深水航道對波浪傳播的影響.docx

深水航道對波浪傳播的影響1.1 研究的背景及意義目前全國各地港口都在蓬勃發(fā)展中，港口要發(fā)展，必定要擁有深水泊位、深水航道的支持，這樣才能配合船舶大型化的發(fā)展要求，各地港口都在建設深水航道“海上高速公路” 。繼 08 年 8 月 15 萬噸級航道建成后，連云港正在建設30 萬噸級航道，該航道全長為 71 公里，總投資約 78.9 億元，屆時可建 200 多個萬噸級以上的碼頭，必將成為連云港的城市命脈。目前長江口深水航道治理三期工程已經(jīng)完工，12.5m 水深航道正式通航，并同步延伸至太倉，上海的“江海聯(lián)運”優(yōu)勢得以進一步放大。天津港 25 萬噸級航道工程航道全長37 公里，底寬315 米，水深達到 19.5 米，疏浚總工程量約 4656 萬立方米。可滿足 25 萬噸級油輪、20 萬噸級散貨船滿載進出港，以及 10 萬噸級以下船舶，第五代和第六代集裝箱船雙向航行的需要。航道的加深加寬， 以及防波堤形式的改進給各個港口城市的經(jīng)濟發(fā)展帶來了新的活力， 但是深度寬度均加大的人工開挖航道和港池對港內(nèi)波浪傳播變形以及口門附近防波堤堤頭部分的波浪作用帶來了很大的影響。珠海港風浪與主航道的夾角較小（見圖1.1-1）, 大部分波不能穿越航道，而在航道東側集聚。1998年 12 月 25 日在臺風浪的沖擊作用下,使順浪向靠近北港池的平排山護岸發(fā)生破壞。現(xiàn)場目擊者觀察到 SSE 向波浪從外海進入港區(qū)后沿主航道行進時波高逐漸增大,到達平排山對面時轉向,朝平排山方向沖擊,致使護岸遭到破壞。在其他的工程設計中也出現(xiàn)這種現(xiàn)象，如在大連港大窯灣散糧碼頭建設中，發(fā)現(xiàn)了在航道的影響下使得防波堤堤頭波高明顯增大的現(xiàn)象。如圖1.1-2所示， 大窯灣新港區(qū)要開挖通航要求為8 萬噸級的南航道， 在SE向波浪作用下, 南航道軸線與其夾角較小，為 10，使得航道的折射效果非常明顯, 航道南側的防波堤堤頭所在位置處波高加大了 30%以上，同時在 ESE 向波浪作用下, 由于航道的折射作用, 使航道北側即將建設的島式防波堤所在位置處波高加大了50%。圖1.1-1圖 1.1-2 大連港大窯灣散糧碼頭據(jù)此， 進行港口工程設計時必須考慮人工開挖的深水航道對港內(nèi)波浪傳播的影響，以減少布置港內(nèi)建筑物時的失誤，避免建筑物的破壞。另外，在防波堤堤頂高程降低的情況下，防波堤允許越浪，甚至潛堤形式的應用，更是給港內(nèi)波浪場的模擬增加了難度。因此如何綜合考慮深水航道、越浪以及波浪透射對港內(nèi)外波場的影響成為深水航道建設的關鍵技術。1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問題外海波浪傳入近岸淺水地區(qū)時，由于受到復雜地形、障礙物和水流等因素的影響,將發(fā)生淺化、折射、繞射、反射、底摩擦能量耗散及破碎等一系列復雜現(xiàn)象,即波浪傳播發(fā)生變形。 對于實際工程中的波浪問題，解決的方法有數(shù)學解析，數(shù)學模型和物理模型三種。而數(shù)學解析的辦法只適用于較為簡單的情況，目前使用較少；數(shù)學模型具有經(jīng)濟、 快速、 計算范圍大和不受比尺影響等優(yōu)點， 伴隨計算機性能的不斷提高，計算方法的不斷進步，眾多軟件包的形成，數(shù)模正在被廣泛地應用于計算波浪傳播變形的問題中，但目前某些物理現(xiàn)象理論上尚未解決，因此復雜的波浪傳播變形仍不能很好地用數(shù)模表現(xiàn)出來。物理模型能較好的模擬波浪的折射、反射、繞射等現(xiàn)象，但由于場地大小限制僅使用于小范圍的波浪傳播變形且其耗時較長、花費人力物力較多。 基于天然波浪的傳播變形具有相當?shù)膹碗s性，目前解決實際工程中較復雜的波浪傳播問題一般采用數(shù)模和物模相結合的方法。121深水航道對港內(nèi)外波場影響研究目前國內(nèi)外對于航道對港內(nèi)外波浪傳播的影響都有了一定的研究，具體分別從數(shù)模和物模兩方面對其進行概述。 