岚山港区15#、16#泊位开孔式沉箱结构码头消浪效果试验研究

2023.09.08

尚金瑞

摘要：为有效减小港内直立沉箱码头结构波浪反射，改善港内泊稳条件，常采用开孔沉箱消浪结构型式。开孔沉箱结构型式多样，消浪效果也存在差异，本文对岚山港区南作业区15#、16#泊位开孔沉箱进行断面物理模型试验，研究论证各种工况下的开孔沉箱消浪效果，优化开孔沉箱码头设计，较好地解决了波浪反射问题，工程应用表明消浪效果良好。

关键词：码头结构开孔沉箱消浪

沉箱结构是港口工程中经常采用的形式，为有效减小港内直立沉箱码头结构波浪反射，改善港内泊稳条件，通常对沉箱开孔以消减波能。开孔沉箱结构在 20 世纪60 年代由Jarlan最早提出，多年来，国内外许多学者对开孔沉箱消浪效果进行研究， Tanimoto 等对开孔沉箱的反射率与主要影响因素作了范围较广的试验研究，绘出反射率与消浪室相对宽度关系；习和忠从能量的角度在理论上建立反射波高的计算公式；李玉成对波浪与开孔沉箱结构的相互作用开展了系统的研究工作，考虑了开孔率、消浪室相对宽度、顶板高程及波要素等多种综合因素对反射系数影响。

开孔沉箱结构型式多样，消浪效果也存在差异。本文对岚山港区南作业区15#、16#泊位开孔沉箱进行断面物理模型试验，研究论证各种工况下的开孔沉箱消浪效果，优化开孔沉箱码头设计，较好地解决了波浪反射问题，工程应用表明消浪效果良好。研究成果可为类似工程提供参考。

试验条件和方法

1、工程概况

岚山港区为半开敞式港区（见图1），南作业区15#、16#泊位位于西岸线，受ESE～S向波浪影响较大，在直立式岸壁码头前形成较大反射波，在狭窄港池内震荡叠加，影响船舶靠离泊和装卸作业，为此提出采用消浪结构码头型式，减小波浪反射，改善港池泊稳条件。

试验结果及分析

1、越浪量

本次试验沉箱结构为方案一～方案四，其中方案一～方案三为开孔沉箱，方案四为不开孔沉箱。设计高水位下4个方案的越浪量试验结果列于表2。

由表可见，对于本次试验的4个方案，在设计高水位，波高较大时的越浪量较大，由于沉箱开孔率及开孔方式不同，方案二和方案三的值相对较小；波高较小时越浪量都较小。方案一、方案二、方案三和方案四的最大越浪量分别为0.289m3/s/m、0.184m3/s/m、0.167m3/s/m和0.307m3/s/m。

2、反射系数

本次试验沉箱结构为方案一～方案四，其中方案一～方案三为开孔沉箱，方案四为不开孔沉箱。4个方案的波浪反射系数试验结果列于表2。

由试验结果可见，受到越浪及沉箱开孔高程的影响，水位对开孔沉箱结构的反射系数影响较大。在极端高水位和设计高水位时，水位较高，沉箱开孔位于水面以下，越浪对反射系数影响较大，由于极端高水位时越浪较大，反射系数通常小于设计高水位时的值；在平均水位和设计低水位，水位位于沉箱开孔附近，反射系数较小；对于不开孔沉箱方案四，反射系数主要受越浪影响，极端高水位时反射系数较小。

各方案在不同水位时的平均反射系数列于表3，平均反射系数比较见图4。

由图表可见：

方案一，极端高水位时，反射系数0.700～0.708，平均值0.704；设计高水位时，反射系数0.625～0.808，平均值0.750，在波高较大时，受越浪影响，反射系数较小；平均水位时，反射系数0.412～0.464，平均值0.438，反射系数较小，主要是该方案的开孔较高，水位上下都有开孔，并且波高较小（2年一遇）；设计低水位时，反射系数0.585～0.624，平均值0.605，比平均水位时略大，主要是该工况时的波高、波长较大（50年一遇）。

方案二，极端高水位时，反射系数0.733～0.735，平均值0.734；设计高水位时，反射系数0.711～0.846，平均值0.805，在波高较大时，受越浪影响，反射系数较小；平均水位时，反射系数0.544～0.648，平均值0.596，反射系数较小，主要是该方案的开孔较高，并且波高较小（2年一遇）；设计低水位时，反射系数0.724～0.729，平均值0.727，反射系数较大，主要是该方案上下开孔，而设计低水位位于上下开孔中间的实体部分。

方案三，下部开孔与方案一相同，但上部不开孔。极端高水位时，反射系数0.767～0.787，平均值0.777；设计高水位时，反射系数0.794～0.865，平均值0.838，在波高较大时，受越浪影响，反射系数较小；平均水位时，反射系数0.739～0.754，平均值0.747，反射系数较大，主要是该方案上部不开孔，水位位于开孔以上；设计低水位时，反射系数0.614～0.655，平均值0.657，比方案一略大，主要是该工况时的波高较大（50年一遇），波列中的大波可作用到开孔以上。

方案四，为不开孔沉箱。极端高水位时，受越浪影响，反射系数较小，在0.773～0.798，平均值0.786；在其他水位，反射系数相差不大，在0.857～0.926，平均值0.883，反射系数较大。

从反射系数试验结果可见，对于本次试验的4个方案，在极端高水位和设计高水位，反射系数相差不大，方案一消浪效果略好；在平均水位和设计低水位，方案一消浪效果较好。

结语

通过波浪断面物理模型试验对4个沉箱结构方案的消浪效果进行了比选，结果表明，受到越浪及沉箱开孔高程的影响，水位对开孔沉箱结构的反射系数影响较大，高水位时，受越浪影响，虽然反射系数有所减小，但开孔沉箱效果不明显；当水位位于沉箱开孔位置附近时（平均水位和设计低水位），开孔沉箱具有明显的消浪效果。对于本次试验的4个方案，方案一由于开孔范围较大，具有较好的消浪效果。

参考文献：

[1] Jarlan G E. A perforated vertical wall breakwater. The Dock and Harbour Authority 1961.41 （486）：394-398.

[2] Tanimoto K，Yoshimoto Y.Theoretical and experiment study of reflection coefficient for wave dissipating caisson with a permeable front wall [J].Report of Port and Harbour Research institute，l 982，2 l（3）：43-77.

[3] 习和忠.开孔沉箱防波堤消浪作用的理论研究及应用[J].港口工程，1994（6）：11-16.

[4] 李玉成. 波浪与开孔沉箱结构相互作用的研究[G]，第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集，北京：海洋出版社，2007：11-171.

[5]Urashima S，Ishizuka K.Kondo H.Energy Dissipation and Wave Force at Slotted wall[J].Proc.20th Coastal Eng Conf.，1986.III，ASCE：2344—2352.

[6]李玉成，刘洪杰，滕斌，等.开孔沉箱在斜向入射波作用下受力研究[J].海洋学报，2003（1）：100—108.

（作者单位：日照港集团岚山港务有限公司）