浅析绥中港区码头泊稳条件问题的改善措施
来源:用户上传
作者:唐国明 高峰 刘洋 王越 刘针 张慈珩
摘 要：码头泊稳条件是决定港口设计成功与否和正常运行的关键因素之一，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。本次研究针对绥中港现状布置条件下存在的泊稳问题以及改善措施布置方案，进行了波浪整体物理模型试验，给出了优化建议，对下一步方案实施提供了理论支持和科学依据。结果表明，港内由于现阶段全掩护布局尚未形成，导致港区缺乏对SSW～SE向的有效掩护，波浪可直接作用至已建码头，导致损失作业天数增多，是现场泊稳条件较差的主要原因。二期104#和105#码头建设后，港内波况将进一步恶化，因此对西大堤进行延长、东围堰延长及口门临时堤的建设可以有效降低港内波高，并结合港池夹角区局部开孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波况，减少损失作业天数，提高泊稳条件。
关键词：波浪;泊稳条件;平面布置;波能集中
中图分类号：U617.9 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）02-0071-04
新一轮东北振兴战略为辽宁沿海港口建设创造了全新的机遇，作为锦州港和营口港的补充[1]，葫芦岛港绥中港区位于辽宁省绥中县葫芦岛市的南部辽东湾，西邻秦皇岛港，东临葫芦岛港。绥中港区是葫芦岛港近期重点开发的港区，是辽宁沿海港口群的重要组成部分，是辽宁沿海经济带持续、协调发展的重要保障之一，也是地方经济和临港工业的重要支撑[2][3]。按照设计方案（如图1所示），港区由东、西防波堤环抱而成，东、西防波堤堤头在-13.5m等深线附近形成口门[4]。（图片附后）
目前，已建成的项目有直立式码头，东、西围堰和外海侧部分西堤，现状布置如图1所示。随着开港后港区生产的顺利开展，到港船舶数量日益增多。根据现场调研与勘察，工程区已建西围堰内外侧均有不同程度的破坏，由于面向外海开敞式布局，现有西南侧大堤由于未能按照设计方案实施其掩护范围有限，同时港内已有#101～#103泊位处波浪条件较为复杂，影响船舶停泊与作业条件。据业主反映，码头泊稳条件较差。考虑到现场平面布置的完成现状，以及泊位泊稳条件的要求和港区水域波浪条件，平面布置对港内泊稳条件产生至关重要的影响，因此，需对港区目前泊稳条件不佳的原因以及后期建设改善措施进行研究。
1 主要问题和研究思路
1.1主要研究问题
港区原设计方案将由东、西防波堤环抱而成，但实际施工完成情况目前仅建成西侧防波堤的一部分，且港池现有布局存在凹角波能集中等情况，同时沿堤流和波浪又对堤身结构稳定性产生一定影响。基于上述几方面原因，导致港区实际上为半开敞布置，其泊位受防波堤的掩护效果较差，泊稳条件不佳，同时部分波能集中区堤防还有破坏现象。
1.2 主要研究思路
本次研究的主要思路是通过波浪整体物理模型试验模拟港区进出港航道、口门布置对港内泊稳条件、波浪变化的影响及口门处波浪变形情况，并根据模型试验结果提出分析意见、对口门宽度提出合理化优化方案。试验需分析现状情况泊稳条件差的原因，并考虑二期码头（104#和105#码头）建设后，码头前泊稳条件分析及改善措施。
根据物理模型试验，分析現状情况下码头泊稳条件差和西围堰破坏的主要原因，并得到拟建码头和防波堤位置处波要素。根据规划对不同工况下港内码头前的波高分布情况进行研究，根据初始工况试验结果，与业主和设计院沟通后对工况进行优化，为工程的后续建设提供研究依据。
2 研究依据
2.1 计算水位（当地理论最低潮面起算，设计院提供）
设计高水位 1.88m;
极端高水位 2.88m;
2.2风浪资料
