波浪整體物理模型試驗在港口工程建設(shè)中的應(yīng)用

摘 要：數(shù)學(xué)模型試驗、斷面物理模型試驗在港口工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛但都有一定的局限性。波浪整體物理模型試驗?zāi)軌蛑苯域炞C港口工程相關(guān)構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，直觀地展現(xiàn)越浪量、波浪爬高及波浪打擊范圍，對于完善和優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、保障結(jié)構(gòu)安全起到十分重要的作用。文章以某工程為例，簡要分析波浪整體物理模型試驗在港口工程建設(shè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型 斷面物理模型 整體物理模型 港口工程試驗

港口工程開發(fā)建設(shè)及外海防護(hù)性工程是一項在技術(shù)上十分復(fù)雜的工程，尤其波浪動力作用方面仍有許多問題未能很好解決。以往港口開發(fā)建設(shè)及防護(hù)性工程大多位于淺水地區(qū)或建設(shè)的岸線規(guī)則，不可預(yù)見因素少，加上投資規(guī)模較小，因此較少采用整體物模試驗進(jìn)行設(shè)計驗證。近年來相關(guān)工程有逐漸向外海深水發(fā)展的趨勢，投資規(guī)模逐漸擴(kuò)大——尤其是景觀性填海護(hù)岸工程的興起，此類工程往往岸線曲折多變，潮流產(chǎn)生的沿岸流經(jīng)折射、衍射等多重作用，使工程面對的環(huán)境更加惡劣和復(fù)雜。

近四、五年，隨著填海護(hù)岸項目的增多，水運行業(yè)積累了很多相關(guān)的設(shè)計和施工經(jīng)驗，工程技術(shù)人員對于整體物模試驗在護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方面重要性的認(rèn)識水平也在不斷提高。相關(guān)規(guī)范規(guī)定：防波堤結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行波浪模型試驗驗證，但并未明確是進(jìn)行數(shù)學(xué)模型（以下簡稱數(shù)模）、斷面物理模型還是整體物理模型試驗，因此在執(zhí)行中往往還結(jié)合設(shè)計單位的意見去執(zhí)行。

1.三種波浪模型試驗的對比分析

在項目的開發(fā)建設(shè)過程中，數(shù)學(xué)模型是運用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的科學(xué)或工程模型，隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，相關(guān)軟件就可以完成該項工作，一般是用數(shù)模進(jìn)行工程區(qū)域的波浪、潮流及泥沙推算。斷面物理模型是將各分段設(shè)計方案按模型比例在水槽中試驗，了解各分段護(hù)岸在波浪作用下的穩(wěn)定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打擊范圍，以便合理確定護(hù)岸各控制點高程及尺度、護(hù)面塊體及護(hù)底規(guī)格，為設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。整體物理模型試驗除了具有斷面物理模型試驗的特點外，還能測試波浪轉(zhuǎn)角處（波浪凸凹轉(zhuǎn)角處形成波能集中區(qū)，影響護(hù)岸的穩(wěn)定性）及斜向波浪及本項目與已建的附近其它工程相接段護(hù)面塊體的穩(wěn)定性。

在技術(shù)方面：數(shù)模與整體物理模型均是對整個建設(shè)項目的模擬，但數(shù)模對細(xì)微的局部影響無法監(jiān)測和測量；斷面物理模型與整體物理模型均是對工程的實際模擬，但斷面模型無法試驗出凸凹轉(zhuǎn)角處、工程銜接點、斜向浪沖擊等特殊段、特殊環(huán)境的波浪影響作用。因此，整體物理模型試驗?zāi)苤庇^、最面地展現(xiàn)波浪對整個項目區(qū)域的影響及項目建設(shè)后的安全性和穩(wěn)定性。

在經(jīng)濟(jì)方面：數(shù)模投入的人力、物力和資金一般較少，對場地沒有限制；斷面物理模型的投入居中，對場地的要求一般；整體物理模型的投入較大，對場地要求嚴(yán)格，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國僅有少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)可以完成大型的整體物理模型試驗。

2.三種模型試驗在某項目中的應(yīng)用

某項目位于大連市南部海岸的西段，凌水灣內(nèi)，岸線自然彎曲，平均走向為東偏北約45°。其東部水深變化較緩，西部水深變化較大，由于敞海，風(fēng)浪較大，直接受外海波浪影響。項目由兩個工程組成，均為填海造地項目。項目周邊在近5年內(nèi)均各有一個填海造地項目、“豆腐坨”小島夾在已建項目與本項目之間、項目外側(cè)還有四個小島對本項目形成“拱衛(wèi)”。

2.1 數(shù)模試驗在工可研階段的應(yīng)用

由于大連對南部海域的開發(fā)加之項目周邊填海造地工程的建設(shè)，致使項目周邊波浪和環(huán)境發(fā)生了較大變化。實驗機(jī)構(gòu)通過數(shù)模試驗，確定擬建護(hù)岸的設(shè)計波浪要素，為護(hù)岸水工結(jié)構(gòu)可行性研究及施工圖設(shè)計提供科學(xué)、合理的設(shè)計依據(jù)；在極端高水位、設(shè)計高水位和設(shè)計低水位，采用不規(guī)則波，進(jìn)行波浪推算，給出擬建水工建筑物前不同重現(xiàn)期（50年、25年、10年、5年、2年一遇）設(shè)計波浪要素。試驗時采用丹麥水力研究所（DHI Water & Environment）開發(fā)的MIKE21軟件中的SW（Spectral Wave FM）模型來推算工程區(qū)域的設(shè)計波浪要素。SW模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風(fēng)成浪、海底摩擦和波浪破碎的影響。

