劉 明, 裴玉國, 黃玉新

(1.廣東電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510660； 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

2003年開始進行了某大型臨海電廠北防波堤、北航道工程的建設(shè)規(guī)劃和設(shè)計研究工作。針對北航道建設(shè)對已建成的島堤和北防波堤設(shè)計波浪造成不利影響的問題，提出港池口門外部分挖泥消波的“大開挖”方案。2007年北防波堤及航道工程實施過程中，“大開挖”方案挖泥區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)基巖層，部分挖泥消波方案的實施與原設(shè)計開挖方案有所不同，部分開挖區(qū)域無法開挖到原設(shè)計深度，海底炸礁清巖需要投入的資金很大。為了節(jié)省工程投資并確保島堤及北防波堤的安全，需要通過整體物理模型試驗，掌握挖泥實施現(xiàn)狀條件下，島堤及北防波堤的設(shè)計波要素，為防波堤設(shè)計和工程進一步實施方案的確定提供可靠依據(jù)。

試驗委托了大連理工大學(xué)完成，本文通過物理模型試驗研究了在原地形和原地形上開挖航道工況下北防波堤及島堤軸線處的波浪分布情況，對工程現(xiàn)狀下的北防波堤及島堤處的波浪要素進行了分析，然后有針對性的提出了原地形上開挖航道的現(xiàn)狀下對航道邊坡進行削坡處理的優(yōu)化方案，通過與原“大開挖”方案的對比，證明了在原地形上開挖航道的現(xiàn)狀下對航道邊坡進行削坡處理，可降低島堤及北防波堤處的波浪要素并確保工程安全，該方案簡單易行且可節(jié)省工程投資，對類似的實際工程項目具有借鑒意義。

1 物理模型試驗

試驗在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室波流水池中進行。水池長55m，有效寬度28m，深1.5m。水池前端配備蛇型三維不規(guī)則波造波機。波浪測量采用天津水科院研制生產(chǎn)的SG800型波浪測量系統(tǒng)。

本試驗采用重力相似準(zhǔn)則，模型幾何比尺取為1∶110。考慮波浪由外海傳播至工程水域，將受到海底地形、岸域邊界和已建南防波堤、島堤工程及的影響而發(fā)生變化，因此在試驗過程中，海底地形的模擬完全按照1∶110的幾何比尺，將海圖地形制作在試驗水池中。模型地形由水泥制作，高程控制點設(shè)置為0.5m×0.5m，控制點高程由水準(zhǔn)儀逐點測量，絕對誤差小于0.1mm。梳式直立島堤及北防波堤直立堤段采用木材制作，北防波堤斜坡式護面采用碎石堆砌模型。

考慮到影響工程設(shè)計波浪的水位、入射波浪方向、重現(xiàn)期等諸因素，試驗時選擇試驗工況如下：

試驗水位：極端高水位5.10m；設(shè)計高水位4.00m；平均水位3.0m。入射波浪方向：SE、ESE 、SSE及SE偏南11.250(該工況以下簡記為SE02)方向波浪入射的工況。重現(xiàn)期：考慮50a、、25a、10a共3種波浪重現(xiàn)期。試驗方案：原地形、原地形上開挖航道(開挖現(xiàn)狀)、 “大開挖”以及原地形上開挖航道+優(yōu)化4種方案。

波浪模擬采用不規(guī)則波進行，選擇國際上公認(rèn)的JONSWAP譜進行模擬，譜峰升高因子取為3.3。首先將給定的H4%波高按ГПУХОВСКИЙ分布換算成不規(guī)則波的各統(tǒng)計特征波高。采用3次重復(fù)的平均波高值和平均周期值作為原始波浪要素的波高和周期。

原始波要素測量是在航道未開挖、防波堤等模型放置之前的純天然地形上(原地形方案)，在預(yù)定的波高監(jiān)測處放置波高儀測定。

為了分析比較工程開挖現(xiàn)狀情況下的設(shè)計波浪要素與原設(shè)計的“大開挖”方案條件下和原地形上開挖航道+優(yōu)化條件下設(shè)計波浪要素的變化，設(shè)計波浪要素測量試驗分別在“原地形上開挖航道方案”、“‘大開挖’方案”和“原地形上開挖航道+優(yōu)化方案” 條件下進行。