2016年7月～2017年7月中交一航院在工程区进行了风和波浪的同步观测，波浪观测点40°02.766′N，东经：120°08.571′E，水深-13.5m，风测站位置：40°04.6′N，120°07.3′E。根据分频分级统计，波玫瑰与风玫瑰见图2所示。工程区常浪向为SSW向，频率为20.92%，次常浪向为S向，频率为18.73%，强浪向为SE向和SSE向，观测到的十分之一大波为3.1m。工程区常风向为SW向，频率为15.22%，次常风向为SSW向，频率为13.94%，强风向为SW向，观测到的最大风速为18m/s。
2.3 试验波要素
从实测风浪资料来看，工程区主要受SE、SSE、S、SSW和SW向浪的影响，五个方向发生的频率总和为67.72%。所以物理模型的试验方向选取SE-S-SW向。防波堤外侧-13.5m等深线波要素见表3.3，1.2m、0.6m和 0.3m泊稳条件时13.5m等深线波要素见表1，依据资料均由一航院提供。
2.4 试验工况
根据现状的模拟与分析，提供泊稳条件改善措施的优化方案，共计行了12种平面布置工况的试验对比，结合试验效果选取其中比较典型的三种改善措施方案布置进行分析，方案描述如下：
（1）现状布置（如图1）：包括港区目前已有布局和主要设施，用于验证目前泊位处泊稳条件，并找出导致泊稳不佳的原因，基于此工况提出优化改建措施;
（2）改善方案布置1：针对现状优化方案，即在港区已建设施基础上，为改善现有泊位的泊稳条件，将东围堰延长至1100m位置，将目前未完成的西大堤延长50m并拐向主航道附近（增加480m），如图3-a;
（3）改善方案布置2：西大堤维持现状，但在目前海域已批复范围内完成已规划的西侧104#-105#码头，为加强防护将东围堰头向西（港池方向）修建临时防波堤289m，同时设置3座趸船（长62m×型宽8m×型深3m），作为口门区设置临时防波堤，用于加强口门防浪能力，平面布置详见如图3-b所示; （4）改善方案布置3：考虑到104#-105#码头的影响，为进一步减弱入射波强度，采用改善布置1中西大堤延长50m并拐向主航道的布置方案，并在东南侧水域的原规划方案位置建设1100m岛式堤，同时东围堰向西延长部分（即临时防波堤）轴线向南偏转，为保证掩护范围长度改为325m，新建104#和105#码头沉箱改为开孔布置，平面布置详见如图3-c所示。
3 物理模型试验研究
3.1 模型概述
试验在交通运输部天津水运工程科学研究所波浪港池中进行。港池长75m，宽42m，深1.5m。港池中配备有2台25m/台可移动式不规则造波机，分别对SE、SSE、S和SSW向波浪进行模拟。根据试验技术要求，结合试验场地及设备能力综合考虑，选取模型几何比尺为80，亦即波高比尺为80，周期比尺为8.94。模型布置如图4所示，模型中设置了消波和导波设施，以消除不利于试验的波浪反射和扩散现象。
试验波浪采用单向不规则波。不规则波采用频谱模拟，根据试验要求采用JONSWAP谱，其解析式为：
S（ ）= H T exp ×
式中： =
其中：
r为谱峰因子，试验取3.3，fp是峰频，为谱峰频周期TP的倒数，S（f）为谱密度，H1/3为有效波高，f为频率， 为平均周期。
3.2 试验结果与分析
3.2.1 现状泊稳不佳原因
波浪重现期2年一遇条件下，S向浪作用时已建码头东侧可受来浪直接作用，最大波高可达2.66m;SSE向浪作用时已建码头仍可受来浪直接作用，波高最大为3.11m;SE向浪作用重现期2年104#和105#码头未开孔时，工况1西侧围堰内侧H4%在2.64m～3.24m，已建码头前受东侧围堰的掩护作用大部分波高小于2.0m;SSW向经外海导堤绕射进入港内，受海侧已建海堤的掩护，经绕射进入港内的波高较小，设计高水位重现期2年，现状工况1，已建码头前波高最大为1.11m，104#和105#码头前最大波高为0.26m;考虑小风区风成浪后，已建码头前波高最大为1.41m;SW向浪作用下，受海侧已建海堤的掩护较SSW向进一步增强，经绕射进入港内的波高较小，设计高水位重现期2年，现状工况1，已建码头前波高最大为0.25m。
