)狀態(tài)，本文通過改變防波堤軸線走向提出三種不同的口門布置方案，通過數(shù)值模擬對比不同方案港內(nèi)波高分布狀態(tài)，從而研究分析三種方案防浪效果，為防波堤口門布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 口門布置方案

口門是防波堤堤頭之間船舶出入口?？陂T既要方便船舶航行，又要盡量減少進(jìn)港的波能。本文提出了環(huán)抱形（圖1a）、八字形（圖1b）、一字形（圖1c）三種口門形式進(jìn)行研究。

1.1 環(huán)抱形口門布置形式

環(huán)抱形口門布置如（圖1a），A 段長2000m，B 段長685m，C 段長684m，D 段長2361m，口門寬1000m。防波堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式結(jié)構(gòu)。

1.2 八字形口門布置形式

八字形口門布置如（圖1b），A 段長2531m，B 段長2886m，口門寬1000m。防波堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式結(jié)構(gòu)。

圖1 口門布置形式（單位：m）

1.3 一字形口門布置形式

一字形口門布置如（圖1c），A 段長500m，B 段長500m，口門寬1000m。防波堤結(jié)構(gòu)形式為斜坡式結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模型試驗(yàn)研究

2.1 基礎(chǔ)資料

數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)考慮波浪從口門正向入射，波浪要素見表1。

表1 防波堤口門處重現(xiàn)期波要素

2.2 波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法及方程

港內(nèi)波浪計(jì)算采用Boussinesq 方程模擬外海傳入到港內(nèi)的波浪。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算方程

x 方向的動(dòng)量守恒方程：

y 方向的動(dòng)量守恒方程：

上述計(jì)算式中的相關(guān)參數(shù)：

上述方程中：P 和Q 分別為x、y 方向的水流速沿水深方向的積分結(jié)果；Fx 和Fy 分為x、y 方向主應(yīng)力；d 為靜止水面深度；為行進(jìn)波的波面計(jì)算高度；h 為總計(jì)算水深h=d+；B 為修正系數(shù)；α、β 分別為層流、紊流相對應(yīng)得阻力系數(shù)；腳標(biāo)（*t、*x、*y）表示相應(yīng)物理量（*）所對應(yīng)的時(shí)間、x 方向和y 方向的偏導(dǎo)數(shù)。

上述計(jì)算式中vt為渦流在水平方向的行進(jìn)速度，Rxx、Rxy和Ryy表示水體由于速度不均所引起的剩余動(dòng)量。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法

本次研究所采用的數(shù)值方法是由Abbott 等（1978）人研究并推廣到短波計(jì)算模擬領(lǐng)域的基于SYSTEM 21結(jié)構(gòu)一種計(jì)算方法，Madsen 等（1991）及Madsen &Srensen（1992）隨后對這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究及發(fā)展。

本研究采用矩形交替網(wǎng)格進(jìn)行空間離散的差分方程。此方法中網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)用于定義水面高程等標(biāo)量，網(wǎng)格線中點(diǎn)用于定義相應(yīng)方向的流量分量。中心格式用作除對流項(xiàng)以外的空間導(dǎo)數(shù)的有限差分近似值，時(shí)間的中心隱式格式用作時(shí)間積分，即Boussinesq 方程采用的算法是非迭代交替方向的隱式（ADI）算法分步計(jì)算。

2.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

利用BW 波浪數(shù)學(xué)模型，對各種口門布置形式下港內(nèi)繞射波浪場進(jìn)行模擬。環(huán)抱形口門布置形式模擬結(jié)果顯示口門比波高在0.4～0.6；港池比波高在0.05～0.3；八字形口門布置形式模擬結(jié)果顯示口門比波高在0.6～0.8；港池比波高在0.05～0.4；一字形口門布置形式模擬結(jié)果顯示口門比波高在0.4～0.8；港池比波高在0.05～0.6。各種口門形式下港內(nèi)比波高分布見圖2。

圖2 為各種口門形式下港內(nèi)比波高分布圖

通過BW 數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)，環(huán)抱形口門布置形式港池內(nèi)最大H13%波高為0.55m；八字形口門布置形式港池內(nèi)最大H13%波高為0.56m；一字形口門布置形式港池內(nèi)最大H13%波高為1.04m。

3 結(jié)論

防波堤的平面布置是決定港區(qū)運(yùn)營安全和成本的重要因素之一。本文通過對比環(huán)抱形、八字形、一字形三種口門形式，綜合分析不同波高分布，可知環(huán)抱形口門布置形式防浪效果最好，八字形次之，一字形最差。