深水航道對(duì)波浪傳播的影響.docx

深水航道對(duì)波浪傳播的影響1.1 研究的背景及意義目前全國(guó)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(shè)深水航道“海上高速公路” 。繼 08 年 8 月 15 萬(wàn)噸級(jí)航道建成后，連云港正在建設(shè)30 萬(wàn)噸級(jí)航道，該航道全長(zhǎng)為 71 公里，總投資約 78.9 億元，屆時(shí)可建 200 多個(gè)萬(wàn)噸級(jí)以上的碼頭，必將成為連云港的城市命脈。目前長(zhǎng)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(cāng)，上海的“江海聯(lián)運(yùn)”優(yōu)勢(shì)得以進(jìn)一步放大。天津港 25 萬(wàn)噸級(jí)航道工程航道全長(zhǎng)37 公里，底寬315 米，水深達(dá)到 19.5 米，疏浚總工程量約 4656 萬(wàn)立方米。可滿足 25 萬(wàn)噸級(jí)油輪、20 萬(wàn)噸級(jí)散貨船滿載進(jìn)出港，以及 10 萬(wàn)噸級(jí)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(jìn)給各個(gè)港口城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了新的活力， 但是深度寬度均加大的人工開(kāi)挖航道和港池對(duì)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(lái)了很大的影響。珠海港風(fēng)浪與主航道的夾角較?。ㄒ?jiàn)圖1.1-1）, 大部分波不能穿越航道，而在航道東側(cè)集聚。1998年 12 月 25 日在臺(tái)風(fēng)浪的沖擊作用下,使順浪向靠近北港池的平排山護(hù)岸發(fā)生破壞。現(xiàn)場(chǎng)目擊者觀察到 SSE 向波浪從外海進(jìn)入港區(qū)后沿主航道行進(jìn)時(shí)波高逐漸增大,到達(dá)平排山對(duì)面時(shí)轉(zhuǎn)向,朝平排山方向沖擊,致使護(hù)岸遭到破壞。在其他的工程設(shè)計(jì)中也出現(xiàn)這種現(xiàn)象，如在大連港大窯灣散糧碼頭建設(shè)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(kāi)挖通航要求為8 萬(wàn)噸級(jí)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(cè)的防波堤堤頭所在位置處波高加大了 30%以上，同時(shí)在 ESE 向波浪作用下, 由于航道的折射作用, 使航道北側(cè)即將建設(shè)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(jìn)行港口工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮人工開(kāi)挖的深水航道對(duì)港內(nèi)波浪傳播的影響，以減少布置港內(nèi)建筑物時(shí)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(yīng)用，更是給港內(nèi)波浪場(chǎng)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(duì)港內(nèi)外波場(chǎng)的影響成為深水航道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題外海波浪傳入近岸淺水地區(qū)時(shí)，由于受到復(fù)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(fù)雜現(xiàn)象,即波浪傳播發(fā)生變形。 對(duì)于實(shí)際工程中的波浪問(wèn)題，解決的方法有數(shù)學(xué)解析，數(shù)學(xué)模型和物理模型三種。而數(shù)學(xué)解析的辦法只適用于較為簡(jiǎn)單的情況，目前使用較少；數(shù)學(xué)模型具有經(jīng)濟(jì)、 快速、 計(jì)算范圍大和不受比尺影響等優(yōu)點(diǎn)， 伴隨計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，眾多軟件包的形成，數(shù)模正在被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算波浪傳播變形的問(wèn)題中，但目前某些物理現(xiàn)象理論上尚未解決，因此復(fù)雜的波浪傳播變形仍不能很好地用數(shù)模表現(xiàn)出來(lái)。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(chǎng)地大小限制僅使用于小范圍的波浪傳播變形且其耗時(shí)較長(zhǎng)、花費(fèi)人力物力較多。 基于天然波浪的傳播變形具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，目前解決實(shí)際工程中較復(fù)雜的波浪傳播問(wèn)題一般采用數(shù)模和物模相結(jié)合的方法。