并對減少航道對波浪傳播的不利影響的措施進行了概述。1.2.1.1數(shù)值模擬方法隨著各種數(shù)學模型的改進和發(fā)展及計算機性能的提高， 目前有很多學者致力于采用數(shù)學模型進行航道對港內(nèi)外波浪傳播的影響的分析，也得出了一些結論。 左其華、楊正己采用 Niclson一 Crank差分法求解拋物線型波浪折射、繞射聯(lián)合計算方程，探討了不同入射角的波浪在典型航道中傳播時波高的變化。得出結論：當入射波向與航道中心線垂直時，波高比可用淺水系數(shù)來計算；當入射波向與航道中心線平行時，航道內(nèi)的波高隨傳播距離的增加而減?。划斎肷洳ㄏ蚺c航道中心線夾角為 1530時，較大的波高比出現(xiàn)在迎浪側航道邊坡及其附近灘地上，航道對背浪側起到遮蔽作用；當夾角大于 45時，航道對波浪傳播的影響逐漸開始減弱。 吳達開將透浪側界拋物線模型、 結合方向譜計算德方法應用于研究航道波浪問題，提出航道影響線的概念，得到了航道口門橫斷面的波能偏態(tài)盆形分布模式。張永剛等應用 Boussinesq 方程采用有限差分法建立了非線性數(shù)值波浪模式，并對航道開挖造成水深變化從而使波浪傳播發(fā)生異常現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。得出這種異?，F(xiàn)象是由波浪的繞射和折射所造成的， 主要原因是入射波向和航道中心線夾角較小。 龍文等采用線性水波的折射理論和非線性淺水波的數(shù)值模擬方法來研究航道港池對港區(qū)波浪的折射作用，并分析了珠海港臺風浪破壞護岸的原因。 趙智幫等采用了數(shù)學模型方法廣泛探討了航道水深、航道邊坡坡度、航道寬度、海底坡度以及波浪入射角對波浪傳播變形的影響，并分析論證了臨界入射角在實際工程中的意義。吳達開將航道與波浪作用的全場波能分布概化為回折型反射、 繞射和直射三型；對各種入射角條件下的平底繞射理論解作了分析，得出堤前最大比波高值是一不變量；考慮回折繞射與單堤繞射的分區(qū)類似以及焦散線的虛擬性，獲得航道近域最大比波高控制上限是所在位置的緩坡折射比波高的 2.34倍。 陳漢寶應用 Boussinesq 方程對不同入射角度，不同方向集中度的波浪與航道的相互作用進行模擬，研究航道的折射規(guī)律。研究表明當考慮多方向不規(guī)則波后，波能集中顯著均化；小角度入射時，采用單方向不規(guī)則波入射時進入港池的波能出現(xiàn)明顯的減小，可能出現(xiàn)偏于危險的結果。 柳淑學、俞聿修利用改進的 Boussinesq 方程所建立的有限元數(shù)值計算模型， 研究了開挖航道對波浪傳播的影響以及航道和開挖港池對港內(nèi)波浪分布的影響，指出了航道對波浪傳播的影響不僅受波浪傳播方向控制，同時還受航道尺度和波浪沿航道傳播距離控制。劉海源等采用 Boussinesq 方程波浪數(shù)學模型來模擬小范圍波場，并采用物理模型進行驗證。結果表明航道兩側數(shù)學模型結果比物理模型結果要稍大，相應的航道中的波能減少也稍大一些。 這說明數(shù)值模擬時航道對波浪的折射作用比物模試驗更為明顯。 董利民等采用了基于 Boussinesq 方程的波浪數(shù)學模型分別對有無航道情況下雙突堤條件下港內(nèi)的波浪分布進行數(shù)值計算，并將波浪分布情況進行比較，指出不能用純繞射來代替折、繞射聯(lián)合作用。 龐紅梨等是應用復合折射繞射模型 REF/DIF 模型對深水航道對波浪傳播的影響規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究。得出雖然在航道邊坡附近波高顯著增加，波能聚集，為港口工程帶來隱患，但由于航道對波浪的影響與航道寬度、深度、邊坡坡度都有關系，只要合理布置并使航道有一定的長度，是可以改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件的。