已建码头是5000吨级，按照《海港平面设计规范》中规定5000吨级码头在横浪下的作业条件标准按照是0.6m，基于2016年7月至2017年7月历时一年工程海域实测波浪资料分析出的年波浪分频分级，对不同浪向不同工况下年损失作业天数进行了分析，得到现状情况下，已建码头年损失作业天数最多为接近70天，这与现场泊稳条件的实际情况基本一致。同时，由于SE向浪可直接作用到西围堰内侧，是西围堰结构破坏的主要原因（如图5所示）。由于工程区常浪向和次常浪向为SSW和S向，已建码头东侧受S和SSW向浪作用年损失作业天数较多，是现场泊稳条件较差的主要原因。
3.2.2 改善方案对比分析
由于偏SW向在西大堤掩護下，整体防护效果相对较好，因此改善方案主要在S、SSW、SE和SSE四个浪向作用下进行：
（1）改善方案布置1，针对现状条件，已有海侧西大堤的延长对港内有掩护作用，已建码头年损失作业天数最多为15天，与现状布置相比改善效果显著;
（2）改善方案布置2，104#105#码头建设后，由于直立结构的反射叠加和夹角处的波能集中影响，港内波况进一步恶化，通过东围堰延长形成临时堤以及系泊趸船的掩护，年损失作业天数最多为56天，其中现有泊位的东侧各码头波高仍旧较大，泊稳条件改善有限;
（3）改善方案布置3，布置形式综合考虑了来自各个主要影响浪向的入射波传播影响，延长已有防波堤、布置临时堤以及离岸堤共同形成防护，可以有效阻挡来浪能量，降低港内水域波高的情况下改善泊稳条件，同时，104#和105#泊位的码头沉箱采用局部开孔布置可以有效抑制夹角波能集中导致的波高增加，已建码头前年损失的作业天数由降为12天，改善效果明显，且104#、105#泊位处也得到有效控制。
4 结语
码头泊稳条件是决定港口设计成功与否和正常运行的关键因素之一，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。本次研究针对绥中港现状布置条件下存在的泊稳问题以及改善措施布置方案，进行了波浪整体物理模型试验，给出了优化建议，对下一步方案实施提供了理论支持和科学依据。结果表明，港内由于现阶段全掩护布局尚未形成，导致港区缺乏对SSW～SE向的有效掩护，波浪可直接作用至已建码头，导致损失作业天数增多，是现场泊稳条件较差的主要原因。二期104#和105#码头建设后，港内波况将进一步恶化，因此对西大堤进行延长、东围堰延长及口门临时堤的建设可以有效降低港内波高，并结合港池夹角区局部开孔沉箱布置等可以有效改善泊位前波况，减少损失作业天数，提高泊稳条件。
参考文献：
[1] 周宝刚，江珊，张丽凤 等.辽宁沿海港口与区域经济互动发展影响研究[J].水道港口.2019（8）：484-490.
[2] 王学诗，吴明臻. 葫芦岛港绥中港区口门宽度优化研究[J]. 港工技术. 2018（4）.242：20-23.
[3] 齐志光.影响绥中港船舶通航安全因素及应对措施[J]. 中国水运. 2018（3）：69-71.
[4] 刘鑫煜，陆宽，王登婷. 葫芦岛港绥中港区西防波堤工程结构稳定性的研究[J]. 中国水运.2016（8）：268-271.
基金编号：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（TKS180402）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-15206201.htm