121深水航道對(duì)港內(nèi)外波場(chǎng)影響研究目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于航道對(duì)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(duì)其進(jìn)行概述。 并對(duì)減少航道對(duì)波浪傳播的不利影響的措施進(jìn)行了概述。1.2.1.1數(shù)值模擬方法隨著各種數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)和發(fā)展及計(jì)算機(jī)性能的提高， 目前有很多學(xué)者致力于采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行航道對(duì)港內(nèi)外波浪傳播的影響的分析，也得出了一些結(jié)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(jì)算方程，探討了不同入射角的波浪在典型航道中傳播時(shí)波高的變化。得出結(jié)論：當(dāng)入射波向與航道中心線垂直時(shí)，波高比可用淺水系數(shù)來(lái)計(jì)算；當(dāng)入射波向與航道中心線平行時(shí)，航道內(nèi)的波高隨傳播距離的增加而減??；當(dāng)入射波向與航道中心線夾角為 1530時(shí)，較大的波高比出現(xiàn)在迎浪側(cè)航道邊坡及其附近灘地上，航道對(duì)背浪側(cè)起到遮蔽作用；當(dāng)夾角大于 45時(shí)，航道對(duì)波浪傳播的影響逐漸開(kāi)始減弱。 吳達(dá)開(kāi)將透浪側(cè)界拋物線模型、 結(jié)合方向譜計(jì)算德方法應(yīng)用于研究航道波浪問(wèn)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(yīng)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(duì)航道開(kāi)挖造成水深變化從而使波浪傳播發(fā)生異常現(xiàn)象進(jìn)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(lái)研究航道港池對(duì)港區(qū)波浪的折射作用，并分析了珠海港臺(tái)風(fēng)浪破壞護(hù)岸的原因。 趙智幫等采用了數(shù)學(xué)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(duì)波浪傳播變形的影響，并分析論證了臨界入射角在實(shí)際工程中的意義。吳達(dá)開(kāi)將航道與波浪作用的全場(chǎng)波能分布概化為回折型反射、 繞射和直射三型；對(duì)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(yīng)用 Boussinesq 方程對(duì)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(jìn)行模擬，研究航道的折射規(guī)律。研究表明當(dāng)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(shí)，采用單方向不規(guī)則波入射時(shí)進(jìn)入港池的波能出現(xiàn)明顯的減小，可能出現(xiàn)偏于危險(xiǎn)的結(jié)果。 柳淑學(xué)、俞聿修利用改進(jìn)的 Boussinesq 方程所建立的有限元數(shù)值計(jì)算模型， 研究了開(kāi)挖航道對(duì)波浪傳播的影響以及航道和開(kāi)挖港池對(duì)港內(nèi)波浪分布的影響，指出了航道對(duì)波浪傳播的影響不僅受波浪傳播方向控制，同時(shí)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(xué)模型來(lái)模擬小范圍波場(chǎng)，并采用物理模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明航道兩側(cè)數(shù)學(xué)模型結(jié)果比物理模型結(jié)果要稍大，相應(yīng)的航道中的波能減少也稍大一些。 這說(shuō)明數(shù)值模擬時(shí)航道對(duì)波浪的折射作用比物模試驗(yàn)更為明顯。 董利民等采用了基于 Boussinesq 方程的波浪數(shù)學(xué)模型分別對(duì)有無(wú)航道情況下雙突堤條件下港內(nèi)的波浪分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將波浪分布情況進(jìn)行比較，指出不能用純繞射來(lái)代替折、繞射聯(lián)合作用。 龐紅梨等是應(yīng)用復(fù)合折射繞射模型 REF/DIF 模型對(duì)深水航道對(duì)波浪傳播的影響規(guī)律進(jìn)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(lái)隱患，但由于航道對(duì)波浪的影響與航道寬度、深度、邊坡坡度都有關(guān)系，只要合理布置并使航道有一定的長(zhǎng)度，是可以改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件的。