港口长周期波问题的应对措施

2022-07-29解东升李培良付博新

水运工程 2022年7期

周剑，解东升，李培良，付博新

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

长周期波是指周期在几十秒到几个小时的海面波动，通常在30 s以上，介于涌浪和潮波之间，一般包括次重力波(碎波拍、边缘波)、副震荡(假潮)、气象海啸、海啸等。长周期波波长长、能量大、难耗散，常规的传统消浪措施很难起到效果，常导致港口装卸中断、系泊缆绳断裂、码头岸壁损坏、护舷和船体损伤，甚至人员伤亡等问题。如果进一步和港口发生共振，会带来更大灾害。

国外对长周期波对策研究较多。日本沿海开发技术研究中心[1]发行了“港内长周期波影响手册”，涉及平面布局、消波结构物、长周期波预警等对策；平石哲也等[2]研究了抛石斜坡堤、涡流结构等长周期波吸收构造物，评估了各种对策的适用性；Caro等[3]指出改进系泊系统可缓解长周期波问题。国内尚无针对长周期波应对措施的研究，但我国承建的斯里兰卡汉班托塔港[4-5]、尼日利亚莱基港[6-7]、秘鲁钱凯港[8-9]均面临长周期波问题挑战，其中钱凯港预期使用4～6组ShoreTension®缓解长周期波问题。

本研究搜集了受长周期波影响的港口分布，重点分析长周期波潜在应对措施，为工程建设提供指导。

1 全球长周期波影响下港口分布

研究表明[10-11]，南非、澳大利亚南部、新西兰、秘鲁智利沿岸、日本沿岸、阿拉斯加湾沿岸等区域为次重力波影响严重区域，法国、葡萄牙等区域多发生副震荡、气象海啸现象。我国港口次重力波影响有限，以副震荡为主[12]。表1列出受长周期波影响的港口，图1为相应各港口位置分布。

表1 受长周期波影响的港口

注：图中黑点为港口。

2 长周期波应对措施

为了提高船舶系泊安全性和装卸效率，并确保船舶靠离泊的定时性和稳定性，有必要采取长周期波对策。一般有2种措施：1)减少波浪对船舶的作用；2)改变船舶系泊系统的响应。前者为“硬解决方案”，涉及港口基础设施的变化，如通过修改港口布局减少波浪传入、增设消波构筑物降低目标泊位反射系数等；后者为“软解决方案”，通过改善系泊系统缓解长周期波问题，或构建预警系统指导船舶作业。

2.1 抑制长周期波生成或传入

长周期波的生成与短波破碎密切相关。通过修改地形、构建波聚焦或散焦结构等方式，降低长周期波能量，改变长周期波传播方向，是解决长周期波港口问题的手段之一。如消减地形(变缓、变平)、改变进港航道走向、建设波散焦丘等形式，减少长周期波产生，从而减少长周期波传入港内。

2.2 优化平面布局

合理的港口平面布局可以改善港内泊稳度。对于新建港口，规划时通过优化调整平面方案，减少长周期波能传入。而老港可以通过延长旧防波堤或新设防波堤和消波构造物(如人工岸滩)来降低港内长周期波能量。

长周期波进入港池可能会激发港池的共振。港池自然周期与水深、港口几何形状和尺寸密切相关，合理的布局可以避免共振。例如罗马游艇码头防波堤、消波岸滩、消波港池的应用(图2)，有效改善了港内泊稳问题。

图2 罗马游艇码头长周期波消波措施

2.3 构建消波结构

通过在港口内建设人工岸滩、消波结构物等消波设施，可以降低港内长周期波反射造成的放大效应，将波高降低到装卸限制波高以下，进而改善港内泊稳度。图3a)为涡流消波结构[13]，由导水板和消能室构成，利用涡流耗散进行消波；图3b)为抛石堤消波，也可结合开缝沉箱等形式进行组合，利用碎石层摩阻、紊流、压力差(消能池)进行消波。

图3 典型消波结构物形式

抛石斜坡堤比较常见[14]，反射系数分布在0.6～1.0(周期越大，反射系数越大)，其缺点是需要足够长度和宽度(宽度一般不小于30 m)，占用岸线多；但建设成本低，施工便利，如日本苫小牧港成功应用抛石斜坡堤[15](图4)缓解港内长周期波问题。

2.4 改进系泊配置

图4 日本苫小牧港长周期波消波措施(单位：m)