1.2.1.2 物模試驗方法數(shù)模的發(fā)展非常迅速，對折射繞射的模擬也相當成功，但有些物理現(xiàn)象，理論上尚未有合適的方法進行解決，深水航道對潛堤堤后波浪傳播的影響就是這樣，航道邊坡是一個陡坡，變化非常劇烈，按照港口工程水文規(guī)范的方法，手工繪制折射圖的方法非常困難，而計算機模擬時由于航道寬度較窄，航道兩側邊坡以及航道往往不能被精確地反映出來，而潛堤的模擬過程非常復雜，包括越浪、波浪透射以及波浪反射等物理現(xiàn)象，而越浪過程還包含著強烈卷吸、射流、破碎等復雜問題，因此選擇怎樣的數(shù)模來進行模擬較為恰當，以及模擬過程細節(jié)的處理（如航道邊坡處理，潛堤處理等）都是很復雜的問題；所以當實際工程問題到來時，人們往往還是應用物理模型來進行復雜物理現(xiàn)象的模擬。 在第十四屆海岸工程會議上, J.A.Zwamborn和G.Grieve發(fā)表了關于進港航道使波浪發(fā)散和會聚的問題 ， 該文是在為南非Richards灣港口門的平面布置設計做整體模型試驗以后得出的成果，Richards灣港航道寬三百多米, 航槽內(nèi)水深25米，航槽外水深約20米。模型試驗采用規(guī)則波進行，試驗結果表明航道對波浪的折射隨著航道內(nèi)外高差增加而增大， 試驗結果還表明當波浪入射方向與航道軸線方向接近平行時，航道內(nèi)的波浪向兩側折射，使航道兩側的波浪增大，而當波浪相對于航道軸線斜向入射時，航道一側的波浪增大，而另一側的波浪減小。他們的研究還指出了波浪在航道邊坡上產(chǎn)生集聚這種現(xiàn)象只是當波向在一個很窄區(qū)間內(nèi)時才會發(fā)生, 并提出了“臨界入射角”的概念及估算方法。 臨界入射角可由式估算，式中，為波向線與航道軸線的夾角，為航道外波速，為航道內(nèi)波速。當波浪在口門前以臨界入射角進入航道時，波浪在邊坡上折射，其波向剛好與航道走向一致，導致口門處波高增大，由航道進港的波能增加，使港內(nèi)泊穩(wěn)條件惡化。趙智幫通過煙臺西港池工程，大連大窯灣散糧碼頭工程的整體模型試驗，指出了忽略航道對波浪的作用，在某些情況下是偏安全的，但在另一些情況下是不安全的，應慎重對待航道對波浪的折射作用。 楊憲章等通過幾個港口工程模型試驗為例， 論述了航道對波浪的作用以及航道走向對港內(nèi)泊穩(wěn)的影響。文中指出，波浪以小角度入射時，波浪向航道外折射，降低了入港波浪。在選擇航道走向時應避免常浪向或強浪向以臨界入射角進入航道， 應充分利用航道對波浪作用中對工程有利的一面， 以改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。 俞聿修等結合港口整體模型試驗實例， 采用了不規(guī)則波特別是多向不規(guī)則波進行了港口整體模型試驗， 得出的入港航道可能對口門附近防波堤的設計波高及港內(nèi)的波場產(chǎn)生較大影響。陳漢寶等通過整體物理模型試驗， 研究了深水航道對斜向入射波浪傳播的影響。指出入射角大于臨界角時會產(chǎn)生“完全反射” ， “反射”波系和來波波系相疊加，使得航道迎浪側在此條件下會出現(xiàn)波高水深比大于1.0的情況。劉愛珍研究了在有雙突堤的情況下航道對波浪傳播的影響， 分別研究了口門寬度和航道各尺度對波浪傳播變形的影響。 但物理模型本身試驗進度太慢，耗費較多人力物力，且隨著航道寬度深度的增加，也給物理模型試驗提供了難度。所以如何正確地選擇數(shù)學模型與物理模型相結合進行比較驗證也是目前迫切需要研究和解決的問題。1.2.1.3 減少航道對波浪傳播不利影響的措施在確定航道對波浪影響規(guī)律的基礎上， 很多學者提出采用一些措施來減少航道對波浪傳播變形的不利影響。張永剛等提出可以采用改變航道的開挖方式和改變堤前地形來減少航道開挖所產(chǎn)生的防波堤前部分區(qū)域內(nèi)的波浪疊加現(xiàn)象，以達到減少投資的目地。 李玉成等通過對特定港區(qū)進行改變航道地形結構等開挖方案來消減防波堤前波浪異常疊加的現(xiàn)象， 并指出改變開挖方式在特定條件下可以解決航道對波浪反射和折射對防波堤或港區(qū)的影響。 孫克俐等指出可采用調整航道中線與原始入射波向間的夾角， 改變航道的開挖方式，結構物前設置潛堤，航道坡度沿程取不同值的方法來降低航道外波能聚集程度，并采用數(shù)學模型，結合大連大窯灣港區(qū)一期防波堤工程實例，討論了上述方法中二和三的可行性。 