1.2.1.2 物模試驗(yàn)方法數(shù)模的發(fā)展非常迅速，對(duì)折射繞射的模擬也相當(dāng)成功，但有些物理現(xiàn)象，理論上尚未有合適的方法進(jìn)行解決，深水航道對(duì)潛堤堤后波浪傳播的影響就是這樣，航道邊坡是一個(gè)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(jì)算機(jī)模擬時(shí)由于航道寬度較窄，航道兩側(cè)邊坡以及航道往往不能被精確地反映出來(lái)，而潛堤的模擬過(guò)程非常復(fù)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(guò)程還包含著強(qiáng)烈卷吸、射流、破碎等復(fù)雜問(wèn)題，因此選擇怎樣的數(shù)模來(lái)進(jìn)行模擬較為恰當(dāng)，以及模擬過(guò)程細(xì)節(jié)的處理（如航道邊坡處理，潛堤處理等）都是很復(fù)雜的問(wèn)題；所以當(dāng)實(shí)際工程問(wèn)題到來(lái)時(shí)，人們往往還是應(yīng)用物理模型來(lái)進(jìn)行復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬。 在第十四屆海岸工程會(huì)議上, J.A.Zwamborn和G.Grieve發(fā)表了關(guān)于進(jìn)港航道使波浪發(fā)散和會(huì)聚的問(wèn)題 ， 該文是在為南非Richards灣港口門的平面布置設(shè)計(jì)做整體模型試驗(yàn)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(yàn)采用規(guī)則波進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果表明航道對(duì)波浪的折射隨著航道內(nèi)外高差增加而增大， 試驗(yàn)結(jié)果還表明當(dāng)波浪入射方向與航道軸線方向接近平行時(shí)，航道內(nèi)的波浪向兩側(cè)折射，使航道兩側(cè)的波浪增大，而當(dāng)波浪相對(duì)于航道軸線斜向入射時(shí)，航道一側(cè)的波浪增大，而另一側(cè)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(dāng)波向在一個(gè)很窄區(qū)間內(nèi)時(shí)才會(huì)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(dāng)波浪在口門前以臨界入射角進(jìn)入航道時(shí)，波浪在邊坡上折射，其波向剛好與航道走向一致，導(dǎo)致口門處波高增大，由航道進(jìn)港的波能增加，使港內(nèi)泊穩(wěn)條件惡化。趙智幫通過(guò)煙臺(tái)西港池工程，大連大窯灣散糧碼頭工程的整體模型試驗(yàn)，指出了忽略航道對(duì)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(yīng)慎重對(duì)待航道對(duì)波浪的折射作用。 楊憲章等通過(guò)幾個(gè)港口工程模型試驗(yàn)為例， 論述了航道對(duì)波浪的作用以及航道走向?qū)Ω蹆?nèi)泊穩(wěn)的影響。文中指出，波浪以小角度入射時(shí)，波浪向航道外折射，降低了入港波浪。在選擇航道走向時(shí)應(yīng)避免常浪向或強(qiáng)浪向以臨界入射角進(jìn)入航道， 應(yīng)充分利用航道對(duì)波浪作用中對(duì)工程有利的一面， 以改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。 俞聿修等結(jié)合港口整體模型試驗(yàn)實(shí)例， 采用了不規(guī)則波特別是多向不規(guī)則波進(jìn)行了港口整體模型試驗(yàn)， 得出的入港航道可能對(duì)口門附近防波堤的設(shè)計(jì)波高及港內(nèi)的波場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。陳漢寶等通過(guò)整體物理模型試驗(yàn)， 研究了深水航道對(duì)斜向入射波浪傳播的影響。指出入射角大于臨界角時(shí)會(huì)產(chǎn)生“完全反射” ， “反射”波系和來(lái)波波系相疊加，使得航道迎浪側(cè)在此條件下會(huì)出現(xiàn)波高水深比大于1.0的情況。劉愛(ài)珍研究了在有雙突堤的情況下航道對(duì)波浪傳播的影響， 分別研究了口門寬度和航道各尺度對(duì)波浪傳播變形的影響。 但物理模型本身試驗(yàn)進(jìn)度太慢，耗費(fèi)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(yàn)提供了難度。所以如何正確地選擇數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合進(jìn)行比較驗(yàn)證也是目前迫切需要研究和解決的問(wèn)題。1.2.1.3 減少航道對(duì)波浪傳播不利影響的措施在確定航道對(duì)波浪影響規(guī)律的基礎(chǔ)上， 很多學(xué)者提出采用一些措施來(lái)減少航道對(duì)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(kāi)挖方式和改變堤前地形來(lái)減少航道開(kāi)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(dá)到減少投資的目地。 李玉成等通過(guò)對(duì)特定港區(qū)進(jìn)行改變航道地形結(jié)構(gòu)等開(kāi)挖方案來(lái)消減防波堤前波浪異常疊加的現(xiàn)象， 并指出改變開(kāi)挖方式在特定條件下可以解決航道對(duì)波浪反射和折射對(duì)防波堤或港區(qū)的影響。 