測量北防波堤設(shè)計波浪要素時，擺放島堤、南堤(部分)，不擺放北堤。測量島堤設(shè)計波浪要素時，擺放北防波堤、南堤(部分)，不擺放島堤。

如前所述，原始波要素模擬在天然地形上進行。此時，波浪要素測量共布置了31個測點。分別在北防波堤、北防波堤挖泥區(qū)、島堤、島堤前、航道等周圍布置。測量北防波堤設(shè)計波浪要素時，在北堤軸線上布置10個測點(方案4中布置了19個)。其它位置(北防波堤挖泥區(qū)、島堤前、航道等周圍)波要素測點布置和原始波要素模擬測點布置相同。

測量島堤設(shè)計波浪要素時，在島堤軸線上布置5個測點(方案4中布置了13個)。其它位置(北防波堤挖泥區(qū)、航道等周圍)波要素測點布置和原始波要素模擬測點布置相同，不贅述。

2 試驗結(jié)果及分析

對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，利用EXCEL的折線圖，對50a一遇的波浪重現(xiàn)期分別對應(yīng)入射波浪方向：SE、SE02((該工況偏南11.250)的工況在原地形、原地形上開挖航道(開挖現(xiàn)狀)、“大開挖”以及原地形上開挖航道+優(yōu)化4種方案的距離北防波堤和島堤(僅D對比了SE入射波浪向)測得的各點波要數(shù)進行對比分析。圖中主要列舉了各實驗工況下不同位置所測得的H1%波要素。

2.1 四種方案下北防波堤處的波浪要素

如圖2～圖7所示。

圖2 極端高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖3 極端高水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖4 設(shè)計高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖5 設(shè)計高水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖6 平均水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種種方案下北防波堤各點的波浪要素

圖7 平均水位SE02向浪50a重現(xiàn)期4種種方案下北防波堤各點的波浪要素

2.2 四種方案下島堤處的波浪要素

如圖8～圖10所示。

圖8 極端高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點的波浪要素

圖9 設(shè)計高水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點的波浪要素

圖10 平均水位SE向浪50a重現(xiàn)期4種方案下島堤各點的波浪要素

3 結(jié)論

⑴ 天然地形下港池口門附近的波高分布比較均勻，北防波堤軸線50a重現(xiàn)期H1%大波波高在8.5m，出現(xiàn)的主要區(qū)域是北防波堤軸線距堤跟距離225～300m處，以及堤頭處。島堤軸線50a重現(xiàn)期H1%大波波高在8.15m，出現(xiàn)的主要區(qū)域是島堤軸線南堤頭150m范圍內(nèi)。

⑵ 開挖南北航道后波浪折射嚴(yán)重，同時使得港池口門附近的波高分布變得不均勻。對島堤和北防波堤影響較為嚴(yán)重(島堤和北防波堤設(shè)計波高可分別約增大25%和20%)是島堤軸線南堤頭150m范圍內(nèi)。

⑶ 開挖航道及大挖泥方案，可以改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，在大部分工況下可以恢復(fù)到天然地形條件下的情況。島堤的設(shè)計波要素不會增加(略有減小)，但北防波堤波能集中的100～225m范圍的50a再現(xiàn)期的H1%波高達到8.5m。

⑷ 在原有地形及開挖航道基礎(chǔ)上對航道做消邊坡處理，消浪效果不如規(guī)劃地形中的大開挖方案，但可以部分改善北防波堤及島堤軸線的波浪分布，北防波堤及島堤軸線處H1%平均值減小了10～20%，H1%減小了20cm左右。使得北防波堤軸線處的設(shè)計波要素可以控制在8.5m以內(nèi)，島堤軸線處的設(shè)計波要素可以控制在8.2m以內(nèi)。

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