青島港董家口港區防波堤工程防浪效果研究

欒英妮，劉海源，張華慶

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱150001;2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

青島港董家口港區防波堤工程地處瑯玡灣外海開敞水域，外海波浪可直接傳至工程水域，作用于擬建工程建筑物，對港內水域泊穩條件造成影響，防波堤與口門布置成為影響港內波浪條件的關鍵。本文主要針對不同的防波堤堤頭結構型式、軸線走向以及口門寬度布置情況，對港區波高分布情況進行試驗研究。通過對試驗結果的對比，分析了不同防波堤布置形式下的防浪效果，得到防浪效果較好的防波堤布置形式，為工程的平面布置設計提供科學依據。

本工程防波堤堤身結構型式為斜坡堤結構，堤頭結構型式有直立式和斜坡式2種。碼頭結構型式采用實體直立結構。工程平面布置見圖1。

1 試驗波浪

工程區SE向為強浪向和常浪向［1］，是港內北二突堤散貨碼頭區起控制作用的浪向，SSE向和S向正對口門，對港內的影響也較大，故試驗考慮S、SE和SSE 3個方向。

（1）試驗水位（當地理論基準面起）：極端高水位+5.91 m；設計高水位+4.71 m；設計低水位+0.67 m。

（2）波浪要素［1］：工程區-17 m等深線各水位下重現期50 a，2 a的波浪要素見表1。

2 試驗方案

根據《海港總平面設計規范》（JTJ211-99），防波堤和口門的布置應滿足港內有足夠的水域、良好的掩護條件、適應遠期船型發展等條件。因此防波堤的布置除應對影響港內泊穩條件最多、最強或起到控制作用的波浪達到掩護作用外，還應防止由于防波堤堤體軸線方向或結構型式引起的反射波和順堤波對船用水域（航道、泊地等）產生有害影響［2］。

表1 -17 m等深線SE，SSE及S向試驗波要素Tab.1 Wave parameters of-17 m isobath of model test（SE，SSE and S directions）

工程平面布置的設計方案見圖1，防波堤分為東防波堤和西防波堤，東防波堤總長約5 200 m，西防波堤總長約1 720 m，口門寬度580 m，堤頭為直立式結構。在此基礎上，按照3種類型防波堤布置形式進行了6個對比方案的試驗研究［3］。其布置形式包括3種類型：類型一為在設計方案基礎上改變堤頭結構型式；類型二為在設計方案基礎上改變防波堤的長度；類型三為改變防波堤的走向。各方案的具體布置情況見表2。

表2 優化方案Tab.2 Optimization schemes

3 模型設計

試驗遵循交通部《波浪模型試驗規程》（JTJ/T234-2001）進行，模型按重力相似準則設計，采用定床、正態。比尺按下式確定

式中：λl為模型長度比尺；lp為原型長度；lm為模型長度；λT為波周期比尺。

模型長度比尺為100。根據比尺關系公式確定水深和波高比尺均為100，周期比尺為10。模型實際占地規模81 m×42 m（長×寬），包括東、西防波堤、北一至北五突堤及所在的各散貨和集裝箱碼頭、整個北港池和主航道等水域。模型中導流堤及各碼頭結構采用混凝土塊模擬，防波堤護面塊體按照其坡度鋪設相應重量石塊模擬。地形采用樁點法復制。高程用水準儀控制。試驗設備主要包括不規則搖板式造波機和TK2008型動態波高測量系統［4］。依據《海港水文規范》（JTJ213-98），在規范譜中用參數H*和P來決定其適用條件。其中H*決定采用深水譜公式還是有限水深公式；P值決定每個公式的適用范圍。根據試驗水位和波浪要素對規范譜參數進行計算，滿足規范譜要求。

