夏运强，李 欣，王海峰，赵 晶

(中国人民解放军91053部队，北京 100070)

突堤式码头是针对码头岸线不足且水域较为充裕的港口中常用的码头布置方式，在海港中广泛采用。两座基本同向布设的突堤码头之间形成港池，它是船舶靠泊装卸作业的主要场所。港池水域必须满足一定的泊稳条件，以满足船舶作业的适用性和安全性要求。

从港池泊稳角度讲，理想的港池布置应该是波浪掩护条件好。设计波浪工况下，港池特别是码头泊位处波高尽可能小，且应尽量减少港池内泊位直接承受横向波浪的影响。唐国明等提到防波堤掩护条件以及口门位置、朝向的布置对港内波浪传播规律起着至关重要的作用[1],翟法等认为港内部分岸线如正对口门、主波向直接入射、主波向波浪二次反射等对港池泊稳条件影响大[2]，刘海成等提到在平面布置中尽量避免出现周围为直立式岸壁且有波浪入射的小面积港域[3]，潘军宁等认为港口口门朝向宜避开强浪方向，正对口门的港池边界宜采用消浪结构[4]，Lee Dong Hyun等也持同样的观点[5]。但在港口整体规划时，同时需要考虑船舶进出港便利、陆域物流路线合理、泊位数量要求等其他必要条件，港池布设难以达到上述理想状态。另外，码头岸壁一般采用直立实体结构，港池内其他码头对入射波浪的反射或者船行波也可能造成目标港池承受斜向浪或横向浪作用。基于上述原因，有必要对此类问题开展相关研究。

本文结合具体工程，对某突堤码头港池开展较为系统的波浪整体物理模型试验研究，重点研究包括不同周期、波高、波向的斜(横)向浪对港池泊稳的影响，评估了港池的泊稳条件，初步探讨了改善港池泊稳条件的措施建议，为相关工程建设提供参考。

1 试验研究方案及实施

1.1 港池平面布置及码头设计方案

工程港池平面布置如图1所示，港池向海侧略呈喇叭口形状，由两座突堤码头和顺岸护岸组成。两座码头轴线夹角取10°，码头长度530 m，宽度30 m，护岸长度380 m。码头采用直立实体结构(沉箱或方块结构)，护岸采用1：1.5块体消浪斜坡结构。海平面高程为±0.0 m，码头面和护岸顶高程取+4.0 m，码头底高程同港池底高程取-20.0 m。

1.2 试验水位及波浪

试验研究水位取±0.0 m。波浪方向定义为与1#码头轴线夹角取105°和112.5°两个方向，对应入射浪直射2#码头区域长度分别为110 m和170 m(图1)。试验测试以112.5°浪向为主。波高H13%取0.8 m、1.0 m和1.3 m三种，平均周期取6 s、7 s、9 s和12 s四种，具体组合情况见表1，共11种波浪工况。波浪采用单向不规则波(JONSWAP谱)[6]。船舶设计单位提供船舶靠泊码头允许波高标准：H13%不超过1.0 m。

表1 波浪工况Tab.1 Wave conditions

1.3 模型设计及制作

试验研究采用波浪整体物理模型手段，试验港池尺度60 m×40 m×1.2 m，选择正态模型，根据重力相似准则进行模型设计，综合考虑模型试验规程[7]相关规定、模型区域、港池尺度、设备能力等影响因素，模型长度比尺λ=50。港池和码头及护岸模型制作完成后，进行浪高仪布置，共布置35个测波点(图1)。根据码头泊位代表船型不同，1#码头泊位轴线布置测点5个，测点距码头前沿线25 m，测点间距70～80 m；2#码头泊位轴线布置测点6个，距离码头前沿线15 m，测点间距70～100 m。依据波点取R点。按照行业规程进行依据波模拟，精度控制在许可范围内(图2)。对上述各工况分别进行试验测试和数据处理分析，得到研究结论。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

码头泊位处波浪数据是衡量港池泊稳条件的重要参数，重点对港池泊位轴线波浪数据进行统计分析，提取各波浪工况下港池两座码头泊位轴线上波浪测点数据，并计算各泊位轴线平均波高，见表2。

表2 港池码头泊位轴线波高统计值(H13%，m)Tab.2 Wave height along the berth axis in the harbor basin (H13%，m)

2.2 码头泊位轴线波高分布规律

以W1-H0.8 m-7 s、W1-H1.0 m-7 s、W1-H1.3 m-7 s和W2-H1.0 m-7 s四种典型波浪工况为例，对比分析相同周期不同波高、不同浪向工况下码头泊位轴线波浪分布规律，见图3。

由图可见，斜(横)向浪入射条件下：(1)码头泊位波高沿轴线自码头根部至端部基本呈线性增加趋势，最大值是最小值2～3倍，波高沿轴线分布不均匀性显著；(2)相同波高和周期下，W1工况比W2工况码头泊位波高平均值增大约40%，波浪斜向入射角度的较小差别，会造成港池泊位波高较大的差异。分析原因：入射波浪直射2#码头并在两座码头端部1/3～1/2长度范围内多次反射同时在传播过程中损耗波能，与1#码头相对较小的绕射浪及绕射浪的多次反射浪共同作用造成轴线波高分布的差异，从试验现象看，码头端部泊位横向浪特征明显；两个浪向下2#码头波浪直射区域差别(图1)造成W1工况波浪明显大于W2工况，也说明波浪反射是影响港池泊稳条件的主要因素。