针对长周期波带来的系泊问题，另一个有效措施是修改系泊系统，通过改变船舶系泊系统的响应提高操作安全性和减少船舶在泊位的停机时间。常规操作包括增设岸基系泊缆、使用充气式护舷、使用恒张力绞车、采用真空系泊系统(MoorMasterTM、Auto Moor等)和液压系泊系统(ShoreTension®)等。真空系泊系统广泛应用在阿曼萨拉拉、南非库哈、澳大利亚杰拉尔顿等港口；液压系统也在澳大利亚埃斯佩兰斯和杰拉尔顿、新西兰塔拉纳基、葡萄牙锡尼什、智利阿里卡等港口得到应用。另外，改良系泊系统亦可防止共振，通过改变系泊系统的自然周期，使其偏离波浪的主周期，从而避免与长周期波发生共振。另外，拖船辅助系泊也是有效手段之一。

没有通用规则可定义最合适的系泊系统，每个特定案例都需要对停泊船舶及其系泊系统进行联合动力学分析，根据评估结果优化完善系泊布局，尽量抑制船舶过度运动。

2.5 开发长周期波预报系统

通过开发长周期波预报系统，可合理安排船舶装卸以及靠离泊情况，规避风险。常用方法有长周期波浪数值预报[16]和经验模型预报[17]。前者根据波浪观测、气象信息等进行数学模型计算；后者构建长周期波与短波经验关系。2种方法在日本高知港(图5)[18]、八户港、鹿岛港、常陆那珂港、苫小牧港，澳大利亚杰拉尔顿港、新西兰塔拉纳基港等均得到应用。

图5 日本高知港长周期波预测系统

以上对策可在一定程度上缓解长周期波带来的问题。相对来说，构建消波结构物和改进系泊系统是行之有效且低成本的对策。但是对于长周期波影响，没有统一完美的解决方案，所有最优措施均是根据实际情况平衡的结果。图6为长周期波对策概念图。

图6 长周期波对策概念图

3 案例

3.1 澳大利亚杰拉尔顿港

杰拉尔顿港位于澳大利亚西海岸，在珀斯北部375 km，长周期波是其系泊问题的根源。为了改善长周期波问题，提出如下改进措施。

1)改造防波堤。最初设想的解决方案是延长西防波堤，但投入资金非常大，能否获得足够效益值得商榷。研究发现[19]，现有西防波堤向北延伸350 m可有效降低港池第二模态长周期波(周期45 s，长周期波高度降低35%，系泊运动量改善20%)，但对第一模态90 s无影响。而满载巴拿马型船主要受90 s长周期波响应，所以效果有限。

2)疏浚。长周期波沿着浅礁区和航道边缘传播。通过改变航道线形或尺寸(航道或礁坡加宽、变平)来缓解长周期波问题，但需要付出相当大的财政和生态成本。

3)改进系泊系统。通过增设岸基系泊缆、安装软护舷(充气式护舷)、采用真空系泊系统MoorMasterTM和液压系泊系统ShoreTension®(图7)等措施，缓解长周期波影响。

4)开发长周期波预报系统。开发波浪预报系统以管理泊位运行(图8)。在无其他措施的条件下，如果预测的长周期波高度(在25～120 s的周期范围内)超过临界条件0.20 m，则将船舶撤离泊位。

3.2 日本秋田港

图7 采用Shoretension®系统的散货船“KS Flora”

图8 杰拉尔顿港长周期波预报系统

秋田港位于秋田市西北，港口深受长周期波影响，尤其是外港区域，因港内的反射和共振，长周期波较港外放大，使得系泊船大幅度移动，导致系泊缆断裂等问题，系泊障碍在冬季12月至次年2月尤为显著。在无消波措施的情况下，实际装卸效率均低于目标装卸效率97.5%。

2004—2005年开展长周期波对策设施的配置计划讨论，包括防波堤延伸和港内消波构造物，前者延长防波堤、缩小港口，抑制长周期波侵入；后者在港口内配置消波构造物(图9)，防止反射引起波高增大，最终采用港内消波措施[20]。外港前消波于2008年完成，水深-8.5 m，抛石斜坡堤(顶宽10 m)，反射率0.92；绿地护岸前消波于2009年完成，水深-6 m，抛石斜坡堤(顶宽10 m)，反射率0.76；南防波堤消波于2010年完成，位于防波堤内测，水深-14.5 m，抛石斜坡堤(顶宽10 m)，距防波堤30 m，反射率0.88；绿地护岸直角消波于2011年完成，水深-13 m，L形开缝护岸，宽20 m，反射率0.89。各消波断面形式见图10。采用消波构筑物后，长周期波高降低至原来的一半左右，装卸工作率超过基准97.5%。