4 方案比選及防浪效果分析

4.1 防波堤布置類型一防浪效果分析

防波堤堤頭結構型式對口門、航道及港內波浪條件的影響主要表現在結構型式的不同對波浪的反射和繞射產生的影響。對比設計高水位重現期50 a和2 a波浪作用下的試驗結果可知，防波堤直立式堤頭結構的掩護效果優于斜坡式，這是因為在底寬相同時，斜坡堤口門過水面積增大，進入港內能量增加，港內波高增大，掩護效果不如直立式堤頭結構。在S向波浪作用時，由于來浪方向與防波堤軸線走向不垂直，波浪入向與直立式堤頭迎浪面成一定角度，對波浪的反射作用較明顯，反射波浪對口門和航道處波浪產生不利影響，波高要比斜坡式堤頭大。但在SE向波浪作用時，來浪方向與防波堤軸線走向幾乎垂直，朝向口門的直立式堤頭一面為順浪，波浪反射不明顯，對口門處波高的影響不及斜坡結構產生的繞射浪。由于SE為工程區的影響浪向，考慮到對港內的掩護效果，認為直立式堤頭結構要比斜坡式堤頭結構合理。波高數據見表3和表4。

表3 S，SE向設計高水位2 a重現期波浪比波高情況Tab.3 Relative wave height in condition of 2 years return period,designing high water level and S,SE wave directions

表4 S，SE向設計高水位50 a重現期波高情況Tab.4 Wave height in condition of 50 years return period,designing high water level and S,SE wave directions m

4.2 防波堤布置類型二防浪效果分析

類型二中的對比方案二和對比方案四，堤頭縮短后口門寬度增大，從口門進入港區的波能增加，港內波高與設計方案防波堤布置相比增大。相反，對比方案三中的東、西防波堤堤頭加長，口門寬度減小，進入港區的波能減少，防波堤對港內掩護效果增強，港內波高與初步方案中防波堤布置情況相比減小。比波高情況見表5。

4.3 防波堤布置類型三防浪效果分析

類型三中對比方案五，東堤向南旋轉后，港內掩護區域與對比方案四相比進一步減少，港內波高比方案四稍有增大，與設計方案相比，平均增大約7%。對比方案六，西堤向南旋轉，雖港內受西堤掩護區域稍有減小，但北一突堤、北二突堤和西防波堤之間港內水域面積稍有增加，使得在該水域之間波浪的反射有所減小，港內波高與設計初步方案相比基本相當。比波高情況見表5。

綜合以上3種防波堤布置形式對港內掩護效果的分析，認為設計方案中的直立式堤頭型式是合理的。從波浪角度分析，對比方案三和設計方案的防浪效果要優于其他對比方案，但防波堤的布置不僅要考慮波浪要素還應考慮潮流及工程造價等因素。從潮流模型試驗結果分析［5］，對比方案三減小口門寬度，導致口門處流速增大，且從工程量來看，設計方案優于對比方案三。綜合分析波浪潮流及工程造價等因素后，推薦設計方案為最優方案。

表5 各方案SSE向設計高水位2 a重現期波浪比波高情況Tab.5 Relative wave height in condition of 2 years return period，designing high water level and SSE wave direction

5 結論

（1）本工程防波堤屬于雙堤環抱的掩護形式，在港內布置相同時，港內掩護效果主要取決于從口門進入港內波浪能量的大小，口門越寬，進去的波浪能量越多，掩護效果就越差，文中數據證實了這一點。

（2）比較3種類型防波堤布置形式可知，類型二中的對比方案三增加防波堤長度，減少了從口門進入港內波浪的能量，對港內掩護作用增強，防浪效果優于其他布置形式。但從潮流角度考慮，由于對比方案三口門寬度的減小，口門處流速大于設計方案，從工程量來看，設計方案優于對比方案三。因此綜合考慮潮流、波浪試驗結果及工程造價等因素后，推薦設計方案為最優方案。

［1］劉海源.青島港董家口港區防波堤工程波浪整體模型試驗研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［2］洪承禮.港口規劃與布置［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［3］楊會利，劉海源，鄭寶友.青島造船基地防波堤工程防浪效果研究［J］.水道港口，2008（1）：36-38.YANG H L，LIU H Y，ZHENG B Y.Research on prevention effects of breakwater in Qingdao shipbuilding base［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（1）：36-38.

［4］王秉哲，張吉.港口波浪模型的設計與試驗（二）［J］.水道港口，1984（5）：38-47.

［5］丁廣佳.青島港董家口港區防波堤工程潮流物理模型試驗報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.