2.3 波浪周期对泊位波高影响

以W1-H1.0 m-6 s、W1-H1.0 m-7 s、W1-H1.0 m-9 s、W1-H1.0 m-12 s四种周期波浪工况试验数据为例，绘制码头泊位轴线波高特征值(平均值和最大值)及其比值与波浪周期对应关系曲线，分别见图4和图5。由图可见，斜(横)向浪条件下：(1)两座码头泊位波高呈现不同规律，对1#码头，泊位轴线波高特征值随周期增大呈先减小后增大趋势，6 s周期波高最大，9 s最小，后者是前者0.6～0.7倍；对2#码头，泊位轴线波高特征值随周期增大而增大，12 s周期波高约是6 s的2倍；(2)波高特征值比值规律不同，1#码头比值随波浪周期基本呈线性递减规律，即波高不均匀性随波浪周期增大而减小；2#码头比值呈先增大后减小趋势。分析原因：在斜(横)向浪工况下，1#码头泊位处波浪由绕射浪、2#码头反射浪和自身反射浪共同叠加而成，其中反射浪与港池宽度及波浪周期相关，不同周期波浪反射叠加后形成不完全立波，存在相位叠加问题，造成固定测点处波高随周期的差异性。2#码头泊位波浪较1#码头增加了较大的入射浪(绕射浪)因素，总体来说，其绕射浪的影响程度大于1#码头反射及自身反射浪，即入射波绕射效应占主导，因此不同于1#码头以反射浪影响为主的泊位波浪特征。

2.4 港池波况比较

由2.2节四种工况波浪测试数据计算并绘制港池等比波高图(图6)，分母为依据波点率定波高值，分析可见：(1)斜(横)向浪入射条件下，港池中部以外水域波高明显较大，横向浪特征明显，以内水域波高降幅明显。这是由于前者是反射浪主要影响区域，后者为绕射浪主导作用；(2)在两座码头泊位端部附近波高最大，不同周期工况，最大波浪出现位置不同，7 s工况端部水域泊位最大，分析原因是测点处波浪叠加效果与波长及港池间距有一定关系；(3)从港池近岸侧水域波高分布看，随波浪周期增大，该水域波高明显增大，说明较长周期波浪在港池内传播波能损耗小。

2.5 港池泊位泊稳条件评估

根据表2中试验数据，按照1.2节码头泊位波高控制标准，泊位泊稳条件评估结果如下：在试验给定的条件下，1#码头在W1-H0.8 m-7 s、W1-H0.8 m-9 s、W1-H1.0 m-9 s和W2-H1.0 m-7 s四种环境工况下满足泊稳要求，2#码头仅在W1-H0.8 m-6 s环境工况下满足泊稳要求。两座码头泊位轴线端部测点波高数值为泊稳条件控制点。

图6 港池等比波高图对比Fig.6 Comparison of relative wave height contour map in the harbor basin

3 相关问题探讨

现行行业规范《海港总体设计规范》[8]中关于港池设计规定如下：“5.3.7 港池朝向应根据当地的自然条件、船舶进出的方便安全、码头岸线的利用、掩护条件和挖泥量等因素确定。波浪影响泊稳条件时，港池的布置应尽量减小港池内泊位直接承受横向波浪的影响。”“5.3.9 突堤间港池宽度应满足船舶安全进出港池和靠离泊的需要，根据港池两侧泊位布置、船舶是否在港池内转头以及拖轮的使用情况等因素确定。”“5.4.3 码头的轴线方位，宜与风、浪、流的主导方向一致，无法同时满足时，应服从其主要影响因素。”“5.7.18 口门方向应与进港航道方位相协调，航道中心内线与强浪向夹角宜为30°～35°，确定口门方向时，应使强浪进港的主轴线不直射码头的主要部位或反射性较强的直立式岸壁。”《海港工程设计手册》[9]提到：港池的方向也应避免与强浪方向一致，以免波浪传入后，波能难以扩散产生反射而影响泊稳。上述规定为港池规划设计提供了基本遵循。

在港口水域平面布置规划阶段，首先要尽量避免出现口门或外海来浪直射港池岸壁式码头的状况发生。如果港口布局基本已定或已建成，例如本工程，为保证港池泊稳和船舶靠泊作业安全，可采取如下改善措施：(1)码头采用透空式或消浪式结构形式，特别是波浪直射的码头区域，例如墩柱式、高桩式或开孔消浪沉箱结构[10]型式，减少波浪反射影响；(2)适当延长来浪向上游码头长度，也可以采用向港池内折角延长方式，形成对港池的有效掩护；(3)适当调整港池宽度，除满足上述使用要求外，避免出现设计波浪周期下港池及泊位处产生立波从而导致泊稳条件恶化的情况发生[11]；(4)从船舶操作角度，优化船舶系缆方案，采用缆尾索等技术，在一定程度上提高系泊船舶的抗风浪能力。上述措施均需根据港口实际水文环境条件，有针对性地开展试验研究工作后确定实施。

4 结论

针对某具体工程，对斜(横)向浪入射突堤码头港池的泊稳条件开展了波浪整体物理模型试验，系统分析研究浪向、波高、波周期等对港池特别是码头泊位处波高的影响，主要结论如下：(1)直立式码头岸壁对波浪的反射是造成该港池特别是码头端部水域波高增大、泊稳条件变差的主要原因，泊位轴线波高分布不均匀性显著；(2)港池两座码头泊位波高特征值及其比值随周期变化呈不同规律，波向上游码头泊位波高并非随周期增大而增大，其最大值与港池宽度与波长比值有关；下游码头泊位波高随波浪周期增大而增大；(3)反射效应和绕射效应的主次关系决定了港池不同水域的波高分布规律和特征；(4)港口规划要尽量避免横向浪入射直立式码头岸壁的情况发生，对已建港池的泊稳条件改善提供了采用透空消浪结构、优化系缆方案等概念性措施建议。