除上述設(shè)計參數(shù)外，從數(shù)模試驗結(jié)果來看，整體泥沙沖淤變化較小，最大年沖淤量不到1cm；河道內(nèi)整體呈淤積狀態(tài)，但淤積量很小，年沖淤量不到1.0cm。能滿足國家相關(guān)規(guī)定及項目投入使用后的需要。

2.2斷面物理模型試驗在工可研與方案設(shè)計中的應(yīng)用

設(shè)計單位根據(jù)數(shù)模提供的參數(shù)及計算的結(jié)果，設(shè)計出了不同的斷面形式。斷面形式在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比對的同時，還需要進(jìn)行技術(shù)比對。通過多方案比選基本確定護(hù)岸結(jié)構(gòu)、型式及布置；通過斷面物模試驗，了解各分段護(hù)岸在波浪作用下的穩(wěn)定性、波浪爬高、越浪量、波浪力和波浪打擊范圍，合理確定護(hù)岸各控制點高程及尺度、護(hù)面塊體及護(hù)底規(guī)格，從而為設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。在保證安全與穩(wěn)定的前提下，確定經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)的最優(yōu)方案。

試驗單位根據(jù)設(shè)計院設(shè)計的簡單方案，布置斷面模型，在水槽中模擬波浪沖擊，對各種參數(shù)進(jìn)行試驗；對試驗的結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案，再由設(shè)計方案調(diào)整試驗參數(shù)與模型形式……如此往復(fù)，同時參考景觀設(shè)計單位的意見，確定最優(yōu)方案。

2.3 整體物理模型試驗在施工圖設(shè)計中的應(yīng)用

確定好各斷面及相應(yīng)長度，并進(jìn)行相關(guān)的專家技術(shù)評審、政府手續(xù)評審后，設(shè)計單位進(jìn)行施工圖設(shè)計。依據(jù)設(shè)計好的施工圖進(jìn)行整體物理模型試驗。試驗時，除按“重力相似準(zhǔn)則”進(jìn)行相似模擬外，還要按照整體物理模型試驗技術(shù)要求、平面距離、水下地形條件及波浪傳播特征、試驗設(shè)備條件等因素確定，最終本項目選擇的模型比例是1：40。由于模型試驗采用的是淡水，而實際工程中為海水，受淡水與海水密度差異的影響，試驗中考慮ρ海水=1.025ρ淡水來控制模型塊體重量。最終按照設(shè)計要求布置水工結(jié)構(gòu)物。

同時要進(jìn)行波浪要素率定，達(dá)到試驗波浪要素滿足目標(biāo)值的要求。不規(guī)則波采用頻譜模擬，將給定的有效波高及周期送入計算機(jī)進(jìn)行波譜模擬，經(jīng)過修正后，使峰頻附近譜密度、峰頻、譜能量、有效波高等滿足試驗規(guī)程要求。每組波浪要素的波列都保持波個數(shù)在100以上。根據(jù)試驗要求，針對不同浪向，在各個水位依據(jù)給定的波浪要素進(jìn)行率定。試驗時，依據(jù)率定好的造波信號進(jìn)行造波。通過造波板前的水位傳感器，實時監(jiān)測水面變化，保證入射波的準(zhǔn)確性。

試驗過程中在極端高水位和設(shè)計高水位，測定護(hù)岸的波浪爬高、護(hù)岸頂高程和后方場地設(shè)計高程處越浪量以波浪打擊范圍；在不同水位50年一遇各向波浪作用下，驗證斜坡式護(hù)岸胸墻、護(hù)面塊體、墊層塊石、護(hù)底塊石的穩(wěn)定性；驗證（半）直立式護(hù)岸整體抗傾抗滑、胸墻、護(hù)面塊體、墊層塊石以及護(hù)底塊石的穩(wěn)定性；通過模型試驗，對胸墻和后方程場地高程進(jìn)行優(yōu)化；提出護(hù)面塊體、墊層塊石和護(hù)底塊石的穩(wěn)定性需要優(yōu)化的斷面位置。

試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，項目內(nèi)河道區(qū)域波浪雖然發(fā)生疊加、折射、衍射等多重作用，但比設(shè)計參數(shù)要求要降低很多。設(shè)計院根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，將優(yōu)化后的設(shè)計成果再次進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果滿足規(guī)范及相關(guān)規(guī)定要求。經(jīng)一系列試驗優(yōu)化，整體節(jié)省投資兩千多萬元。在與試驗單位的交流當(dāng)中，也有很多項目因試驗數(shù)據(jù)不滿足相關(guān)規(guī)范的要求，為了確保工程結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計單位在局部進(jìn)行加強，提高了項目投資和工程造價。

3.綜述

波浪整體物理模型試驗，能在項目設(shè)計階段模擬出項目建成后受風(fēng)浪、潮汐等多重作用的影響，進(jìn)一步驗證了相關(guān)設(shè)計參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)，在滿足國家相關(guān)規(guī)范及要求的基礎(chǔ)上對設(shè)計成果進(jìn)行優(yōu)化，確保工程建成后能滿足安全及使用需要。因此，整體物模試驗對于港口工程建設(shè)項目完善和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、保障結(jié)構(gòu)安全是十分必要的。

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