陳漢寶等通過波浪數(shù)學模型， 對航道局部開挖引起的波能重新分配進行了研究，指出了局部開挖可能使邊坡及附近邊灘波能集中程度加劇，因此因通過開挖使防波堤等的位置處于其形成的“波影區(qū)”內(nèi)，以達到趨利避害的效果。高峰等86結合實際工程實例討論了采用增加防波堤， 清除淺灘和調整航道軸線三種方案來減少航道在口門處的波能聚集。 并采用基于 Boussinesq方程的波浪數(shù)學模型進行試驗，討論這三種方案的改善效果。作者還對多方向波和單方向波的試驗結果進行了對比分析， 發(fā)現(xiàn)多向波的結果偏安全且更接近波浪傳播的真實情況。 以上數(shù)學模型和物理模型的的結論都表明了航道對波浪傳播影響的一些共同結論：臨界入射角的存在:航道對波浪傳播（折射和反射）的影響，主要是因為開挖航道造成的水深變化使得波浪傳播速度發(fā)生變化而導致的結果。 這與光波從光疏介質射向光密介質時發(fā)生折射和反射的原理是一致的， 何時發(fā)生反射或折射取決于入射角的大小（這里的入射角指的是入射波向和分界面法線的夾角） 。當入射角大于臨界角時，發(fā)生全反射，反之則發(fā)生折射，同理由于水深不同而導致波速不同，在不同水深交界面上，水面波也發(fā)生折射或反射現(xiàn)象，也將有臨界角的存在，見圖1.2-1。圖1.2-1 不同水深分界面上波浪的反射和折射臨界角即為對應于折射角為90時的入射角，由snell定律可推得，式中為臨界角， 為入射波波速，為折射波波速。該結論與上述J.A.Zwamborn和G.Grieve提出的臨界入射角（臨界入射角指的是入射波向與航道軸線的夾角）公式是一致的。 波浪以大于臨界入射角的大角度入射時，波浪可以穿越航道，只不過發(fā)生較小的折射，波向線稍有變化。見圖1.2-2。圖1.2-2 波浪以大角度入射波浪以臨界入射角入射時，波浪在航道邊坡上發(fā)生折射，折射角為90，剛好是波向折射成與航道一致， 波浪沿著航道入港， 使航道波高增大， 港內(nèi)波況惡化。見圖1.2-3。圖 1.2-3 波浪以臨界入射角入射波浪以小于臨界入射角的小角度入射時，航道外波浪發(fā)生反射而不進入航道，導致航道內(nèi)波浪減小，迎浪側波高增大，見圖1.2-4（為便于比較，圖1.2-4畫出的是入射角度與航道中線接近平行的入射波） 。圖 1.2-4 波浪以小角度入射1.3 接下來的研究內(nèi)容國內(nèi)外在深水航道對港內(nèi)外波浪場影響問題上，并沒有一個較為全面的分析，且單一采用數(shù)模或物模研究也具有一定的局限性。接下來計劃中的主要研究內(nèi)容如下： 應用Mike21-BW和緩坡方程數(shù)學模型計算均勻斜坡加橢圓淺灘地形、平底加雙突堤地形波場圖，并與已有試驗值或解析解進行對比； 應用兩種數(shù)模對典型雙突堤加航道地形上不同入射角度、不同航道寬度，不同航道內(nèi)外水深比，不同航道邊坡坡度，不同波陡情況下，航道對波浪傳播及港內(nèi)波場的影響情況進行系統(tǒng)性分析，比較兩種數(shù)模的差異性； 應用物理模型試驗模擬港內(nèi)波浪場，判斷港內(nèi)泊穩(wěn)條件，給出防波堤和碼頭的設計波要素，確定防波堤最佳布置方案；應用Mike21-BW和推廣的緩坡方程數(shù)學模型模擬臨港港內(nèi)波浪場，并將結果與物理模型試驗結果進行對比； 最后給出本文的主要結論以及進行進一步研究的建議。參考文獻1 龍文,陶建華.航道與港池對港區(qū)波浪場的影響及珠海港臺風浪破壞護岸的分析J.中國港灣建設,2000,(4): 39-46. 2 天津港灣工程研究所.大連港大窯灣一期防波堤改造工程整體物理試驗報告,1991.3 左其華,楊正己.航槽對不同人射角波浪傳播的影響J.水運工程,1996(1): l-5. 4 吳達開.小迎浪角時長直航道對波浪傳播與變形影響的數(shù)值研究J.水運工程,1997,(1):3-13. 5 張永剛,李玉成.應用Boussinesq方程對由航道開挖所造成水深變化對波浪傳播所產(chǎn)生的異常波況的數(shù)值研究J.海洋工程,1997,(15): 7-17. 6 趙智幫,劉子琪等.深水航道對波浪傳播影響規(guī)律的研究J.中