孫克俐等指出可采用調(diào)整航道中線與原始入射波向間的夾角， 改變航道的開(kāi)挖方式，結(jié)構(gòu)物前設(shè)置潛堤，航道坡度沿程取不同值的方法來(lái)降低航道外波能聚集程度，并采用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合大連大窯灣港區(qū)一期防波堤工程實(shí)例，討論了上述方法中二和三的可行性。 陳漢寶等通過(guò)波浪數(shù)學(xué)模型， 對(duì)航道局部開(kāi)挖引起的波能重新分配進(jìn)行了研究，指出了局部開(kāi)挖可能使邊坡及附近邊灘波能集中程度加劇，因此因通過(guò)開(kāi)挖使防波堤等的位置處于其形成的“波影區(qū)”內(nèi)，以達(dá)到趨利避害的效果。高峰等86結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例討論了采用增加防波堤， 清除淺灘和調(diào)整航道軸線三種方案來(lái)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(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)，討論這三種方案的改善效果。作者還對(duì)多方向波和單方向波的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析， 發(fā)現(xiàn)多向波的結(jié)果偏安全且更接近波浪傳播的真實(shí)情況。 以上數(shù)學(xué)模型和物理模型的的結(jié)論都表明了航道對(duì)波浪傳播影響的一些共同結(jié)論：臨界入射角的存在:航道對(duì)波浪傳播（折射和反射）的影響，主要是因?yàn)殚_(kāi)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(dǎo)致的結(jié)果。 這與光波從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射和反射的原理是一致的， 何時(shí)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(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，發(fā)生全反射，反之則發(fā)生折射，同理由于水深不同而導(dǎo)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(jiàn)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(duì)應(yīng)于折射角為90時(shí)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(jié)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(shí)，波浪可以穿越航道，只不過(guò)發(fā)生較小的折射，波向線稍有變化。見(jiàn)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(shí)，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(jiàn)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(shí)，航道外波浪發(fā)生反射而不進(jìn)入航道，導(dǎo)致航道內(nèi)波浪減小，迎浪側(cè)波高增大，見(jiàn)圖1.2-4（為便于比較，圖1.2-4畫(huà)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(lái)的研究?jī)?nèi)容國(guó)內(nèi)外在深水航道對(duì)港內(nèi)外波浪場(chǎng)影響問(wèn)題上，并沒(méi)有一個(gè)較為全面的分析，且單一采用數(shù)?；蛭锬Ｑ芯恳簿哂幸欢ǖ木窒扌?。接下來(lái)計(jì)劃中的主要研究?jī)?nèi)容如下： 應(yīng)用Mike21-BW和緩坡方程數(shù)學(xué)模型計(jì)算均勻斜坡加橢圓淺灘地形、平底加雙突堤地形波場(chǎng)圖，并與已有試驗(yàn)值或解析解進(jìn)行對(duì)比； 應(yīng)用兩種數(shù)模對(duì)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(duì)波浪傳播及港內(nèi)波場(chǎng)的影響情況進(jìn)行系統(tǒng)性分析，比較兩種數(shù)模的差異性； 應(yīng)用物理模型試驗(yàn)?zāi)M港內(nèi)波浪場(chǎng)，判斷港內(nèi)泊穩(wěn)條件，給出防波堤和碼頭的設(shè)計(jì)波要素，確定防波堤最佳布置方案；應(yīng)用Mike21-BW和推廣的緩坡方程數(shù)學(xué)模型模擬臨港港內(nèi)波浪場(chǎng)，并將結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比； 最后給出本文的主要結(jié)論以及進(jìn)行進(jìn)一步研究的建議。參考文獻(xiàn)1 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